In this research, we examined the effect of NaCl on the growth, energy metabolism, and proton motive force of Halomonas salina, and the effect of compatible solutes on the bacterium growing in the high salinity environment. H. salina was isolated from seawater and identified by 16srDNA sequencing. The growth of H. salina was not enhanced by the addition of external compatible solutes (choline and betaine) in the high salinity environment. The resting cells of H. salina absorbed more glucose in the presence of 2.0 M NaCl than in its absence. H. salina did not grow in the medium with either KCl, RbCl, CsCl, $Na_2SO_4$, or $NaNO_3$, in place of NaCl. The optimal concentration of NaCl for the growth of H. salina ranged from 1.4 M to 2.5 M, and the growth yield was decreased in the presence of NaCl below 1.4M and above 2.5M. The activity of isocitrate dehydrogenase, pyruvate dehydrogenase, and malate dehydrogenase of H. salina was not inhibited by NaCl in in vitro test. The proton translocation of H. salina was detected in the presence of NaCl only. These results indicate that NaCl is absolutely required for the normal growth and energy metabolism of H. salina, but the bacterial growth is not enhanced by the compatible solutes added to the growth medium.
Salmonella, a main cause of foodborne diseases, encounters a variety of environmental stresses and overcomes the stresses by multiple resistance strategies. One of the general responses to hyperosmotic stress is to import or produce compatible solutes so that cells maintain fluid balance and protect proteins and lipids from denaturation. The ProP and ProU systems are the main transport systems for compatible solutes. The OsmU system, recently identified as a third osmoprotectant transport system, debilitates excessive growth as well by reducing production of trehalose. We studied a fourth putative osmoprotectant transport system, YehZYXW, with high sequence similarity with the OsmU system. A Salmonella strain lacking YehZ, a predicted substrate-binding protein, did not suffer from hyperosmolarity but rather grew more rapidly than the wild type regardless of glycine betaine, an osmoprotectant, suggesting that the YehZYXW system controls bacterial growth irrespective of transporting glycine betaine. However, the growth advantage of ${\Delta}yehZ$ was not attributable to an increase in OtsBA-mediated trehalose production, which is responsible for the outcompetition of the ${\Delta}osmU$ strain. Overexpressed YehZ in trans was capable of deaccelerating bacterial growth vice versa, supporting a role of YehZ in dampening growth. The expression of yehZ was increased in response to nutrient starvation, acidic pH, and the presence of glycine betaine under hyperosmotic stress. Identifying substrates for YehZ will help decipher the role of the YehZYXW system in regulating bacterial growth in response to environmental cues.
A halophilic bacterium was isolated from fermented seafood. The 16S rDNA sequence identity between the isolate and Halomonas subglaciescola AJ306801 was above 95%. The isolate that did not grow in the condition without NaCl or in the condition with other sodium (Na$\^$+/) or chloride ions (Cl$\^$-/) instead of NaCl was named H. subglaciescola DH-l. Two mutants capable of growing without NaCl were obtained by random mutagenesis, of which their total soluble protein profiles were compared with those of the wild type by two-dimensional electrophoresis. The external compatible solutes (betaine and choline) and cell extract of the wild type did not function as osmoprotectants, and these parameters within the mutants did not enhance their growth in the saline environment. In the proton translocation test, rapid acidification of the reactant was not detected for the wild type, but it was detected for the mutant in the condition without NaCl. From these results, we derived the hypothesis that NaCl may be absolutely required for the energy metabolism of H. subglaciescola DH-l but not for its osmoregulation, and the mutants may have another modified proton translocation system that is independent of NaCl, except for those mutants with an NaCl-dependent system.
Kim, Dea-Wook;Shibato, Junko;Agrawal, Ganesh Kumar;Fujihara, Shinsuke;Iwahashi, Hitoshi;Kim, Du Hyun;Shim, Ie-Sung;Rakwal, Randeep
Molecules and Cells
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v.24
no.1
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pp.45-59
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2007
We describe the gene expression profile of third leaves of rice (cv. Nipponbare) seedlings subjected to salt stress (130 mM NaCl). Transcripts of Mn-SOD, Cu/Zn-SOD, cytosolic and stromal APX, GR and CatB were up-regulated, whereas expression of thylakoid-bound APX and CatA were down-regulated. The levels of the compatible solute proline and of transcripts of its biosynthetic gene, ${\Delta}^1$-pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS), were strongly increased by salt stress. Interestingly, a potential compatible solute, ${\gamma}$-aminobutyric acid (GABA), was also found to be strongly induced by salt stress along with marked up-regulation of transcripts of GABA-transaminase. A dye-swap rice DNA microarray analysis identified a large number of genes whose expression in third leaves was altered by salt stress. Among 149 genes whose expression was altered at all the times assayed (3, 4 and 6 days) during salt stress, there were 47 annotated novel genes and 76 unknown genes. These results provide new insight into the effect of salt stress on the expression of genes related to antioxidant enzymes, proline and GABA as well as of genes in several functional categories.
Staphylococcus aureus, the most salt-tolerant nonhalophilic bacterium, is the only foodborne pathogen that is able to grow at a levels below 0.90. The fundamental osmorgulatory strategy used by this organism involves the accumulation of intracellular compatible solutes such as proline or glycine betaine which are accumulated by transport and act as osmoregulators in cells. In this study, levels of proline transport systems and glycine betaine transport system of S. aureus were examined when cells are grown at high osmolarity. The levels of all three transport systems within S. aureus were elevated at high osmolarity and the most dramatic increase was found for the low-affinity proline transport system. However, in 5mM glycine betaine-supplemented medium, the level of the low-affinity proline transport system did not become elevated when cultures were grown at high osmolarity. The metabolic fate of the accumulated proline and glycine getaine was investigated by thin-layer chromatography an found to be not metabolized by S. aureus.
