Summary Nitrogen‐fixing rhizobacteria can promote plant growth; however, it is controversial whether biological nitrogen fixation ( BNF ) from associative interaction contributes to growth promotion. The roots of Setaria viridis , a model C 4 grass, were effectively colonized by bacterial inoculants resulting in a significant enhancement of growth. Nitrogen‐13 tracer studies provided direct evidence for tracer uptake by the host plant and incorporation into protein. Indeed, plants showed robust growth under nitrogen‐limiting conditions when inoculated with an ammonium‐excreting strain of Azospirillum brasilense . 11 C‐labeling experiments showed that patterns in central carbon metabolism and resource allocation exhibited by nitrogen‐starved plants were largely reversed by bacterial inoculation, such that they resembled plants grown under nitrogen‐sufficient conditions. Adoption of S. viridis as a model should promote research into the mechanisms of associative nitrogen fixation with the ultimate goal of greater adoption of BNF for sustainable crop production.

Molecular mechanisms of plant recognition and colonization by diazotrophic bacteria are barely understood. Herbaspirillum seropedicae is a Betaproteobacterium capable of colonizing epiphytically and endophytically commercial grasses, to promote plant growth. In this study, we utilized RNA-seq to compare the transcriptional profiles of planktonic and maize root-attached H. seropedicae SmR1 recovered 1 and 3 days after inoculation. The results indicated that nitrogen metabolism was strongly activated in the rhizosphere and polyhydroxybutyrate storage was mobilized in order to assist the survival of H. seropedicae during the early stages of colonization. Epiphytic cells showed altered transcription levels of several genes associated with polysaccharide biosynthesis, peptidoglycan turnover and outer membrane protein biosynthesis, suggesting reorganization of cell wall envelope components. Specific methyl-accepting chemotaxis proteins and two-component systems were differentially expressed between populations over time, suggesting deployment of an extensive bacterial sensory system for adaptation to the plant environment. An insertion mutation inactivating a methyl-accepting chemosensor induced in planktonic bacteria, decreased chemotaxis towards the plant and attachment to roots. In summary, analysis of mutant strains combined with transcript profiling revealed several molecular adaptations that enable H. seropedicae to sense the plant environment, attach to the root surface and survive during the early stages of maize colonization.

Summary Sorghum ( Sorghum bicolor ) is gaining popularity as a sustainable energy crop due to its high biomass and potential for biofuel production. Some rare sorghum accessions develop many aerial roots that produce viscous carbohydrate-rich mucilage after rain. This aerial root mucilage is strikingly similar to that observed in specific landraces of maize ( Zea mays ) from southern Mexico, which have been previously shown to host nitrogen-fixing bacteria (diazotroph). The landraces displaying these traits can reduce nitrogen-based fertilizer input, mitigating their negative environmental impacts. In this study, we characterized the aerial root development of several sorghum accessions and successfully isolated more than 103 distinct diazotrophs from the sorghum mucilage. Using acetylene reduction and 15 N gas enrichment assays, we confirmed that sorghum plants acquire nitrogen from the atmosphere through the diazotrophic associations in the mucilage. This sorghum symbiotic relationships with diazotrophs offer a promising avenue for nitrogen fixation, potentially diminishing reliance on synthetic fertilizers and promoting sustainable agricultural practices.