Agronomie 10 (1990) 847-855
DOI: 10.1051/agro:19901008

Effect of nitrate on acetylene reduction and the activities of some enzymes of nitrogen and carbon metabolism, involved in nitrogen fixation in the root nodules of soybean

G. Alcantar-Gonzales^a, A. Moyse^b, E. Bismuth^b and ML Champigny<sup>b

a</sup>  Institucion de Ensenanza e, Investigacion en Ciencias Agricolas, Centro de Edafologia, Collegio de Postgraduados, Chapingo, Mexico
^b  Université Paris-Sud, Bâtiment 430, Photosynthèse et Métabolisme,CNRS (URA D1128),1405 Orsay Cedex, France

Abstract - Soybean plants (Glycine max (L) Merr) cv Maple arrow were nodulated either by Bradyrhizobium japonicum (USDA 311 b 138 or B japonicum CB 1809 and grown on low-N solution (20 μM nitrate). When the seedlings were 40 days old, treatments with 5 mM nitrate for 1-4 d were used in order to allow effects on acetylene reduction, bacteroid nitrate reductase (EC 1.6.6.1), nodule cytosol nitrate reductase, glutamine synthetase (EC 6.3.1.2) and phosphoenolpyruvate carboxylase (EC 4.1.1.31) to be studied in the absence of nodule senescence. Significant alterations of enzyme activities were only observed in nodules infected by B japonicum USDA 311 b 138. Thus infecting soybean plants with either B japonicum USDA 311 b 138 of B japonicum CB 1809 was a good tool for investigating the effects associated with N₂ fixation inhibition by comparing a high nitrate-sensitive and a low nitrate-sensitive symbiosis. Phosphoenolpyruvate carboxylase and acetylene reduction activities were rapidly lowered while the bacteroid inducible nitrate reductase increased. In contrast, the nodule cytosolic glutamine synthetase and nitrate reductase activities slowly increased after the ARA had declined. These data suggest that the nodule cytosol phosphoenolpyruvate carboxylase and the bacteroid nitrogenase are the 2 main regulatory enzymes controlling C and N metabolism respectively, in symbiotic nodules. On the other hand, parallelism of nodule cytosol nitrate reductase and glutamine synthetase suggest that in these soybean nodules, the cytosolic glutamine synthetase was devoted to assimilation of the NH⁺₄ product of nitrate assimilation.

Résumé - Rôle du nitrate sur la réduction de l'acétylène et les activités de quelques enzymes des métabolismes carboné et azoté impliqués dans la fixation de l'azote dans les nodules racinaires de soja. Il est bien connu que l'application de nitrates à des cultures de soja en symbiose avec Bradyrhizobium japonicum altère l'activité nitrogénase responsable de la fixation de l'azote moléculaire, avec vieillissement prématuré des nodosités. La nutrition azotée des plantes passe alors de la symbiose à l'autotrophie. L'objet des recherches décrites dans le présent article est d'étudier les effets des nitrates comparativement sur la nitrogénase (mesurée par l'activité de réduction de l'acétylène ou ARA) et sur 2 enzymes qui lui sont associées dans les premières étapes de l'assimilation de l'azote, la phosphoénolpyruvate carboxylase (EC 4.1.1.31) et la glutamine synthétase (EC 6.3.1.2), toutes 2 localisées dans le cytosol du tissu végétal des nodosités. Les activités de la nitrate réductase des bactéroïdes et de la nitrate réductase (EC 1.6.6.1) du tissu végétal des nodosités sont également mesurées. Des plantes de soja ( Glycine max L Merr) cv Maple arrow sont inoculées soit par Bradyrhizobium japonicum USDA 311 b 138, soit par B japonicum CB 1809. Ces 2 souches ont été choisies car, ayant des sensibilités différentes aux nitrates, elles permettent la comparaison de systèmes symbiotiques de niveaux de résistance distincts. Les plantes inoculées sont cultivées sur solution minérale sans N, mais contenant cependant les traces de nitrate de l'eau (20 μmol·l^-1). Le développement des plantes des des nodosités, l'activité fixatrice d'azote, la teneur en hémoglobine sont identiques, dans les 2 types d'association symbiotique (tableau I). Les traitements par le nitrate (5 mmol·l^-1) sont appliqués pendant 1-4 j afin de permettre l'étude de leurs effets sur la réduction de l'acétylène, et les activités enzymatiques citées plus haut, indépendamment des phénomènes liés à la sénescence des nodosités. Une partie des nitrates absorbés par les racines pénètre dans les nodosités via la sève du xylème (fig 1). Une diminution rapide et significative de l'ARA n'est observée que dans les nodosités infectées par B japonicum USDA 311 b 138 (fig 2). Ainsi, l'inoculation du soja soit avec B japonicum USDA 311 b 138, soit avec B japonicum CB 1809 est un bon outil pour l'étude des effets associés à l'inhibition de la fixation de N₂ avec comparaison de symbioses ayant différents degrés de sensibilité au nitrate. La diminution rapide de l'ARA est accompagnée chez B japonicum USDA 311 b 138 d'une augmentation de l'activité nitrate réductase des bactéroïdes et de l'activité phosphoénolpyruvate carboxylase du cytosol. Au contraire, la glutamine synthétase et la nitrate réductase du tissu végétal des nodosités n'augmentent que très lentement après le déclin de l'activité de réduction de l'acétylène (fig 3). Dans les nodosités inoculées par B japonicum CB 1809, aucune modification d'importance des activités enzymatiques étudiées, y compris l'ARA, ne se remarque (fig 4). Ces données suggèrent que la phosphoénolpyruvate carboxylase du cytosol des nodosités ainsi que la nitrogénase des bactéroïdes sont 2 enzymes majeures de la régulation respectivement du métabolisme du carbone et du métabolisme de l'azote, dans les nodosités en symbiose. Le parallélisme de l'évolution de la glutamine synthétase et de la nitrate réductase cytosoliques suggère que dans les nodosités de soja, le rôle de la glutamine synthétase cytosolique serait essentiellement associé à l'assimilation de NH ⁺₄, produit de l'assimilation de NO^-₃.

Key words: Bradyrhizobium japonicum / cytosol / glutamine synthetase / nitrate reductase / phosphoenolpyruvate carboxylase

Mots clés : Bradyrhizobium japonicum / cytosol / glutamine synthétase / nitrate réductase / phosphoénolpyruvate carboxylase