-Molybdenum, as a component of the iron-molybdenum cofactor of nitrogenase, is essential for symbiotic nitrogen fixation. This nutrient has to be provided by the host plant through molybdate transporters. -Members of the molybdate transporters family MOT1 were identified in the model legume Medicago truncatula and their expression in nodules determined. Yeast toxicity assays, confocal microscopy, and phenotypical characterization of a Tnt1 insertional mutant line were carried out in the one M. truncatula MOT1 family member expressed specifically in nodules. -Among the five MOT1 members present in M. truncatula genome, MtMOT1.3 is the only one uniquely expressed in nodules. MtMOT1.3 shows molybdate transport capabilities when expressed in yeast. Immunolocalization studies revealed that MtMOT1.3 is located in the plasma membrane of nodule cells. A mot1.3-1 knockout mutant showed an impaired growth concomitant with a reduction in nitrogenase activity. This phenotype was rescued by increasing molybdate concentrations in the nutritive solution, or upon addition of an assimilable nitrogen source. Furthermore, mot1.3-1 plants transformed with a functional copy of MtMOT1.3 showed a wild type-like phenotype. -These data are consistent with a model in which MtMOT1.3 would be responsible for introducing molybdate into nodule cells, which will be later used to synthesize functional nitrogenase.

Iron is an essential cofactor for symbiotic nitrogen fixation. It is required by many of the enzymes facilitating the conversion of N2 into NH4+ by endosymbiotic bacteria living within root nodule cells, including signal transduction proteins, O2 homeostasis systems, and nitrogenase itself. Consequently, host plants have developed a transport network to deliver essential iron to nitrogen-fixing nodule cells. Model legume Medicago truncatula Ferroportin2 (MtFPN2) is a nodule-specific gene that encodes an iron-efflux protein. MtFPN2 is located in intracellular membranes in the nodule vasculature, and in the symbiosome membranes that contain the nitrogen-fixing bacteria in the differentiation and early-fixation zones of the nodules. Loss-of-function of MtFPN2 leads to altered iron distribution and speciation in nodules, which causes a reduction in nitrogenase activity and in biomass production. Using promoters with different tissular activity to drive MtFPN2 expression in MtFPN2 mutants, we determined that MtFPN2-facilitated iron delivery across symbiosomes is essential for symbiotic nitrogen fixation, while its presence in the vasculature does not seem to play a major role in in the conditions tested.

Symbiotic nitrogen fixation in legume root nodules requires a steady supply of molybdenum for synthesis of the iron-molybdenum cofactor of nitrogenase. This nutrient has to be provided by the host plant from the soil, crossing several symplastically disconnected compartments through molybdate transporters, including members of the MOT1 family. MtMOT1.2 is a Medicago truncatula MOT1 family member located in the endodermal cells in roots and nodules. Immunolocalization of a tagged MtMOT1.2 indicates that it is associated to the plasma membrane and to intracellular membrane systems, where it would be transporting molybdate towards the cytosol, as indicated in yeast transport assays. A loss-of-function mot1.2-1 mutant showed reduced growth compared to wild-type plants when nitrogen fixation was required, but not when nitrogen was provided as nitrate. While no effect on molybdenum-dependent nitrate reductase activity was observed, nitrogenase activity was severely affected, explaining the observed difference of growth depending on nitrogen source. This phenotype was the result of molybdate not reaching the nitrogen-fixing nodules, since genetic complementation with a wild-type MtMOT1.2 gene or molybdate-fortification of the nutrient solution, both restored wild-type levels of growth and nitrogenase activity. These results support a model in which MtMOT1.2 would mediate molybdate delivery by the vasculature into the nodules.

Symbiotic nitrogen fixation carried out by the interaction between legumes and diazotrophic bacteria known as rhizobia requires of relatively large levels of transition metals. These elements act as cofactors of many key enzymes involved in this process. Metallic micronutrients are obtained from soil by the roots and directed to sink organs by the vasculature, in a process participated by a number of metal transporters and small organic molecules that mediate metal delivery in the plant fluids. Among the later, nicotianamine is one of the most important. Synthesized by nicotianamine synthases (NAS), this non-proteinogenic amino acid forms metal complexes participating in intracellular metal homeostasis and long-distance metal trafficking. Here we characterized the NAS2 gene from model legume Medicago truncatula. MtNAS2 is located in the root vasculature and in all nodule tissues in the infection and fixation zones. Symbiotic nitrogen fixation requires of MtNAS2 function, as indicated by the loss of nitrogenase activity in the insertional mutant nas2-1, a phenotype reverted by reintroduction of a wild-type copy of MtNAS2. This would be the result of the altered iron distribution in nas2-1 nodules, as indicated by X-ray fluorescence studies. Moreover, iron speciation is also affected in these nodules. These data suggest a role of nicotianamine in iron delivery for symbiotic nitrogen fixation.

Zinc is a micronutrient required for symbiotic nitrogen fixation. It has been proposed that in model legume Medicago truncatula, zinc is delivered in a similar fashion as iron, i.e. by the root vasculature into the nodule and released in the infection/differentiation zone. There, zinc transporters must introduce this element into rhizobia-infected cells to metallate the apoproteins that use zinc as a cofactor. MtZIP6(Medtr4g083570) is a M. truncatula Zinc-Iron Permease (ZIP) that is expressed only in roots and nodules, with the highest expression levels in the infection/differentiation zone. Immunolocalization studies indicate that it is located in the plasma membrane of rhizobia-infected cells in the nodule. Down-regulating MtZIP6 expression levels with RNAi does not result in any strong phenotype when plants are being watered with mineral nitrogen. However, these silenced plants displayed severe growth defects when they depended on nitrogen fixed by their nodules, as a consequence of the loss of 80% of their nitrogenase activity. The reduction of this activity was not the result of iron not reaching the nodule, but an indirect effect of zinc being retained in the infection/differentiation zone and not reaching the cytosol of rhizobia-infected cells. These data are consistent with a model in which MtZIP6 would be responsible for zinc uptake by rhizobia-infected nodule cells in the infection/differentiation zone.