DOI: 10.1051/agro:2001153

Agronomie 21 (2001) 621-626

Feedback regulation of symbiotic N₂ fixation under drought stress

Rachid Serraj^a, Vincent Vadez^b and Thomas R. Sinclair<sup>b

a</sup>  Département de Biologie, Faculté des Sciences-Semlalia, BP 2390, Marrakech, Morocco
^b  USDA-ARS, Agronomy Physiology Laboratory, IFAS Building #350, 2005 SW 23rd Street, University of Florida, PO Box 110965, Gainesville, FL 32611-0965, USA

(Received 29 November 2000; revised 26 May 2001; accepted 17 July 2001)

Abstract
Although drought inhibition of N₂ fixation is general among rhizobium-legume symbioses, a large genetic variation has been found among legume species and cultivars in the N₂ fixation sensitivity to water deficits. Legume species that transport ureides from the nodules were found to be much more drought-sensitive than those that transport amides. It was concluded that a feedback mechanism involving ureide level may control N₂ fixation under drought. Consistent with this observation, the drought tolerance of N₂ fixation in soybean was associated with low concentrations of ureides in plant tissues. Experimental evidence for a direct inhibition of nitrogenase activity by ureides application supported the feedback hypothesis, although the exact nature of the chemical compound involved in the signal is still unknown. The basis for ureide accumulation is hypothesized to result from decreased ureide catabolism in the leaf. We showed recently that Asparagine (Asn) chelates Mn ions, which are the co-factor of the enzyme allantoate amidohydrolase, and as a result may cause an inhibition of ureide breakdown in the shoot. These data are consistent with the hypothesis that Asn would be a signal for the feedback inhibition of N₂ fixation.

Résumé
Régulation "feedback" de la fixation symbiotique de N₂ sous déficit hydrique. Une large variabilité génétique a été mise en évidence parmi les espèces et cultivars de légumineuses pour la sensibilité de la fixation de N₂ au déficit hydrique. Les espèces de légumineuses qui transportent l'azote sous forme d'uréides se sont avérées plus sensibles que les espèces à amides. Il en a été déduit qu'un mécanisme de régulation de type "feedback " impliquant les uréides serait responsable de l'inhibition de la fixation de N₂ par déficit hydrique. Des résultats expérimentaux montrant une inhibition de l'activité nitrogénase par l'application d'uréides exogènes constituent une preuve supplémentaire en faveur de l'hypothèse de régulation "feedback " . Le mécanisme physiologique responsable de l'accumulation des uréides est supposé résulter d'une diminution du catabolisme foliaire des uréides, mais la nature exacte de la molécule chimique impliquée dans le signal reste encore inconnue. Nous avons montré récemment que l'asparagine (Asn) pourrait induire une inhibition de la dégradation des uréides dans les feuilles, et par conséquent, leur accumulation dans les différents tissus de la plante. Ces résultats soutiennent l'hypothèse de l'intervention de Asn comme signal de régulation du métabolisme des uréides et de la fixation symbiotique de N₂ sous déficit hydrique.

Key words: N₂ fixation / drought stress / feedback / ureides / soybean

Mots clés : fixation de N₂ / déficit hydrique / feedback / uréides / soja

Correspondence and reprints: Rachid Serraj
    e-mail: R.Serraj@cgiar.org

Communicated by Jean-Jacques Drevon (Montpellier, France)

© INRA, EDP Sciences 2001