Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

9/21/2010 1 Microbial Biotechnology BIO--512 (ATW) Plant Growth Promoting Rhizobacteria o Symbiotic PGPR (Rhizobia) o Non--symbiotic PGPR Microbial Insecticide.

Presentasi serupa


Presentasi berjudul: "9/21/2010 1 Microbial Biotechnology BIO--512 (ATW) Plant Growth Promoting Rhizobacteria o Symbiotic PGPR (Rhizobia) o Non--symbiotic PGPR Microbial Insecticide."— Transcript presentasi:

1 9/21/ Microbial Biotechnology BIO--512 (ATW) Plant Growth Promoting Rhizobacteria o Symbiotic PGPR (Rhizobia) o Non--symbiotic PGPR Microbial Insecticide (Bt) Genetic Engineering of Plant Therapeutic Agent and Vaccin Molecular Diagnosis Large Scale of Mass Production Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR): Rhizobia Dr. Aris Tri Wahyudi Department of Biology FMIPA Bogor Agricultural University

2 2 N Fixation 2 Non-Symbiotic Cell Activity Air Symbiotic To Plant Carbohydrate 9/21/ Biological N 2 -Fixation ~Approximately 80 % is free N 2 ~It can not be used by microbes, directly ~It must be converted to N2-fixed: Nitrogen Fixation ~Microbe : Symbiotic; Non-Symbiotic ~Enzyme: Nitrogenase ~Biofertilizer

3 9/21/ Root Nodule Bacterium : N2 Fixation

4 9/21/2010 Nitrogen Fixation N 2 +8H + +8e - +16MgATP 2NH 3 +H MgADP+16Pi Nitrogenase Symbiotic: Bradyrhizobium, Rhizobium, Azorhizobium, etc Non-symbiotic: Azospirillum, Azotobacter, etc Bakteri Penambat N 2 Simbiotik: Membentuk Bintil (Nodul) 1. Azorhizobium 2. Bradyrhizobium 3. Rhizobium Azorhizobium : Membentuk bintil akar & batang Nodul Batang : Sesbania rostrata RHIZOBIA 4

5 9/21/2010 Metabolisme dan Translokasi Hasil fiksasi N 2 yaitu NH 3, diekskresikan sel Rhizobium atau masuk ke bintil (nodul) Bradyrhizobium NH 3 dlm bintil diproses menjadi : TemperateTropik glutamin 11% 9% Asparagin 81% 88% ureide Asam amino 8% 3% ditranslokasikan ke tanaman bagian atas lewat xylem. Bakteri bintil akar memperoleh sumber energi (karbohidrat) dari hasil fotosintesis tanaman (fotosintat) dari tanaman bagian atas ke akar lewat phloem. Sesbania rostrata 5

6 9/21/ Rhizobium Tumbuh cepat (3-5 hari) diatas YMA, 2-4 mm diameter Menghasilkan asam DNA : 59-64% G+C Membentuk bintil pada pepolongan subtropis Waktu generasi ~ 4 jam Bradyrhizobium Tumbuh lambat (5-7 hari) di atas YMA, diameter < sama dgn 1 mm Menghasilkan basa DNA : 61-65% G+C Membentuk bintil pada pepolongan tropis Waktu generasi ~ > 8jam Bradyrhizobium japonicum Bakteri bintil akar kedelai Gram negatif Fiksasi N 2 molekular Tumbuh lambat Galur potensial : inokulan

7 9/21/ Bradyrhizobium japonicum Strains Fig. Root Nodule Formation of Siratro by Bradyrhizobium japonicum

8 9/21/ Fig. Physical map of the complete sequence of Bradyrhizobium japonicum USDA110

9 9/21/2010 Fiksasi Nitrogen (N 2 ) Nitrogenase: 1. Komponen I : Mo-Fe-protein = dinitrogenase 2. Komponen II : Fe-protein = dinitrogenase reduktase Nitrogenase dikontrol oleh gen nif K. pneumoniae : > 20 gen nif teridentifikasi Gen-gen nif H D K nif H-----sintesis dinitrogenase reduktase nif D, nif K------sintesis dinitrogenase Nitrogenase sensitif terhadap oksigen (O 2 ) Bakteri aerob : punya mekanisme khusus untuk mem- pertahankan O 2 intraseluler tetap rendah Bakteri anaerobik fakultatif : Fiksasi N 2 pada ada O 2 atau tanpa O 2 Bakteri anaerob : tanpa O 2 Gen-gen nif pertama kali dipelajari pada K. pneumoniae ~dekat dengan E. coli ~model yang paling baik Fe-protein : terdiri dari 2 unit (dimer) disandikan oleh gen nifH 60 kDa Mo-Fe protein : tdr 4 subunit (tetradimer) : nifDK Gen-gen nif terletak pada plasmid (Rhizobium) dan pada kromosom (Bradyrhizobium) Penyusunan gen-gen nif sangat bervariasi : R. meliloti: nif HDK berdampingan B. japonicum : nif H terpisah dari nif DK+ 17 kb nif E, N, S, B terletak diantaranya K. pneumoniae: nif HDK berdampingan Ekspresi gen nif dipengaruhi oleh faktor lingkungan: NH 3 dan O 2 berlebih menghambat aktivitas nitrogenase 9

