Antioxidant pathways are up-regulated during biological nitrogen fixation to prevent ROS-induced nitrogenase inhibition in Gluconacetobacter diazotrophicus

固氮酶 活性氧 固氮 过氧化氢酶 生物化学 抗氧化剂 超氧化物歧化酶 线粒体ROS 生物 活性氮物种 氧化应激 化学 细菌 遗传学
作者
Sylvia Maria Campbell Alquéres,José Henrique M. Oliveira,Eduardo Matos Nogueira,Helma V. Guedes,Pedro L. Oliveira,Fernando Portela Câmara,José Ivo Baldani,Orlando B. Martins
出处
期刊:Archives of Microbiology [Springer Science+Business Media]
卷期号:192 (10): 835-841 被引量:38
标识
DOI:10.1007/s00203-010-0609-1
摘要

Gluconacetobacter diazotrophicus, an endophyte isolated from sugarcane, is a strict aerobe that fixates N(2). This process is catalyzed by nitrogenase and requires copious amounts of ATP. Nitrogenase activity is extremely sensitive to inhibition by oxygen and reactive oxygen species (ROS). However, the elevated oxidative metabolic rates required to sustain biological nitrogen fixation (BNF) may favor an increased production of ROS. Here, we explored this paradox and observed that ROS levels are, in fact, decreased in nitrogen-fixing cells due to the up-regulation of transcript levels of six ROS-detoxifying genes. A cluster analyses based on common expression patterns revealed the existence of a stable cluster with 99.8% similarity made up of the genes encoding the α-subunit of nitrogenase Mo-Fe protein (nifD), superoxide dismutase (sodA) and catalase type E (katE). Finally, nitrogenase activity was inhibited in a dose-dependent manner by paraquat, a redox cycler that increases cellular ROS levels. Our data revealed that ROS can strongly inhibit nitrogenase activity, and G. diazotrophicus alters its redox metabolism during BNF by increasing antioxidant transcript levels resulting in a lower ROS generation. We suggest that careful controlled ROS production during this critical phase is an adaptive mechanism to allow nitrogen fixation.
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