Cultured soil microorganisms have provided a rich source of natural-product chemistry. Because only a tiny fraction of soil microbes from soil are readily cultured, soil might be the greatest untapped resource for novel chemistry. The concept of cloning the metagenome to access the collective genomes and the biosynthetic machinery of soil microflora is explored here.

ABSTRACT Recent progress in molecular microbial ecology has revealed that traditional culturing methods fail to represent the scope of microbial diversity in nature, since only a small proportion of viable microorganisms in a sample are recovered by culturing techniques. To develop methods to investigate the full extent of microbial diversity, we used a bacterial artificial chromosome (BAC) vector to construct libraries of genomic DNA isolated directly from soil (termed metagenomic libraries). To date, we have constructed two such libraries, which contain more than 1 Gbp of DNA. Phylogenetic analysis of 16S rRNA gene sequences recovered from one of the libraries indicates that the BAC libraries contain DNA from a wide diversity of microbial phyla, including sequences from diverse taxa such as the low-G+C, gram-positive Acidobacterium , Cytophagales , and Proteobacteria . Initial screening of the libraries in Escherichia coli identified several clones that express heterologous genes from the inserts, confirming that the BAC vector can be used to maintain, express, and analyze environmental DNA. The phenotypes expressed by these clones include antibacterial, lipase, amylase, nuclease, and hemolytic activities. Metagenomic libraries are a powerful tool for exploring soil microbial diversity, providing access to the genetic information of uncultured soil microorganisms. Such libraries will be the basis of new initiatives to conduct genomic studies that link phylogenetic and functional information about the microbiota of environments dominated by microorganisms that are refractory to cultivation.

Plants possess a range of defenses that can be actively expressed in response to pathogens and parasites of various scales, ranging from microscopic viruses to insect herbivores. The timing of these defense responses is critical and can be the difference between being able to cope or succumbing to the challenge of a pathogen or parasite. Systemic acquired resistance (SAR) and induced systemic resistance (ISR) are two forms of induced resistance; in both SAR and ISR, plant defenses are preconditioned by prior infection or treatment that results in resistance (or tolerance) against subsequent challenge by a pathogen or parasite. Great strides have been made over the past 20 yr in understanding the physiological and biochemical basis of SAR and ISR. Much of this knowledge is due to the identification of a number of chemical and biological elicitors, some of which are commercially available for use in conventional agriculture. However, the effectiveness of these elicitors to induce SAR and ISR as a practical means to control various plant diseases is just being realized. In this review, we first briefly summarize the fundamentals of ISR and SAR, for which a number of critical reviews already exist. We then examine the efficacy of SAR and ISR in published field-based studies. We place special emphasis on the benefits, drawbacks, and future considerations for the improved use of chemical and biological elicitors of induced resistance in conventional agriculture; this includes the potential to exploit genetic variability within populations of crop species to improve the utility of SAR and ISR in the field.

Both the qualitative and quantitative paradigms have weaknesses which, to a certain extent, are compensated for by the strengths of the other. As indicated in this article, the strengths of quantitative methods are that they produce factual, reliable outcome data that are usually generalizable to some larger population. The strengths of qualitative methods are that they generate rich, detailed, valid process data that usually leave the study participants' perspectives in tact. This article discusses how qualitative and quantitative methods can be combined and it introduces the articles included in this issue.

Surface plasmon resonance (SPR) imaging is a surface-sensitive spectroscopic technique for measuring interactions between unlabeled biological molecules with arrays of surface-bound species. In this paper, SPR imaging is used to quantitatively detect the hybridization adsorption of short (18-base) unlabeled DNA oligonucleotides at low concentration, as well as, for the first time, the hybridization adsorption of unlabeled RNA oligonucleotides and larger 16S ribosomal RNA (rRNA) isolated from the microbe Escherichia coli onto a DNA array. For the hybridization adsorption of both DNA and RNA oligonucleotides, a detection limit of 10 nM is reported; for large (1500-base) 16S rRNA molecules, concentrations as low as 2 nM are detected. The covalent attachment of thiol-DNA probes to the gold surface leads to high surface probe density (1012 molecules/cm2) and excellent probe stability that enables more than 25 cycles of hybridization and denaturing without loss in signal or specificity. Fresnel calculations are used to show that changes in percent reflectivity as measured by SPR imaging are linear with respect to surface coverage of adsorbed DNA oligonucleotides. Data from SPR imaging is used to construct a quantitative adsorption isotherm of the hybridization adsorption on a surface. DNA and RNA 18-mer oligonucleotide hybridization adsorption is found to follow a Langmuir isotherm with an adsorption coefficient of 1.8 × 107 M-1.

Expression of pathogenesis-related protein 1a (PR-1a), a protein of unknown biochemical function, is induced to high levels in tobacco in response to pathogen infection. The induction of PR-1a expression is tightly correlated with the onset of systemic acquired resistance (SAR), a defense response effective against a variety of fungal, viral, and bacterial pathogens. While PR-1a has been postulated to be involved in SAR, and is the most highly expressed of the PR proteins, evidence for its role is lacking. In this report, we demonstrate that constitutive high-level expression of PR-1a in transgenic tobacco results in tolerance to infection by two oomycete pathogens, Peronospora tabacina and Phytophthora parasitica var. nicotianae.