In order to elucidate the ecophysiological characteristics of coastal plants, we collected them on salt marsh and sand dune, and analyzed inorganic ($Na^+,\;K^+,\;Mg^{2+},\;Ca^{2+}$) and organic solutes (soluble carbohydrate, glycine betaine). Chenopodiaceous plant species (Atriplex gmelini, Salicornia europaea, Salsola collina, Suaeda glauca, Suaeda japonica) showed a tendency to accumulate inorganic ions such as $Na^+\;and\;Cl^-$ instead of $K^+$. However, Chenopodium serotinum which lives in ruderal habitat contained more $K^+$ and less $Na^+$ than the other Chenopodiaceous plants. Most Chenopodiaceous plant species maintained very low level of soluble $Ca^{2+}$ and relatively low concentration of carbohydrates and showed high concentration of glycine betaine which is among the most effective known compatible solutes in the leaves of plant under drought and saline conditions. On the other hand, plant species which belong to Gramineae (Ishaemum anthephoroides, Phragmites communis, Zoysia sinica) and Cyperaceae (Carex kobomugi, Carex pumila) absorbed $K^+$ selectively and excluded $Na^+\;and\;Cl^-$ effectively regardless of habitat conditions, and they accumulated more soluble carbohydrate as osmoticum than Chenopodiaceous plants. These results suggested that physiological characteristics such as high storage capacity for inorganic ions (especially alkali cations, chloride) and the accumulation of glycine betaine in chenopodiaceous plants and $K^+$-preponderance, an efficient regulation of ionic uptake (exclusion of $Na^+\;and\;Cl^-$) and the accumulation of soluble carbohydrate in monocotyledonous plants enable them to grow dry and saline habitats.
Two low-salt complex media, bactopeptone and desalted yeast extract, were used for high density cultivation of the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus (DSM 1617). Bactopeptone, which has low mineral ion content among various complex media, was good for cell growth in batch cultures; the maximal cell density in bactopeptone was comparable to that in yeast extract. However, cell growth was rather poor when bactopeptone was added by the fed-batch procedure. Since several vitamins are deficient in abctopeptone, the effect of vitamins on cell growth was examined. Among the vitamins tested, pyridoxine was found to improve the growth rate of S. solfataricus. To reduce the growth inhibition caused by mineral ions, yeast extract was dialyzed against distilled water and then fed-batch cultures were carried out using a fed medium containing desalted yeast extract. Although the concentrations of mineral ions in yeast extract were significantly lowered by the dialysis whether low molecular weight solutes in yest extract are crucial for cell growth, we investigated the effect of trehalose, a most abundant compatible solute in yeast extract, on the growth pattern. Cell densities were increased and the length of the lag phase was markedly shortened by the presence of trehalose, indicating that trehalose plays an important role in the growth of S. solfataricus.
Ghosh, N.;Adak, M.K.;Ghosh, P.D.;Gupta, S.;Sen Gupta, D.N.;Mandal, C.
Plant Biotechnology Reports
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v.5
no.1
/
pp.89-103
/
2011
Two rice varieties, viz. Nonabokra and Pokkali, have been evaluated for their responses to salinity in terms of some physiological and biochemical attributes. During the exposure to salinity (200 mM concentration of sodium chloride for 24, 48, and 72 h), a significant increase in sodium was recorded which was also concomitant with the changes of other metabolic profiles like proline, phenol, polyamine, etc. The protein oxidation was significantly increased and also varied between the two cultivars. The changes in activities of anti-oxidative enzymes under stress were significantly different to the control. The detrimental effects of salinity were also evident in terms of lipid peroxidation, chlorophyll content, protein profiles, and generation of free radicals; and these were more pronounced in Pokkali than in Nonabokra. The assessment and analysis of these physiological characters under salinity could unravel the mechanism of salt responses revealed in this present study and thus might be useful for selection of tolerant plant types under the above conditions of salinity.
Pseudoalteromonas sp. meg-B1 belonging to Gammaproteobacteria was isolated from marine sediment in Jeju island. Here, we report the draft genome sequence of strain meg-B1 with a size of approximately 4.15 Mbp and a mean G + C content of 41.2%. The draft genome included 3,606 coding sequences, and 9 ribosomal RNA and 94 transfer RNA genes. In the draft genome, genes (e.g. choline dehydrogenase) involved in the accumulation of compatible solutes required for survival in marine environments have been identified.
Saline soils comprise more than half a billion hectares worldwide. Thus, they warrant attention for their efficient, economical, and environmentally acceptable management. Halophytes are being progressively utilized for human benefits. The halophyte microbiome contributes significantly to plant performance and can provide information regarding complex ecological processes involved in the osmoregulation of halophytes. Microbial communities associated with the rhizosphere, phyllosphere, and endosphere of halophytes play an important role in plant health and productivity. Members of the plant microbiome belonging to domains Archaea, Bacteria, and kingdom Fungi are involved in the osmoregulation of halophytes. Halophilic microorganisms principally use compatible solutes, such as glycine, betaine, proline, trehalose, ectoine, and glutamic acid, to survive under salinity stress conditions. Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) enhance plant growth and help to elucidate tolerance to salinity. Detailed studies of the metabolic pathways of plants have shown that plant growth-promoting rhizobacteria contribute to plant tolerance by affecting the signaling network of plants. Phytohormones (indole-3-acetic acid and cytokinin), 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid deaminase biosynthesis, exopolysaccharides, halocins, and volatile organic compounds function as signaling molecules for plants to elicit salinity stress. This review focuses on the functions of plant microbiome and on understanding how the microorganisms affect halophyte health and growth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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