Preface to the Series. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
List of Contributors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Chapter 1. Origins of Genomics in Nitrogen-Fixation Research
G. Dávila and R. Palacios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Symbiotic Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3. Free-Living Organism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Chapter 2. Genomics of Diazotrophic Archaea
J. A. Leigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2. The Core nif-gene Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. Other nif Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4. Other Nitrogen Assimilatory Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5. PII Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Chapter 3. GenomicAspects of Nitrogen Fixation in the Clostridia
J.-S. Chen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2. The Nitrogen-Fixing Clostridia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3. The Genome of the Clostridia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4. Organization of the Nitrogen-Fixation Gene Cluster . . . . . . . . . . . . 17
5. Regulatory Genes for Nitrogen Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6. Altenative Nitrogen-Fixation (anf) Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7. Genes for Nitrogen Assimilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
8. Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Chapter 4. The Genome of the Filamentous Cyanobacterium Nostoc punctiforme
J. C. Meeks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2. Phenotypic Traits of N. punctiforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3. Overview of the N. punctiforme Genome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4. N. punctiforme genes Involved in Heterocyst Formation, Nitrogenase
Expression, and Ammonia and Nitrate Assimilation . . . . . . . . . . 46
5. Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
References . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Chapter 5. The nif Genes of Rhodobacter capsulatus, Rhodobacter
sphaeroides and Rhodopseudomonas palustris
R. Haselkorn and V. Kapatral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2. Regulation of the Nitrogen-Fixation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3. Operon Structure and Gene Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Chapter 6. Genomic Architecture of the Multiple Replicons of the
Promiscuous Rhizobium Species NGR234
P. Mavingui, X. Perret and W. J. Broughton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2. Promiscuity of NGR234 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3. Structural Organization of the NGR234 Genome . . . . . . . . . . . . . . 85
4. Coding Capacity of eth NGR234 Genome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5. Conclusions and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Chapter 7. Facets of the Bradyrhizobium japonicum 110 Genome
M. Göttfert, H. Hennecke and S. Tabata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3. Genome Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4. Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Chapter 8. pSymA of Sinorhizobium meliloti: Nitrogen Fixation and More
M. J. Barnett and M. L. Kahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2. History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3. The pSymA Sequence Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4. General Features of pSymA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5. Comparative Genomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6. Plasmid Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7. Elements of External Origin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8. Transfer RNA Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9. Nodulation Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
10. Nitrogen-Fixation Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
11. Carbon and Nitrogen Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
12. Chemotaxis and Pilus Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
13. Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 123
14. Regulation and Signal Transduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
15. Stress Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
16. Sulfur Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
17. Orphan Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
18. Genome-Wide Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
19. A Strategy for Analyzing pSymA of S. meliloti . . . . . . . . . . . . . . 127
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Chapter 9. Rhizobium etli Genome Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2. Rhizobium etli Genome Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3. Rhizobium Genome Plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4. Rhizobium etli Taxomony and Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Chapter 10. The Dawn of Functional Genomics in Nitrogen-Fixation Research
S. Encarnación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2. Functional Genomics – The Role of Gene-Expression Studies . . . . 144
3. The Transcriptome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
4. Transcriptomics in Nitrogen-Fixation Research. . . . . . . . . . . . . . . . 146
5. Transcriptomics in Plants during Symbiotic Nitrogen Fixation . . . 148
6. The Proteome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7. Proteomics and Nitrogen-Fixation Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8. Proteomics in Plants during Symbiotic Nitrogen Fixation . . . . . . . . 156
9. Proteomics in Concert with Transcriptomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10. Global Approaches to Study the R. etli-P. vulgaris Interaction . . . 158
11. Protein-Protein Interactions: Applications of Molecular Maps . . . 160
12. Transcriptomics, Proteomics and Bioinformatics . . . . . . . . . . . . . 160
13. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Chapter 11. Transcriptomics in Sinorhizobium meliloti
A. Becker and F. J. De Bruijn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
1. Introduction to Transcriptomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2. Introduction to the Biological System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3. Sinorhizobium meliloti Microarrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4. S. meliloti Macroarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5. Conclusions and Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
References . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Chapter 12. Genome Dynamics in Rhizobial Organisms
R. Palacios and M. Flores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
2. Reiterated Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3. Genomic Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4. Natural Gene Amplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5. Artificial Gene Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6. Dynamics of Genome Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7. Prediction of Genome Rearrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8. Identification of Genome Rearrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9. Artificial Selection of Genomic Rearrangements . . . . . . . . . . . . . . 195
10. Natural Genomic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
11. Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Chapter 13. Impact of Genomics on the Reconstruction of Evolutionary
Relationships of Nitrogen-Fixing Bacteria and Implications for Taxomony
P. Van Berkum and B. D. Eardly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
1. Systematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
2. Current Reflections for Evolution of Diazotrophy . . . . . . . . . . . . . . 203
3. Reconstruction of Evolutionary Relationships among Members
of the Kingdom Monera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4. The Rapid Spread of Antibiotic Resistance: Implications of
Reticulate Microbial Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5. Mechanisms of Horizontal Gene Transfer in Microbes . . . . . . . . . . 205
6. Significance of Horizontal Gene transfer in Nature . . . . . . . . . . . . . 206
7. Evidence for Lateral Gene Transfers and Recombination
in Microbial Genomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8. Genomic Islands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9. Microbial Evolution and Genetic Recombination . . . . . . . . . . . . . . 210
10. Established Species Concepts Applied to Bacteria . . . . . . . . . . . . 210
11. A Proposed Unified Species fro Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
12. Relevant Insights from Recent Genomic Comparisons . . . . . . . . . 212
13. Implications and Future Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Chapter 14. The Phylogeny and Evolution of Nitrogenases
J. P. W. Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
2. The Genetic Organization of Nitrogenase Genes . . . . . . . . . . . . . . . 222
3. Nitrogenase Genes from Genome Sequencing Projects. . . . . . . . . . 224
4. Organization of the Nitrogenase Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5. Evolutionary Relationships of the Nitrogenase Genes . . . . . . . . . . . 225
6. Nitrogenase Phylogeny versus Organism Phylogeny . . . . . . . . . . . . 231
7. Nitrogenase Genes in their Genomic Context . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8. Conclusions and Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Subject Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
