The nifH gene is the most widely sequenced marker gene used to identify nitrogen-fixing Bacteria and Archaea. Numerous PCR primers have been designed to amplify nifH, but a comprehensive evaluation of nifH PCR primers has not been performed. We performed an in silico analysis of the specificity and coverage of 51 universal and 35 group-specific nifH primers by using an aligned database of 23,847 nifH sequences. We found that there are 15 universal nifH primers that target 90% or more of nitrogen fixers, but that there are also 23 nifH primers that target less than 50% of nifH sequences. The nifH primers we evaluated vary in their phylogenetic bias and their ability to recover sequences from commonly sampled environments. In addition, many of these primers will amplify genes that do not mediate nitrogen fixation, and thus it would be advisable for researchers to screen their sequencing results for the presence of non-target genes before analysis. Universal primers that performed well in silico were tested empirically with soil samples and with genomic DNA from a phylogenetically diverse set of nitrogen-fixing strains. This analysis will be of great utility to those engaged in molecular analysis of nifH genes from isolates and environmental samples.

We describe a nitrogenase gene sequence database that facilitates analysis of the evolution and ecology of nitrogen-fixing organisms. The database contains 32 954 aligned nitrogenase nifH sequences linked to phylogenetic trees and associated sequence metadata. The database includes 185 linked multigene entries including full-length nifH, nifD, nifK and 16S ribosomal RNA (rRNA) gene sequences. Evolutionary analyses enabled by the multigene entries support an ancient horizontal transfer of nitrogenase genes between Archaea and Bacteria and provide evidence that nifH has a different history of horizontal gene transfer from the nifDK enzyme core. Further analyses show that lineages in nitrogenase cluster I and cluster III have different rates of substitution within nifD, suggesting that nifD is under different selection pressure in these two lineages. Finally, we find that that the genetic divergence of nifH and 16S rRNA genes does not correlate well at sequence dissimilarity values used commonly to define microbial species, as stains having <3% sequence dissimilarity in their 16S rRNA genes can have up to 23% dissimilarity in nifH. The nifH database has a number of uses including phylogenetic and evolutionary analyses, the design and assessment of primers/probes and the evaluation of nitrogenase sequence diversity. Database URL: http://www.css.cornell.edu/faculty/buckley/nifh.htm

Microbial N2 fixation (diazotrophy) represents an important nitrogen source to oligotrophic peatland ecosystems, which are important sinks for atmospheric CO2 and susceptible to changing climate. The objectives of this study were: (i) to determine the active microbial group and type of nitrogenase mediating diazotrophy in a ombrotrophic Sphagnum-dominated peat bog (the S1 peat bog, Marcell Experimental Forest, Minnesota, USA); and (ii) to determine the effect of environmental parameters (light, O2, CO2, CH4) on potential rates of diazotrophy measured by acetylene (C2H2) reduction and 15N2 incorporation. Molecular analysis of metabolically-active microbial communities suggested that diazotrophy in surface peat was primarily mediated by Alphaproteobacteria (Bradyrhizobiaceae and Beijerinckiaceae). Despite higher dissolved vanadium (V) (11 nM) than molybdenum (Mo) (3 nM) in surface peat, a combination of metagenomic, amplicon sequencing and activity measurements indicated that Mo-containing nitrogenases dominate over the V-containing form. Acetylene reduction was only detected in surface peat exposed to light, with the highest rates observed in peat collected from hollows with the highest water content. Incorporation of 15N2 was suppressed 90% by O2 and 55% by C2H2, and was unaffected by CH4 and CO2 amendments. These results suggest that peatland diazotrophy is mediated by a combination of C2H2-sensitive and C2H2-insensitive microbes that are more active at low O2 and show similar activity at high and low CH4.

Previous studies have shown that the sugarcane microbiome harbors diverse plant growth promoting (PGP) microorganisms, including nitrogen-fixing bacteria, and the objective of this study was to design a genome-enabled approach to prioritize sugarcane associated nitrogen-fixing bacteria according to their potential as biofertilizers. Using a systematic high throughput approach, 22 pure cultures of nitrogen-fixing bacteria were isolated and tested for diazotrophic potential by PCR amplification of nitrogenase ( nifH ) genes, common molecular markers for nitrogen fixation capacity. Genome sequencing confirmed the presence of intact nitrogenase nifH genes and operons in the genomes of 18 of the isolates. Isolate genomes also encoded operons for phosphate solubilization, siderophore production operons, and other PGP phenotypes. Klebsiella pneumoniae strains comprised 14 of the 22 nitrogen-fixing isolates, and four others were members of closely related genera to Klebsiella . A computational phenotyping approach was developed to rapidly screen for strains that have high potential for nitrogen fixation and other PGP phenotypes while showing low risk for virulence and antibiotic resistance. The majority of sugarcane isolates were below a genotypic and phenotypic threshold, showing uniformly low predicted virulence and antibiotic resistance compared to clinical isolates. Six prioritized strains were experimentally evaluated for PGP phenotypes: nitrogen fixation, phosphate solubilization, and the production of siderophores, gibberellic acid and indole acetic acid. Results from the biochemical assays were consistent with the computational phenotype predictions for these isolates. Our results indicate that computational phenotyping is a promising tool for the assessment of benefits and risks associated with bacteria commonly detected in agricultural ecosystems.

Beneficial modulation of the gut microbiome has high-impact implications not only in humans, but also in livestock that sustain our current societal needs. In this context, we have engineered an acetylated galactoglucomannan (AcGGM) fibre from spruce trees to match unique enzymatic capabilities of Roseburia and Faecalibacterium species, both renowned butyrate-producing gut commensals. The accuracy of AcGGM was tested in an applied pig feeding trial, which resolved 355 metagenome-assembled genomes together with quantitative metaproteomes. In AcGGM-fed pigs, both target populations differentially expressed AcGGM-specific polysaccharide utilization loci, including novel, mannan-specific esterases that are critical to its deconstruction. We additionally observed a "butterfly effect", whereby numerous metabolic changes and interdependent cross-feeding pathways were detected in neighboring non-mannolytic populations that produce short-chain fatty acids. Our findings show that intricate structural features and acetylation patterns of dietary fibre can be customized to specific bacterial populations, with the possibility to create greater modulatory effects at large.