Nodulation and nitrogen fixation genes of Mesorhizobium loti are encoded on the chromosome of the bacterium. Nevertheless, there is strong evidence that these genes can be transferred from an inoculant strain to nonsymbiotic mesorhizobia in the field environment. Here we report that the chromosomal symbiotic element of M. loti strain ICMP3153 is transmissible in laboratory matings to at least three genomic species of nonsymbiotic mesorhizobia. The element is 500 kb in size, integrates into a phe-tRNA gene, and encodes an integrase of the phage P4 family just within its left end. The entire phe-tRNA gene is reconstructed at the left end of the element upon integration, whereas the 3′ 17 nucleotides of the tRNA gene are present as a direct repeat at the right end. We termed the element a symbiosis island on the basis of its many similarities to pathogenicity islands. It may represent a class of genetic element that contributes to microbial evolution by acquisition.

Bacterial infection of interior tissues of legume root nodules is controlled at the epidermal cell layer and is closely coordinated with progressing organ development. Using spontaneous nodulating Lotus japonicus plant mutants to uncouple nodule organogenesis from infection, we have determined the role of 16 genes in these two developmental processes. We show that host-encoded mechanisms control three alternative entry processes operating in the epidermis, the root cortex and at the single cell level. Single cell infection did not involve the formation of trans-cellular infection threads and was independent of host Nod-factor receptors and bacterial Nod-factor signals. In contrast, Nod-factor perception was required for epidermal root hair infection threads, whereas primary signal transduction genes preceding the secondary Ca2+ oscillations have an indirect role. We provide support for the origin of rhizobial infection through direct intercellular epidermal invasion and subsequent evolution of crack entry and root hair invasions observed in most extant legumes. Plant and bacteria symbiosis in some species results in the coordinate formation of nitrogen fixing nodules and infection of the plant host. Using mutantLotus japonicusplants, Madsen and colleagues have determined the role of 16 different genes in these two processes.

We report that the ntrB and ntrC proteins of Bradyrhizobium sp. [Parasponia] strain RP501 share homology with other regulatory proteins. There is extensive conservation of C-terminal regions between products of RP501 ntrB; Klebsiella pneumoniae ntrB; Escherichia coli envZ, cpxA, and phoR; Agrobacterium tumefaciens virA; and, to a lesser extent, E. coli cheA. There is also extensive conservation of N-terminal regions between products of RP501 ntrC; K. pneumoniae ntrC; E. coli ompR, sfrA, phoB, cheY and cheB; Salmonella typhimurium cheB and cheY; Bacillus subtilis spoOA and spoOF; and A. tumefaciens virG. We propose that these regulatory genes comprise two-component regulatory systems that evolved from a common ancestral system that involved transduction of information about the status of the environment by one protein domain (the C-terminal regions conserved among ntrB, envZ, etc.) to a second one (the N-terminal region conserved among ntrC, ompR, etc.). The ntrC-set protein then acts upon a specific responding mechanism, typically as a transcriptional activator but also as an effector of the maturation of outer membrane proteins or as a modulator of the direction of flagella rotation.

Rhizobia were isolated from nodules off a stand of Lotus corniculatus established with a single inoculant strain, ICMP3153, 7 years earlier in an area devoid of naturalized Rhizobium loti. The isolates showed diversity in growth rate, Spe I fingerprint of genomic DNA, and hybridization pattern to genomic DNA probes. The 19% of isolates that grew at the same rate as strain ICMP3153 were the only isolates that had the same fingerprint as strain ICMP3153. Sequencing of part of the 16S rRNA gene of several diverse isolates confirmed that they were not derived from the inoculant strain. Nevertheless, all non-ICMP3153 strains gave EcoRI and Spe I hybridization patterns identical to ICMP3153 when hybridized to nodulation gene cosmids. Hybridization of digests generated by the very rare cutting enzyme Swa I revealed that the symbiotic DNA region (at least 105 kb) was chromosomally integrated in the strains. The results suggest that the diverse strains arose by transfer of chromosomal symbiotic genes from ICMP3153 to nonsymbiotic rhizobia in the environment.