10 9/21/2010 Struktur Gen Simbiotik pada Bradyrhizobium japonicum nodVWnifDKE N XnifS nifB fixAnifH fixBCXNod-2 nodYABCSUIJ Orf123 nodZ fixR nifA fixA 70 kb Lokus IIIII I nolA nodD D1 ? Cluster I Cluster II Biological Nitrogen Fixation : Klebsiella pneunoniae 10

11 11 Nitrogenase reductase is a 60 kDa homodimer with a single 4Fe--4S cluster Very oxygen--sensitive Binds MgATP 4ATP required per pair of electrons transferred Reduction of N 2 to 2NH 3 + H 2 requires 4 pairs of electrons, so 16 ATP are consumed per N 2 9/21/2010 Klebsiella pneumoniae Nitrogenase Complex Two protein components: nitrogenase reductase and nitrogenase

12 12 9/21/2010 Why should nitrogenase need ATP? N 2 reduction to ammonia is thermodyna- mically favorable However, the activation barrier for breaking the N--N triple bond is enormous 16 ATP provide the needed activation energy Nitrogenase Function

13 13 9/21/2010 Gen-gen simbiotik pada Bradyrhizobium Gene nifA nifH nifDK nifB nifE Species B. japonicum B. sp (Parasponia) B. japonicum B. sp (cowpea) B. sp (Parasponia) B. japonicum B. sp (cowpea) B. sp (Parasponia) B. japonicum B. sp (Parasponia) B. japonicum function transcriptional regulator of nif & fix expression structural gene for dinitro- genase reductase structural genes for dinitro- genase Fe MoCo synthesis B. sp (Parasponia) Gen-gen simbiotik pada Bradyrhizobium (Lanjutan) Gen nifN nifS fixA fixBC fixIJ fixR Species B. japonicum B. sp (Parasponia) B. japonicum Function Fe Moco synthesis Maturation of nitrogenase Electron transport to nitrogenase Sequence similarity to family of two-component regulatory proteins Function unknown : sequence similarity to dehydrogenases

14 9/21/2010 Hydrogen Uptake Penambatan N 2 NH 3, selalu dibebaskan H 2 Gen hup + (hidrogen uptake) menyandikan : hidrogenase, meningkatkan fiksasi N 2 simbiotik Beberapa Alasan : 1. Oksidasi H 2, memungkinkan pengambilan kembali ATP yang digunakan oleh nitrogenase 2. Oksidasi H 2 mengurangi resiko penghambatan nitrogenase oleh H 2 3. Penggunaan O 2 untuk mengoksidasi H 2 dapat melindungi nitrogenase terhadap O 2. nitrogenase sensitif thd O 2. 14

15 9/21/2010 Energi Komplek Nitrogenase ATP ADP Hidrogenase ATP Generation Electron Carrier H2H2 2NH 3 N2N2 H+H+ Bradyrhizobium japonicum: hup + and hup - Rhizobium leguminosarum 15

16 9/21/ Nodulation A. Tahap-tahap pembentukan bintil akar 1. Pengenalan thd pasangan yg benar pd tanaman dan pelekatan bakteri ke rambut akar 2. Penyerbuan rambut akar oleh bakteri melalui pembentukan benang infeksi (infection threat) 3. Perjalanan bakteri ke akar utama lewat benang infeksi 4. Pembentukan bakteroid dlm sel tanaman 5. Pembelahan sel tanaman dan bakteri yg terus menerus, meng- hasilkan bintil akar dewasa Akar tanaman pepolongan mengeluarkan bahan organik untuk menarik mikroorganisme di sekitar perakaran (termasuk BBA) Pelekatan BBA dgn akar pepolongan tergantung dari makromolekul pd permukaan rambut akar yg berinteraksi dgn polisakarida BBA makromolekul : lektin polisakarida : 2-deoksiglukosa (R. trifolii) Rambut akar selanjutnya melengkung, lalu bakteri masuk membentuk benang infeksi. Sel-sel akar yg berdekatan menjadi terinfeksi BBA Sel yg terinfeksi, terangsang membelah (Sitokinin). Bakteri dlm sel tanaman membelah, berganda, menggembung mem- bentuk sel yg tdk beraturan dan bercabang : bakteroid Dikelilingi membran sel tanaman (peribacteroid membrane) fiksasi nitrogen mulai terjadi

