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Nitrogen is arguably the most important nutrient required by plants. However, the availability of nitrogen is limited in many soils and although the earth's atmosphere consists of 78.1% nitrogen gas (N2) plants are unable to use this form of nitrogen. To compensate , modern agriculture has been highly reliant on industrial nitrogen fertilizers to achieve maximum crop productivity. However, a great deal of fossil fuel is required for the production and delivery of nitrogen fertilizer. Moreover carbon dioxide (CO2) which is released during fossil fuel combustion contributes to the greenhouse effect and run off of nitrate leads to eutrophication of the waterways. Biological nitrogen fixation is an alternative to nitrogen fertilizer. It is carried out by prokaryotes using an enzyme complex called nitrogenase and results in atmospheric N2 being reduced into a form of nitrogen diazotrophic organisms and plants are able to use (ammonia). It is this process and its major players which will be discussed in this book. Biological Nitrogen Fixation is a comprehensive two volume work bringing together both review and original research articles on key topics in nitrogen fixation. Chapters across both volumes emphasize molecular techniques and advanced biochemical analysis approaches applicable to various aspects of biological nitrogen fixation. Volume 1 explores the chemistry and biochemistry of nitrogenases, nif gene regulation, the taxonomy, evolution, and genomics of nitrogen fixing organisms, as well as their physiology and metabolism. Volume 2 covers the symbiotic interaction of nitrogen fixing organisms with their host plants, including nodulation and symbiotic nitrogen fixation, plant and microbial "omics", cyanobacteria, diazotrophs and non-legumes, field studies and inoculum preparation, as well as nitrogen fixation and cereals. Covering the full breadth of current nitrogen fixation research and expanding it towards future advances in the field, Biological Nitrogen Fixation will be a one-stop reference for microbial ecologists and environmental microbiologists as well as plant and agricultural researchers working on crop sustainability.
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Seitenzahl: 4127
Veröffentlichungsjahr: 2015
Cover
Title Page
Copyright
Dedication
Preface
References
Acknowledgments
Contributors
Volume 1
Chapter 1: Introduction
1.1 Free-Living Diazotrophs
1.2 Symbiotic Nitrogen-Fixing Bacteria
1.3 Associative Nitrogen-Fixing Bacteria
1.4 Outline of This Book
References
Section 1: Focus Chapters
Chapter 2: Recent Advances in Understanding Nitrogenases and How They Work
2.1 Introduction: Two Types of Nitrogenases Exist
2.2 Occurrence and Relationships among the Group-1 Nitrogenases
2.3 Overview of Properties of Mo-Nitrogenase
2.4 Overview of Properties of V-Nitrogenase and Fe-Nitrogenase
2.5 Structures of the Nitrogenase Component Proteins and their Complexes
2.6 Structures of the MoFe-Protein Prosthetic Groups
2.7 How are Substrates Reduced?
2.8 Where are the Binding Sites for Substrates and Inhibitors?
2.9 How are Electrons and Protons Delivered?
2.10 Some Concluding Remarks
References
Chapter 3: Evolution and Taxonomy of Nitrogen-Fixing Organisms with Emphasis on Rhizobia
3.1 Introduction
3.2 Materials and Methods
3.3 Results
3.4 Discussion
Note
Acknowledgments
References
Chapter 4: Evolution of Rhizobium Nodulation: From Nodule-Specific Genes (Nodulins) to Recruitment of Common Processes
4.1 Nodule Formation in a Nutshell
4.2 Signaling in Symbiosis
4.3 The Indeterminate Nodule
4.4 Signaling Inside the Nodule
4.5
Rhizobium
Symbiosis in
Parasponia
4.6 Actinorhizal N-Fixing Symbiosis
4.7 Arbuscular Mycorrhizal Symbiosis
4.8 Interactions with (Biotrophic) Pathogens
4.9 The Evolution of the
Rhizobium
Nodule Symbiosis
References
Chapter 5: Bioengineering Nitrogen Acquisition in Rice: Promises for Global Food Security
5.1 Introduction
