Wel-comeMr. Sandesh Pawar

Dept. of Plant PathologyDr. PDKV., Akola

Rhizobium is  a genus of Gram negative soil bacteria that fix nitrogen.Rhizobium  forms  an endosymbiotic nitrogen fixing association  with  roots  of legumes and Parasponia.

The  bacteria  colonize  plant  cells  within root nodules where  they  convert  atmospheric  nitrogen  into ammonia and  then  provide  organic  nitrogenous compounds such as glutamine or ureides to the plant.

The  plant  in  turn  provides  the  bacteria  with organic compounds made by photosynthesis.

This  mutually  beneficial  relationship  is  true  of  all  of the rhizobia, of which the Rhizobium genus is a typical example.

Scientific classification

Kingdom: Bacteria

Phylum: Proteobacteria

Class: Alphaproteobacteria

Order: Rhizobiales

Family: Rhizobiaceae

Genus: RhizobiumFrank 1889

Beijerinck in the Netherlands was the first to isolate and cultivate a microorganism from the nodules of legumes in 1888. He named itBacillus radicicola, which is now placed  in Bergey's Manual of Determinative Bacteriology under  the  genus Rhizobium.

Culture of Rhizobium on agar plate

The current taxonomy of rhizobiaRhizobia  are  nitrogen-fixing  bacteria  that  form  root  nodules  on  legume plants.

Most of these bacterial species are  in the Rhizobiacae family  in the alpha-proteobacteria  and  are  in  either  the Rhizobium, Mesorhizobium, Ensifer, or Bradyrhizobium genera.

However  recent  research  has  shown  that  there  are many  other  rhizobial species in addition to these.

In some cases these new species have arisen through lateral gene transfer of  symbiotic  genes.  The  list  below  is  not  'official'  by  any means,  and  it  is merely my compilation and interpretation of the literature.

An alternative list is  maintained  by  the  "ICSP Subcommittee on the taxonomy of Rhizobium and Agrobacterium".

RhizobiumClass: AlphaproteobacteriaOrder: RhizobialesFamily: Rhizobiaceae

Rhizobium alamii Rhizobium freirei

Rhizobium alkalisoli Rhizobium galegae

Rhizobium azibense Rhizobium gallicum

Rhizobium calliandrae Rhizobium giardinii

Rhizobium cauense Rhizobium grahamii

Rhizobium cellulosilyticum Rhizobium hainanense

Rhizobium daejeonense Rhizobium halophytocola

Rhizobium endophyticum Rhizobium herbae

Rhizobium etli Rhizobium huautlense

Rhizobium fabae Rhizobium indigoferae

The  genus Rhizobium (Frank  1889)  was  the  first  named  (from Latin meaning 'root living'), and for many years this was a 'catch all' genus for all rhizobia. Some species were later moved in to new  genera  based  on  phylogenetic  analyses.  It  currently consists of 49 rhizobial species (and 11 non rhizobial species). 

Rhizobium jaguaris Rhizobium phaseoliRhizobium laguerreae Rhizobium pisiRhizobium leguminosarum Rhizobium tibeticumRhizobium leucaenae Rhizobium sophoraeRhizobium loessense Rhizobium sophoriradicisRhizobium lusitanum Rhizobium sphaerophysaeRhizobium mayense Rhizobium sullaeRhizobium mesoamericanum Rhizobium taibaishanenseRhizobium mesosinicum Rhizobium tropiciRhizobium miluonense Rhizobium tubonenseRhizobium mongolense Rhizobium undicolaRhizobium multihospitium Rhizobium vallisRhizobium oryzae Rhizobium vignaeRhizobium paranaense Rhizobium yanglingenseRhizobium petrolearium

MesorhizobiumClass: AlphaproteobacteriaOrder: RhizobialesFamily: Phyllobacteriaceae

The genus Mesorhizobium was described by Jarvis et al. in  1997.  Several Rhizobium species  were  transferred  to this  genus.  It  currently  consists  of  21  rhizobia  species (and 1 non-rhizobial species).

Mesorhizobium abyssinicae Mesorhizobium chacoenseMesorhizobium albiziae Mesorhizobium ciceriMesorhizobium alhagi Mesorhizobium erdmaniiMesorhizobium amorphae Mesorhizobium gobienseMesorhizobium australicum Mesorhizobium hawassenseMesorhizobium camelthorni Mesorhizobium huakuiiMesorhizobium caraganae Mesorhizobium jarvisii

Mesorhizobium loti Mesorhizobium shangrilenseMesorhizobium mediterraneum Mesorhizobium shonenseMesorhizobium metallidurans Mesorhizobium silamurunenseMesorhizobium muleiense Mesorhizobium septentrionaleMesorhizobium opportunistum Mesorhizobium tamadayenseMesorhizobium plurifarium Mesorhizobium tarimenseMesorhizobium qingshengii Mesorhizobium temperatumMesorhizobium robiniae Mesorhizobium tianshanenseMesorhizobium sangaii