Antibiotic resistance genes are typically isolated by cloning from cultured bacteria or by polymerase chain reaction (PCR) amplification from environmental samples. These methods do not access the potential reservoir of undiscovered antibiotic resistance genes harboured by soil bacteria because most soil bacteria are not cultured readily, and PCR detection of antibiotic resistance genes depends on primers that are based on known genes. To explore this reservoir, we isolated DNA directly from soil samples, cloned the DNA and selected for clones that expressed antibiotic resistance in Escherichia coli. We constructed four libraries that collectively contain 4.1 gigabases of cloned soil DNA. From these and two previously reported libraries, we identified nine clones expressing resistance to aminoglycoside antibiotics and one expressing tetracycline resistance. Based on the predicted amino acid sequences of the resistance genes, the resistance mechanisms include efflux of tetracycline and inactivation of aminoglycoside antibiotics by phosphorylation and acetylation. With one exception, all the sequences are considerably different from previously reported sequences. The results indicate that soil bacteria are a reservoir of antibiotic resistance genes with greater genetic diversity than previously accounted for, and that the diversity can be surveyed by a culture-independent method.

ABSTRACT Little is known about bacteria associated with Lepidoptera, the large group of mostly phytophagous insects comprising the moths and butterflies. We inventoried the larval midgut bacteria of a polyphagous foliivore, the gypsy moth ( Lymantria dispar L.), whose gut is highly alkaline, by using traditional culturing and culture-independent methods. We also examined the effects of diet on microbial composition. Analysis of individual third-instar larvae revealed a high degree of similarity of microbial composition among insects fed on the same diet. DNA sequence analysis indicated that most of the PCR-amplified 16S rRNA genes belong to the γ- Proteobacteria and low G+C gram-positive divisions and that the cultured members represented more than half of the phylotypes identified. Less frequently detected taxa included members of the α- Proteobacterium , Actinobacterium , and Cytophaga / Flexibacter / Bacteroides divisions. The 16S rRNA gene sequences from 7 of the 15 cultured organisms and 8 of the 9 sequences identified by PCR amplification diverged from previously reported bacterial sequences. The microbial composition of midguts differed substantially among larvae feeding on a sterilized artificial diet, aspen, larch, white oak, or willow. 16S rRNA analysis of cultured isolates indicated that an Enterococcus species and culture-independent analysis indicated that an Entbacter sp. were both present in all larvae, regardless of the feeding substrate; the sequences of these two phylotypes varied less than 1% among individual insects. These results provide the first comprehensive description of the microbial diversity of a lepidopteran midgut and demonstrate that the plant species in the diet influences the composition of the gut bacterial community.

ABSTRACT To access the genetic and biochemical potential of soil microorganisms by culture-independent methods, a 24,546-member library in Escherichia coli with DNA extracted directly from soil had previously been constructed (M. R. Rondon, P. R. August, A. D. Bettermann, S. F. Brady, T. H. Grossman, M. R. Liles, K. A. Loiacono, B. A. Lynch, I. A. MacNeil, M. S. Osburne, J. Clardy, J. Handelsman, and R. M. Goodman, Appl. Environ. Microbiol. 66:2541-2547, 2000). Three clones, P57G4, P89C8, and P214D2, produced colonies with a dark brown melanin-like color. We fractionated the culture supernatant of P57G4 to identify the pigmented compound or compounds. Methanol extracts of the acid precipitate from the culture supernatant contained a red and an orange pigment. Structural analysis revealed that these were triaryl cations, designated turbomycin A and turbomycin B, respectively; both exhibited broad-spectrum antibiotic activity against gram-negative and gram-positive organisms. Mutagenesis, subcloning, and sequence analysis of the 25-kb insert in P57G4 demonstrated that a single open reading frame was necessary and sufficient to confer production of the brown, orange, and red pigments on E. coli ; the predicted product of this sequence shares extensive sequence similarity with members of the 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (4HPPD) family of enzymes. Another member of the same family of genes, lly , which is required for production of the hemolytic pigment in Legionella pneumophila , also conferred production of turbomycin A and B on E. coli . We further demonstrated that turbomycin A and turbomycin B are produced from the interaction of indole, normally secreted by E. coli , with homogentisic acid synthesized by the 4HPPD gene products. The results demonstrate successful heterologous expression of DNA extracted directly from soil as a means to access previously uncharacterized small organic compounds, serving as an example of a chimeric pathway for the generation of novel chemical structures.

While the ultimate goal of health education interventions is to positively influence health status, more proximal indicators of success are changes in intermediate outcomes, or impact. Because health education interventions work through intermediate outcomes, the linkage to health status is often assumed to be at a conceptual or theoretical level. The term health education intervention strategy is a heuristic device used to conceptualize and organize a large variety of activities. There is a wide range of studies and reports in the literature that either test specific intervention strategies or report on larger health education efforts combining several strategies. This article organizes the discussion to focus on individual-, community-, and policy-level interventions. Mass communications are also considered, and the authors comment on program planning issues that cut across specific interventions at the individual, community, and policy levels. Eleven recommendations are offered for future health education intervention research.