17 9/21/ Root Nodule Formation 1. Pengenalan thd pasangan dan pelekatan bakteri ke rambut akar 2. Ekskresi nod faktor yang menyebabkan pelengkungan rambut-rambut akar 3. Penyerbuan rambut akar oleh bakteri dan pembentukan benang infeksi (infection threat) 4. Perjalanan bakteri ke akar utama 5. Pembentukan bakteroid dlm sel tanaman 6. Pembelahan sel tanaman dan bakteri yg terus menerus, menghasilkan bintil akar dewasa

18 Tanaman Pea Bean Clover Alfalfa Soybean Siratro Lupinus Parasponia Dinodulasi R. leguminosarum R. phaseoli R. trifolii R. meliloti B. japonicum B. lupini B. parasponiae Kec Tumbuh cepat lambat 9/21/2010 Nodulation B. Pembentukan bintil akar : nodulasi 1. Sintesis polisakarida - B-1,2 glukan EPS proses infeksi - Eksopolisakarida (EPS) perkembangan nodul - Lipopolisakarida (LPS) pembentukan nodul Mempunyai peranan penting utk nodulasi R. meliloti mutan (B-1,2 glukan) dpt membentuk bintil tapi tdk berisi bakteri (pseudonodul) -Mutan Rhizobium EPS : tidak mampu membentuk nodul Mampu membentuk nodul, tapi tdk mampu menambat N 2 -Efek mutasi, bergantung pada inang -R. leguminosarum bv. phaseoli (EPS) : bintil normal -R. leguminosarum bv. viciae (EPS) : tdk membentuk bintil -Mutan R. leguminosarum bv. phaseoli (LPS) : mampu membentuk bintil akar, tapi tdk menambat N 2 18

19 19 9/21/ Gen-gen untuk nodulasi (nod) -Banyak dipelajari pd R. meliloti, R. leguminosarum bv. trifolii, R. leguminosarum bv. viciae -Pada plasmid pSym : gen-gen nod berada pd fragmen 20 kb Transfer pSym ke spesies lain (resipien), resipien mampu membentuk bintil penambat N2 -Transfer pSym ke Agrobacterium menyebabkan nodul abnormal, fix -Plasmid pSym pRL1JI dari R. leguminosarum bv. viciae -Dua kelompok gen nod : nod ABCIJ : nod umum nod EFGH : penentu spektrum inang nod D : nod regulator = juga penentu inang Gen-gen Nodulasi pada Bradyrhizobium Gene nodABC nodD1 nodD2 nodI nodJ nodK Species B. japonicum B. sp (Parasponia) B. japonicum B. sp (Parasponia) B. japonicum B. sp (Parasponia) B. japonicum B. sp (Parasponia) B. japonicum B. sp (Parasponia) B. sp. (Parasponia) function Synthesis of essential factor for hair curling & cell div. Positive transcriptional re- gulation for gene expression Unknown function: mutation caused nod - Unknown function: ATP de- pendent transport protein Unknown function: Mem- brane location Unknown function

20 9/21/2010 Gen-gen Nodulasi pada Bradyrhizobium (Lanjutan) Gene nodLMN nodSU nodV nodW nodY nodZ Species B. sp (Parasponia) B. japonicum Function Host range determination Unknown function Host range determination Transcriptional regulation Unknown function Genotype specific noduation Struktur Gen-Gen Nodulasi R. leguminosarum 20

21 9/21/2010 Model for Regulation of B. japonicum Nodulation Genes nodA nodYnodD1 nodD1-box nodY-box DNA nodMnodLnodE nodFnodDnodA nodB nodC nodInodJ Represi 21 Isoflavon NodD1 Protein Struktur Gen nod R. leguminosarum bv. viciae Sym Plasmid pRL1JI Aktivasi

22 9/21/ Regulasi ekspresi gen nod a. R. leguminosarum bv. viciae nod ABCIJ, nod FE, dan nod D ditumbuhkan pada media penumbuhan yang normal hanya nod D yg ditranskripsi Jika eksudat akar (pea) ditambahkan pd media, nodFE dan nod ABCIJ aktif terekspresi, berarti eksudat akar tanaman inang dan gen nod D diperlukan untuk mengaktivasi operon nod. b. Flavonoid merupakan suatu inducer Flavon luteolin, menginduksi ekspresi gen nod R. meliloti 7,4-dihidroksi flavon, menginduksi ekspresi gen nod R. meliloti flavon dan flavanon mengaktivasi gen nod R. leguminosarum bv. viciae.

23 9/21/ Aplikasi Bioteknologi Produksi inokulan untuk Tanaman Legum Biofertilizer Bioremediasi: Bioakumulasi Logam Berat Inokulan pada Tanah Marginal


Download ppt "9/21/2010 1 Microbial Biotechnology BIO--512 (ATW) Plant Growth Promoting Rhizobacteria o Symbiotic PGPR (Rhizobia) o Non--symbiotic PGPR Microbial Insecticide."

Presentasi serupa


Iklan oleh Google