5.2 Primary Nitrogen Uptake and Nitrogen-Use Efficiency: Gene Candidates and Caveats
5.3 The Carbon–Nitrogen Interface and N-Transfer: Removing Enzymatic Bottlenecks
5.4 Nitrogen Fixation: The Holy Grail
5.5 Concluding Remarks
References
Section 2: Chemistry and Biochemistry of Nitrogenases
Chapter 6: An Overview on Fe–S Protein Biogenesis from Prokaryotes to Eukaryotes
6.1 Introduction
6.2 Source of Iron and Sulfur
6.3 Structures and Properties of Fe–S Clusters
6.4 Formation of Fe–S CLUSTERS
6.5 Diverse Functionsof Fe–S Proteins
6.6 Fe–S Cluster Biosynthesis in Prokaryotes
6.7 ISC Assembly Machinery
6.8 The SUF Machinery in Bacteria and Plastids
6.9 F–S Protein Assembly in Eukaryotes
6.10 Mitochondrial Isc Assembly Machinery
6.11 Mitochondrial ISC Export System
6.12 CIA Assembly Apparatus
6.13 Conclusion
Acknowledgments
References
Chapter 7: Biosynthesis of the Iron-Molybdenum Cofactor of Nitrogenase
7.1 Introduction: Dinitrogenase and APO-Dinitrogenase
7.2 NifU and NifS
7.3 NifB: From Simple [Fe–S] Clusters to the Core of FeMo-co
7.4 NifQ: Directing Mo to FeMo-co Synthesis
7.5 NifV and the Incorporation of Homocitrate into FeMo-co
7.6 NifEN: A Node in the FeMo-co Biosynthetic Pathway
7.7 NifH: Nitrogenase Moonlighting Protein
7.8 Metallocluster Carrier (Escort) Proteins
7.9 Conclusion
Acknowledgments
References
Chapter 8: Distribution and Ecological Niches of Nitrogenases
8.1 Introduction
8.2 Alternate Nitrogenases and the Metal Content of the Cofactor
8.3 Distinguishing FeFe-Nitrogenase from VFe-Nitrogenase
8.4 Why Three Nitrogenases?
8.5 Rhodopseudomonas palustris CGA009 and Closely Related Strains
8.6 Control of Expression of Nitrogenase
8.7 Global Diversity of Nitrogen-Fixing Organisms
8.8 Isolation of Diazotrophs Containing Mo-Independent Nitrogenases
8.9 Coincidentally Discovered Novel Genera and Species with Alternate Nitrogenases
8.10 Estimates of Current Global Nitrogen Fixation
8.11 Concluding Remarks
References
Section 3: Expression and Regulation of Nitrogen Fixation Genes and Nitrogenase
Chapter 9: Regulation of nif Gene Expression in Azotobacter vinelandii
9.1 Introduction:
Azotobacter vinelandii
as Paradigm of Nitrogen-Fixing Bacteria
9.2 Methodologies Used to Study Regulation of
nif
Gene Expression in
A. vinelandii
9.3
nif
Genes
9.4 The NifA-NifL-GlnK System: A Dynamic Signal Integrating System that Modulates
nif
Gene Expression
9.5 Perspectives
Acknowledgments
References
Chapter 10: Regulatory Coupling of Nitrogen and Carbon Metabolism in Nitrogen-Fixing Pseudomonas stutzeri A1501
10.1 Introduction
10.2 Global Regulatory Networks Controlling Nitrogen Fixation And Nitrogen Source Utilization in Diazotrophic Proteobacteria
10.3 The Nitrogen Regulatory Cascade in
P. stutzeri
A1501
10.4 Catabolite Repression of Carbon Sources Utilization in
Pseudomonas
10.5 Catabolite Repression Control: Properties of A
crc
Mutant Strain of
P. stutzeri
A1501
10.6 Catabolite Repression Control: Transcriptome Analysis
10.7 Catabolite Repression: The CbrA–CbrB System IN
P. stutzeri
A1501
10.8 CbrAB and NtrBC Overlapping Functions in
P. stutzeri
A1501
10.9 Small Regulatory Noncoding RNAs
10.10 Identification of ncRNA in the Genome of
P. stutzeri
A1501
10.11 Concluding Remarks
Acknowledgments
References
Chapter 11: Regulation of Nitrogen Fixation and Molybdenum Transport in Rhodobacter capsulatus
11.1 Introduction
11.2 Transcriptional Activation of Nitrogen Fixation Genes
11.3 Ammonium Inhibition of Nitrogen Fixation
11.4 Molybdenum Repression of Fe-Nitrogenase and Mo Transport
Acknowledgments
References
Chapter 12: Metabolic Regulation of Nitrogenase Activity in Rhodospirillum rubrum: The Role of PII Proteins and Membrane Sequestration
12.1 Introduction
12.2 The “Switch-Off” Effect at the Molecular Level
12.3 The DraT and DraG Proteins
12.4 Regulation of DraT and DraG Activities
12.5 DraT and DraG in Other Organisms
12.6 Concluding Remarks
Acknowledgment
References
Chapter 13: How Does the DraG–PII Complex Regulate Nitrogenase Activity in Azospirillum brasilense?
