Bi  1  Week  8  

Symbiosis  /  Ecology  

Symbiotic  Relationships  of  Plants  and  their  Microbiome  

Recall  Ann  Hirsh’s  lecture  at  the  beginning  of  the  term.      

Today’s  Topic  

Nitrogen  Fixation  

Do  you  know  how  much  of  our  atmosphere  is  made  of  nitrogen?      

Nitrogen  is  a  building  block  of  life.  

Nitrogen  Fixation  

The  Atmosphere:    78  percent  N2  But…    Plants  need  NH3  

Nitrogen  Fixation  

The  Atmosphere:    78  percent  N2  But…    Plants  need  NH3  

ΔG0  =  -­‐45.2  kJ  /  mol  NH3  

EA  =  420  kJ  /  mol  (without  catalysis)  

Luckily…    Life  uses  proteins  (enzymes)  to  catalyze  reactions  like  this!  

thermodynamics  vs.  kinetics  

Nitrogenase  N2  +  8  e–  +  8  H+  +  16  ATP  →  16  ADP  +  16  Pi  +  2  NH3  +  H2  

EA  ~  400  kJ  /  mol  NH3  

Nitrogenase  N2  +  8  e–  +  8  H+  +  16  ATP  →  16  ADP  +  16  Pi  +  2  NH3  +  H2  

EA  ~  400  kJ  /  mol  NH3  

Stepwise  Catalytic  Conversion  (steps  have  lower  EA)  

Nitrogenase  Structure  

Back  to  relating  protein  structure  and  function:      

Amino  acid  sequence  encoded  by  nif  genes  (Primary  Structure)  

Alpha  Helices  (Secondary  Structure)  

Β-­‐Sheets  (Secondary  Structure)    

Protein  Molecule  (Tertiary  Structure)  

Protein  Complex  (Quaternary  Structure)  

Nitrogenase  Structure  +  Function  

Back  to  relating  protein  structure  and  function:      

The  different  metal  centers  enable  essential  ET  throughout  the  protein  in  this  process.      

FeMo cofactor

Nitrogenase  Structure  +  Function  

Back  to  relating  protein  structure  and  function:      

The  different  metal  centers  enable  essential  ET  throughout  the  protein  in  this  process.      

FeMo cofactor

J. Peters (CCE) D. Rees (CCE)

Nitrogenase  in  Rhizobia  

 Rhizobia  are  soil  bacteria  that  _ix  nitrogen  (actively  express  nitrogenases)  after  becoming  established  inside  the  root  nodules  of  legumes.      

Establishing  the  Partnership  

Rhizobia    

Legume  

Rhizobia    

Legume  

Establishing  the  Partnership  

Flavonoids  are  given  off  by  legume  roots  when  they  need  more  nitrogen  _ixing  partners  

Rhizobia    

Legume  

Establishing  the  Partnership  

Rhizobia  secrete  Nod  factors  

Establishing  the  Partnership  

Rhizobia    

Legume   Bacteria  enter  the  plant  through  root  hairs.  A  nodule  then  forms  around  the  infection.  

Plant  Controls  O2  Supply  to  Bacteria  

LEGUME   BACTERIA  

O2  control  

leghemoglobin  

PDB  2DGM    

Plant  Provides  Energy  for  Bacteria  

LEGUME   BACTERIA  

O2  control  

Energy  

Bacteria  provides  Fixed  Nitrogen  for  Plant  

LEGUME   BACTERIA  

O2  control  

Energy  

Fixed  Nitrogen  

Symbiosis  has  Checks  and  Balances  

LEGUME   BACTERIA  

O2  control  

Energy  

Fixed  Nitrogen  

Signaling  Pathways  (Think  about  Ann  Hirsh’s  lecture)  

N2  Fixing  Symbiosis  in  the  Deep  Ocean  

Caltech  Lab  Link  hBp://www.gps.caltech.edu/people/vorphan/research/Nitrogen_FixaOon  

FISH  Fluorescence  in-­‐situ  Hybridization  

Used  to  localize  the  presence  and  absence  of  speci_ic  RNA  or  DNA  sequences  on  chromosomes.        

Dekas  et  al.  used  two  different  probes:  Red:    ANME-­‐2  (target:    Eel932)  Green:    Desulfobateraceae  (target:  DSS658)      

NanoSIMS  single-­‐cell-­‐resolution  nanometer  secondary  ion  mass  spectrometry  

Ion  beam  

Target  Surface  

Method:    _luorescent  probes  that  bind  to  certain  RNA  or  DNA  sequences  

Used  to  localize  the  presence  and  absence  of  speci_ic  RNA  or  DNA  sequences  on  chromosomes.        

Dekas  et  al.  used  two  different  probes:  Red:    ANME-­‐2  (target:    Eel932)  Green:    Desulfobateraceae  (target:  DSS658)      

Method:    _luorescent  probes  that  bind  to  certain  RNA  or  DNA  sequences  

FISH  Fluorescence  in-­‐situ  Hybridization  

NanoSIMS  single-­‐cell-­‐resolution  nanometer  secondary  ion  mass  spectrometry  

rRNA  Trees  

Trees  not  Ladders  

Fish   Mouse   Human  Gorilla  

Fish  

Mouse  

Gorilla  

Human  

PhylogeneOc  trees  are  like  family  trees  

cousin   you  brother  

mother  

grandmother  

uncle  

Tree  Terminology  

A   B   C   D  

Root  

Node  

Leaf  

MonophyleOc  clade  

Different  ways  to  display  trees  

Unrooted  

Rooted   Rooted  

A  

A  

B  

B  

C  

C  

D  

A  

B  

C  

D  

Rooted  A  

B  

C  

D  

D  

Are  these  trees  different?  

A   B   C   D   A   B   C  D  

A   B  C  D   A  B  C  D  

How  to  make  a  tree  

Alignment   Tree  DNA   rRNA  sequence  PCR,  Sequencing   ClustalW   PhyML  

Seq  1    A    G    T    G    T  Seq  2    A    G    T    A    T  Seq  3    C    G    C    T    G  Seq  4    C    G    T    C    A  

3   4   1   2  1  

2  

3  

4  

Phylip!