Surface polysaccharides are important for bacterial interactions with multicellular organisms, and some are virulence factors in pathogens. In the legume–rhizobium symbiosis, bacterial exopolysaccharides (EPS) are essential for the development of infected root nodules. We have identified a gene in Lotus japonicus, Epr3, encoding a receptor-like kinase that controls this infection. We show that epr3 mutants are defective in perception of purified EPS, and that EPR3 binds EPS directly and distinguishes compatible and incompatible EPS in bacterial competition studies. Expression of Epr3 in epidermal cells within the susceptible root zone shows that the protein is involved in bacterial entry, while rhizobial and plant mutant studies suggest that Epr3 regulates bacterial passage through the plant’s epidermal cell layer. Finally, we show that Epr3 expression is inducible and dependent on host perception of bacterial nodulation (Nod) factors. Plant–bacterial compatibility and bacterial access to legume roots is thus regulated by a two-stage mechanism involving sequential receptor-mediated recognition of Nod factor and EPS signals. This paper describes the discovery of the exopolysaccharide receptor (Epr3) in plants, and shows that its expression is induced upon perception of the bacterial Nod factors; the EPR3 receptor recognizes exopolysaccharides on the surface of rhizobia, thus controlling the symbiotic infection of the roots of legumes. Rhizobium bacteria infect the roots of legumes, where they induce the formation of nitrogen-fixing root nodules. This symbiotic relationship is of agricultural importance as it reduces the need for nitrogen fertilizers. But how do legumes recognize these beneficial partners among thousands of incompatible soil bacteria they encounter? It is known that exopolysaccharides on the surface of bacteria are important for interactions of these microorganisms with multicellular organisms and here Jens Stougaard and coworkers identify an exopolysaccharide receptor (EPR3) that mediates recognition of rhizobia in the wild legume Lotus japonicus. EPR3 expression is induced upon perception of bacterial signalling molecules known as Nod factors. The receptor recognizes compatible exopolysaccharides, thus controlling the symbiotic infection.

Lipochitin oligosaccharides called Nod factors function as primary rhizobial signal molecules triggering legumes to develop new plant organs: root nodules that host the bacteria as nitrogen-fixing bacteroids. Here, we show that the Lotus japonicus Nod factor receptor 5 (NFR5) and Nod factor receptor 1 (NFR1) bind Nod factor directly at high-affinity binding sites. Both receptor proteins were posttranslationally processed when expressed as fusion proteins and extracted from purified membrane fractions of Nicotiana benthamiana or Arabidopsis thaliana . The N-terminal signal peptides were cleaved, and NFR1 protein retained its in vitro kinase activity. Processing of NFR5 protein was characterized by determining the N -glycosylation patterns of the ectodomain. Two different glycan structures with identical composition, Man 3 XylFucGlcNAc 4 , were identified by mass spectrometry and located at amino acid positions N68 and N198. Receptor–ligand interaction was measured by using ligands that were labeled or immobilized by application of chemoselective chemistry at the anomeric center. High-affinity ligand binding was demonstrated with both solid-phase and free solution techniques. The K d values obtained for Nod factor binding were in the nanomolar range and comparable to the concentration range sufficient for biological activity. Structure-dependent ligand specificity was shown by using chitin oligosaccharides. Taken together, our results suggest that ligand recognition through direct ligand binding is a key step in the receptor-mediated activation mechanism leading to root nodule development in legumes.

Switching perception of friend and foe Lysine motif receptors in plants perceive glycans that signal the presence of pathogenic or symbiotic nitrogen-fixing microbes. Bozsoki et al. now define the portions of these receptors that create the discriminatory binding pocket (see the Perspective by Bisseling and Geurts). The motifs were conserved in receptors that initiate immune responses, reflecting the invariable nature of the chitin fragments that they sense. Conversely, the motifs in receptors that respond to symbiotic signals were more varied, reflecting the greater diversity of the lipochitooligosaccharides (Nod factors) that they sense. With domain swapping, the authors switched the Nod factor specificity of receptors from two legume species and also enabled a chitin receptor that was otherwise dedicated to the detection of pathogenic microbes to instead recognize Nod factors. Science , this issue p. 663 ; see also p. 620

The symbiosis between Mesorhizobium japonicum R7A and Lotus japonicus Gifu is an important model system for investigating the role of bacterial exopolysaccharides (EPS) in plant-microbe interactions. Previously, we showed that R7A exoB mutants that are affected at an early stage of EPS synthesis and in lipopolysaccharide (LPS) synthesis induce effective nodules on L. japonicus Gifu after a delay, whereas exoU mutants affected in the biosynthesis of the EPS side chain induce small uninfected nodule primordia and are impaired in infection. The presence of a halo around the exoU mutant when grown on Calcofluor-containing media suggested the mutant secreted a truncated version of R7A EPS. A nonpolar Δ exoA mutant defective in the addition of the first glucose residue to the EPS backbone was also severely impaired symbiotically. Here, we used a suppressor screen to show that the severe symbiotic phenotype of the exoU mutant was due to the secretion of an acetylated pentasaccharide, as both monomers and oligomers, by the same Wzx/Wzy system that transports wild-type exopolysaccharide. We also present evidence that the Δ exoA mutant secretes an oligosaccharide by the same transport system, contributing to its symbiotic phenotype. In contrast, Δ exoYF and polar exoA and exoL mutants have a similar phenotype to exoB mutants, forming effective nodules after a delay. These studies provide substantial evidence that secreted incompatible EPS is perceived by the plant, leading to abrogation of the infection process. [Formula: see text] Copyright © 2024 The Author(s). This is an open access article distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 International license .