13.1 Introduction
13.2 Reversible ADP-Ribosylation Regulates Nitrogenase Activity in
A. brasilense
at a Posttranslational Level
13.3 P
II
Proteins Regulate DraT and DraG Activity
13.4 Conclusions
Acknowledgments
References
Chapter 14: Fe Protein Overexpression Can Enhance the Nitrogenase Activity of Azotobacter vinelandii
14.1 Introduction
14.2 Methods
14.3 Results
14.4 Discussion
14.5 Conclusion
Acknowledgments
References
Chapter 15: FNR-Like Proteins in Rhizobia: Past and Future
15.1 Introduction
15.2 Regulation of the
R. etli fix
Genes: An Overview
15.3 Novel Elements in the Regulatory Cascade of
fix
Genes in
Rhizobium etli
15.4 NnrR Links the Low-Oxygen and N-Oxide Response in
Rhizobium etli
15.5 Conserved Functional Features in FNR-Related Proteins of
R. etli
15.6 Prediction of DNA-Binding Specificity Using Three-Dimensional Models of FNR-Related Proteins of
R. etli
15.7 Prediction of FNR-Related Targets in the Genome of
R. etli
CFN42
15.8 Concluding Remarks
Acknowledgments
References
Section 4: Taxonomy and Evolution of Nitrogen Fixing Organisms
Chapter 16: Exploring Alternative Paths for the Evolution of Biological Nitrogen Fixation
16.1 Introduction
16.2 How Ancient isBiological Nitrogen Fixation?
16.3 What are the Most Deeply Rooted Organisms that Harbor Nitrogenase and Presumably Fix Nitrogen?
16.4 Are Alternative Nitrogenases Evolutionary Ancestors of Mo-Nitrogenase?
16.5 What is the Nature of the Metal Complement of “Uncharacterized Nitrogenases”?
16.6 Is There an Evolutionary Relevance to Nitrogenase Promiscuity?
16.7 What is the Evolutionary Origin of Nitrogenase?
Acknowledgments
References
Chapter 17: Phylogeny, Diversity, Geographical Distribution, and Host Range of Legume-Nodulating Betaproteobacteria: What Is the Role of Plant Taxonomy?
17.1 Introduction
17.2 Burkholderias are Highly Diversified Symbionts of Legumes
17.3 Origin and Diversity of
Cupriavidus
Legume Symbionts
17.4 New Rhizobial Taxa in the Beta and Gamma Subclasses of Proteobacteria?
17.5 Has
Mimosa
Coevolved with Its Symbionts?
17.6 Is There Evidence of Coevolution Between Legumes in the Tribe Mimoseae and Their
Burkholderia
Symbionts?
17.7 Conclusion
Acknowledgments
References
Chapter 18: Bradyrhizobium, the Ancestor of All Rhizobia: Phylogeny of Housekeeping and Nitrogen-Fixation Genes
18.1 Introduction
18.2 State of The Art of The Genus
Bradyrhizobium
18.3 Described Species of
Bradyrhizobium
18.4 Phylogeny Based on The Analysis of Ribosomal Genes
18.5 The Use of The Multilocus Sequence Analysis (MLSA) Approach to Define Taxonomy and Phylogeny of
Bradyrhizobium
18.6 Phylogeny of Nodulation and Nitrogen-Fixation Genes in
Bradyrhizobium
18.7 Concluding Remarks
Acknowledgments
References
Chapter 19: Interaction between Host and Rhizobial Strains: Affinities and Coevolution
Lesen Sie weiter in der vollständigen Ausgabe!
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