The molecular mechanisms of plant recognition, colonization, and nutrient exchange between diazotrophic endophytes and plants are scarcely known. Herbaspirillum seropedicae is an endophytic bacterium capable of colonizing intercellular spaces of grasses such as rice and sugar cane. The genome of H. seropedicae strain SmR1 was sequenced and annotated by The Paraná State Genome Programme—GENOPAR. The genome is composed of a circular chromosome of 5,513,887 bp and contains a total of 4,804 genes. The genome sequence revealed that H. seropedicae is a highly versatile microorganism with capacity to metabolize a wide range of carbon and nitrogen sources and with possession of four distinct terminal oxidases. The genome contains a multitude of protein secretion systems, including type I, type II, type III, type V, and type VI secretion systems, and type IV pili, suggesting a high potential to interact with host plants. H. seropedicae is able to synthesize indole acetic acid as reflected by the four IAA biosynthetic pathways present. A gene coding for ACC deaminase, which may be involved in modulating the associated plant ethylene-signaling pathway, is also present. Genes for hemagglutinins/hemolysins/adhesins were found and may play a role in plant cell surface adhesion. These features may endow H. seropedicae with the ability to establish an endophytic life-style in a large number of plant species.

The Brazilian Atlantic Forest is one of the 25 biodiversity hot spots in the world. Although the diversity of its fauna and flora has been studied fairly well, little is known of its microbial communities. In this work, we analyzed the Atlantic Forest ecosystem to determine its bacterial biodiversity, using 16S rRNA gene sequencing, and correlated changes in deduced taxonomic profiles with the physicochemical characteristics of the soil. DNAs were purified from soil samples, and the 16S rRNA gene was amplified to construct libraries. Comparison of 754 independent 16S rRNA gene sequences from 10 soil samples collected along a transect in an altitude gradient showed the prevalence of Acidobacteria (63%), followed by Proteobacteria (25.2%), Gemmatimonadetes (1.6%), Actinobacteria (1.2%), Bacteroidetes (1%), Chloroflexi (0.66%), Nitrospira (0.4%), Planctomycetes (0.4%), Firmicutes (0.26%), and OP10 (0.13%). Forty-eight sequences (6.5%) represented unidentified bacteria. The Shannon diversity indices of the samples varied from 4.12 to 3.57, indicating that the soils have a high level of diversity. Statistical analysis showed that the bacterial diversity is influenced by factors such as altitude, Ca(2+)/Mg(2+) ratio, and Al(3+) and phosphorus content, which also affected the diversity within the same lineage. In the samples analyzed, pH had no significant impact on diversity.

Abstract Background Metagenomics, the application of molecular genomics to consortia of non-cultivated microbes, has the potential to have a substantial impact on the search for novel industrial enzymes such as esterases (carboxyl ester hydrolases, EC 3.1.1.1) and lipases (triacylglycerol lipases, EC 3.1.1.3). In the current work, a novel lipase gene was identified from a fosmid metagenomic library constructed with the "prokaryotic-enriched" DNA from a fat-contaminated soil collected from a wastewater treatment plant. Results In preliminary screening on agar containing 1% tributyrin, 2661 of the approximately 500,000 clones in the metagenomic library showed activity. Of these, 127 showed activity on agar containing 1% tricaprylin, while 32 were shown to be true lipase producers through screening on agar containing 1% triolein. The clone with the largest halo was further characterized. Its lipase gene showed 72% identity to a putative lipase of Yersinia enterocolitica subsp. palearctica Y11. The lipase, named LipC12, belongs to family I.1 of bacterial lipases, has a chaperone-independent folding, does not possess disulfide bridges and is calcium ion dependent. It is stable from pH 6 to 11 and has activity from pH 4.5 to 10, with higher activities at alkaline pH values. LipC12 is stable up to 3.7 M NaCl and from 20 to 50°C, with maximum activity at 30°C over a 1 h incubation. The pure enzyme has specific activities of 1722 U/mg and 1767 U/mg against olive oil and pig fat, respectively. Moreover, it is highly stable in organic solvents at 15% and 30% (v/v). Conclusions The combination of the use of a fat-contaminated soil, enrichment of prokaryotic DNA and a three-step screening strategy led to a high number of lipase-producing clones in the metagenomic library. The most notable properties of the new lipase that was isolated and characterized were a high specific activity against long chain triacylglycerols, activity and stability over a wide range of pH values, good thermal stability and stability in water-miscible organic solvents and at high salt concentrations. These characteristics suggest that this lipase has potential to perform well in biocatalytic processes, such as for hydrolysis and synthesis reactions involving long-chain triacylglycerols and fatty acid esters.