Ensifer (formerly Sinorhizobium)class: Alphaproteobacteriaorder: Rhizobialesfamily: Rhizobiaceae

The Sinorhizobium genus  was  described  by  Chen et al.  in  1988. However  some  recent  studies  show  that Sinorhizobium and  the genus Ensifer (Casida,  1982)  belong  to  a  single  taxon. Ensiferis  the earlier  heterotypic  synonym  (it  was  named  first)  and  thus  takes priority  (Young, 2003).  This  means  that  all Sinorhizobium spp. must be  renamed  as Ensifer spp.  according  to  the  Bacteriological  code. There  has  been  some  discussion  in  the  literature if Ensifer or Sinorhizobium is  correct Young (2010),  this  website follows  the opinion of the Judicial Commission,  and  will  use Ensifer. The genus currently consists of 17 species.

Ensifer abri Ensifer melilotiSinorhizobium americanum Ensifer mexicanusEnsifer arboris 'Sinorhizobium morelense'Ensifer fredii Ensifer adhaerensEnsifer garamanticus Ensifer numidicusEnsifer indiaense Ensifer saheliEnsifer kostiensis Ensifer sojaeEnsifer kummerowiae Ensifer terangaeEnsifer medicae

Bradyrhizobiumclass: Alphaproteobacteriaorder: Rhizobialesfamily: Bradyrhizobiaceae

The Bradyrhizobium genus  was  described  by  Jordan in  1982.  It  currently  consists  of  9  rhizobia  species (and 1 non rhizobial species).

Bradyrhizobium canariense Bradyrhizobium japonicum

Bradyrhizobium cytisi Bradyrhizobium jicamae

Bradyrhizobium denitrificans Bradyrhizobium liaoningense

Bradyrhizobium elkanii Bradyrhizobium pachyrhizi

Bradyrhizobium iriomotense Bradyrhizobium yuanmingense

Burkholderiaclass: Betaproteobacteriaorder: Burkholderialesfamily: Burkholderiaceae

The Burkholderia genus  currently  contains seven named rhizobial members and others as Burkholderia sp.

Burkholderia caribensisBurkholderia cepaciaBurkholderia mimosarumBurkholderia nodosaBurkholderia phymatumBurkholderia sabiaeBurkholderia tuberum

Phyllobacteriumclass: Alphaproteobacteria

order: Rhizobiales family: Phyllobacteriaceae

The Phyllobacterium genus  currently  contains three rhizobial species.

Phyllobacterium trifoliiPhyllobacterium ifriqiyensePhyllobacterium leguminum

Microvirgaclass: Alphaproteobacteria

order: Rhizobialesfamily: Methylobacteriaceae

The Azorhizobium genus was described by Dreyfus et al. in 1988. It currently consists of 2 species.

Azorhizobium caulinodansAzorhizobium doebereinerae

Ochrobactrumclass: Alphaproteobacteria

order: Rhizobialesfamily: Brucellaceae

The Ochrobactrum genus currently contains two rhizobial species. 

Ochrobactrum cytisiOchrobactrum lupini

Methylobacteriumclass: Alphaproteobacteria

order: Rhizobialesfamily: Methylobacteriaceae

Methylobacterium nodulans

Cupriavidusclass: Betaproteobacteria

order: Burkholderialesfamily: Burkholderiaceae

Cupriavidus taiwanensis

Devosiaclass: Alphaproteobacteria

order: Rhizobialesfamily: Hyphomicrobiaceae

Devosia neptuniae

Shinellaclass: Alphaproteobacteria

order: Rhizobialesfamily: Rhizobiacea

Shinella kummerowiae

Root NoduleRoot nodules occur on the roots of plants (primarily Fabaceae) that associate with symbiotic nitrogen-fixing bacteria.

Undernitrogen-limiting conditions,  capable plants  form a  symbiotic relationship with a host-specific strain of bacteria known as rhizobia.

This process has evolved multiple times within the Fabaceae, as well as in other species found within the Rosidclade.

The Fabaceae include legume crops such as beans and peas.

Within  legume  nodules,  nitrogen  gas  from  the  atmosphere  is converted into ammonia, which is then assimilated into amino acids (the building blocks of proteins), nucleotides (the building blocks of DNA and RNA as  well  as  the  important  energy  molecule ATP),  and other cellular constituents such as vitamins, flavones, and hormones.

Cross  section  though a  soybean  (Glycine max'Essex')  root nodule. The bacterium, Bradyrhizobium japonicum,  colonizes  the  roots  and establishes  a  nitrogen  fixing  symbiosis.  This  high magnification  image shows part of a cell with single bacteroids within their symbiosomes. In this image, endoplasmic reticulum, dictysome and cell wall can be seen.