Sugarcane is an important agricultural product of Brazil, with a total production of more than 500 million tons. Knowledge of the bacterial community associated with agricultural crops and the soil status is a decisive step towards understanding how microorganisms influence crop productivity. However, most studies aim to isolate endophytic or rhizosphere bacteria associated with the plant by culture-dependent approaches. Culture-independent approaches allow a more comprehensive view of entire bacterial communities in the environment. In the present study, we have used this approach to assess the bacterial community in the rhizosphere soil of sugarcane at different times and under different nitrogen fertilization conditions. At the high taxonomic level, few differences between samples were observed, with the phylum Proteobacteria (29.6%) predominating, followed by Acidobacteria (23.4%), Bacteroidetes (12.1%), Firmicutes (10.2%), and Actinobacteria (5.6%). The exception was the Verrucomicrobia phylum whose prevalence in N-fertilized soils was approximately 0.7% and increased to 5.2% in the non-fertilized soil, suggesting that this group may be an indicator of nitrogen availability in soils. However, at low taxonomic levels a higher diversity was found associated with plants receiving nitrogen fertilizer. Bacillus was the most predominant genus, accounting for 19.7% of all genera observed. Classically reported nitrogen-fixing and/or plant growth-promoting bacterial genera, such as Azospirillum, Rhizobium, Mesorhizobium, Bradyrhizobium, and Burkholderia were also found although at a lower prevalence.

The fast reduction of prices of DNA sequencing allowed rapid accumulation of genome data. However, the process of obtaining complete genome sequences is still very time consuming and labor demanding. In addition, data produced from various sequencing technologies or alternative assemblies remain underexplored to improve assembly of incomplete genome sequences. We have developed FGAP, a tool for closing gaps of draft genome sequences that takes advantage of different datasets. FGAP uses BLAST to align multiple contigs against a draft genome assembly aiming to find sequences that overlap gaps. The algorithm selects the best sequence to fill and eliminate the gap. FGAP reduced the number of gaps by 78% in an E. coli draft genome assembly using two different sequencing technologies, Illumina and 454. Using PacBio long reads, 98% of gaps were solved. In human chromosome 14 assemblies, FGAP reduced the number of gaps by 35%. All the inserted sequences were validated with a reference genome using QUAST. The source code and a web tool are available at http://www.bioinfo.ufpr.br/fgap/ .

A novel gene coding for a LipA-like lipase with 283 amino acids and a molecular mass of 32 kDa was isolated and characterized from a metagenomic library prepared from mangrove sediment from the south Brazilian coast.LipA was 52% identical to a lipolytic enzyme from an uncultured bacterium and shared only low identities (≤31%) with lipases/esterases from cultivable microorganisms.Phylogenetic analysis showed that LipA, together with an orthologous protein from an uncultured bacterium, forms a unique branch within family I of true lipases, thereby constituting a new lipase subfamily.Activity determination using crude extracts of Escherichia coli bearing the lipA gene revealed that this new enzyme has a preference for esters with short-chain fatty acids (C ≤ 10) and has maximum activity against p-nitrophenyl-caprate (chain length C10, 0.87 U/mg protein).The optimum pH of LipA was 8.0, and the enzyme was active over a temperature range of 20 to 35°C, with optimum activity against pnitrophenyl-butyrate at 35°C and pH 8.0.

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.

Herbaspirillum rubrisubalbicans M1 causes the mottled stripe disease in sugarcane cv. B-4362. Inoculation of this cultivar with Herbaspirillum seropedicae SmR1 does not produce disease symptoms. A comparison of the genomic sequences of these closely related species may permit a better understanding of contrasting phenotype such as endophytic association and pathogenic life style. To achieve this goal, we constructed suppressive subtractive hybridization (SSH) libraries to identify DNA fragments present in one species and absent in the other. In a parallel approach, partial genomic sequence from H. rubrisubalbicans M1 was directly compared in silico with the H. seropedicae SmR1 genome. The genomic differences between the two organisms revealed by SSH suggested that lipopolysaccharide and adhesins are potential molecular factors involved in the different phenotypic behavior. The cluster wss probably involved in cellulose biosynthesis was found in H. rubrisubalbicans M1. Expression of this gene cluster was increased in H. rubrisubalbicans M1 cells attached to the surface of maize root, and knockout of wssD gene led to decrease in maize root surface attachment and endophytic colonization. The production of cellulose could be responsible for the maize attachment pattern of H. rubrisubalbicans M1 that is capable of outcompeting H. seropedicae SmR1.

ABSTRACT Five thousand mutants of Herbaspirillum seropedicae SmR1 carrying random insertions of transposon pTnMod-OGmKm lacZ were screened for differential expression of LacZ in the presence of naringenin. Among the 16 mutants whose expression was regulated by naringenin were genes predicted to be involved in the synthesis of exopolysaccharides, lipopolysaccharides, and auxin. These loci are probably involved in establishing interactions with host plants.