Their  ability  to fix gaseous  nitrogen  makes  legumes  an  ideal agricultural  organism  as  their  requirement  for  nitrogen fertilizer is reduced.

Indeed  high  nitrogen  content  blocks  nodule  development  as there is no benefit for the plant of forming the symbiosis. The energy for splitting the nitrogen gas in the nodule comes from sugar  that  is  translocated  from  the  leaf  (a  product  of photosynthesis).

Malate as a breakdown product of sucrose is the direct carbon source for the bacteroid. Nitrogen fixation in the nodule is very oxygen sensitive.

Legume  nodules  harbor  an  iron  containing  protein  called leghaemoglobin,  closely  related  to  animal myoglobin,  to facilitate the conversion of nitrogen gas to ammonia.

Root nodule symbiosisLegume family

Plants  that contribute  to nitrogen fixation  include  the legume family – Fabaceae – with taxa such as kudzu, clovers, soybeans, alfalfa, lupines, peanuts, and rooibos.

They  containsymbiotic bacteria  called rhizobia within  the  nodules,  producing nitrogen compounds that help the plant to grow and compete with other plants.

When  the  plant  dies,  the  fixed  nitrogen  is  released, making  it  available  to  other plants and this helps to fertilize the soil.

The  great  majority  of  legumes  have  this  association,  but  a  few  genera  (e.g.,Styphnolobium) do not.

In  many  traditional  and  organic  farming  practices,  fields  are  rotated  through various types of crops, which usually includes one consisting mainly or entirely of clover or buckwheat  (non-legume  family Polygonaceae), which are often  referred to as "green manure".Inga alley farming relies  on  the  leguminous genus Inga,  a  small  tropical,  tough-leaved, nitrogen-fixing tree.[4]

Non-leguminous

Although  by  far  the  majority  of  plants  able  to  form nitrogen-fixing  root  nodules  are  in  the  legume  family Fabaceae, there are a few exceptions:

•Parasponia,  a  tropical  genus  in  the Cannabaceae also able  to  interact  with  rhizobia  and  form  nitrogen-fixing nodules

•Actinorhizal plants such  as alder and bayberry can  also form  nitrogen-fixing  nodules,  thanks  to  a  symbiotic association with Frankiabacteria. These plants belong  to 25 genera[6] distributed among 8 plant families.

The ability to fix nitrogen  is  far  from universally present in  these  families.  For  instance,  of  122  genera  in  the Rosaceae,  only  4 genera are  capable  of  fixing  nitrogen. All  these  families  belong  to  the orders Cucurbitales, Fagales,  and Rosales,  which  together  with  the Fabalesform a clade of eurosids.

A sectioned alder treeroot nodule.

Types of NodulesTwo  main  types  of  nodule  have  been  described:  determinate  and indeterminate.

Determinate nodules are found on certain tribes of tropical legume such as those of the genera Glycine (soybean), Phaseolus (common bean), and Vigna. and on some temperate legumes such as Lotus.

These determinate nodules lose meristematic activity shortly after initiation, thus growth  is due to cell expansion resulting  in mature nodules which are spherical in shape.

Another  types  of  determinate  nodule  is  found  in  a  wide  range  of  herbs, shrubs and trees, such as Arachis (peanut).

These are always associated with the axils of lateral or adventitious roots and are formed following infection via cracks where these roots emerge and not using root hairs. Their  internal structure is quite different from those of the soybean type of nodule.

Indeterminate nodules are found in the majority of legumes from all  three  sub-families,  whether  in  temperate  regions  or  in  the tropics.

They  can  be  seen  in  papilioinoid  legumes  such  as Pisum (pea), Medicago (alfalfa), Trifolium (clover),  and Vicia (vetch)  and  all mimosoid legumes such as acacias (mimosas), the few nodulated caesalpinioid  legumes  such  as  partridge  pea  they  earned  the name  "indeterminate"  because  they  maintain  an  active  apical meristem that produces new cells  for growth over the  life of  the nodule. 

This  results  in  the  nodule  having  a  generally  cylindrical  shape, which may be extensively branched.

Because  they  are  actively  growing,  indeterminate  nodules manifest  zones  which  demarcate  different  stages  of development/symbiosis.

Indeterminate nodules growing on the roots of Medicago italica

Diagram illustrating the different zones of an indeterminate root nodule 

Zone I—the active meristem. This is where new nodule tissue is formed which will later differentiate into the other zones of the nodule.

Zone  II—the infection zone.  This  zone  is  permeated  with  infection threads  full  of  bacteria.  The  plant  cells  are  larger  than  in  the previous zone and cell division is halted.

Interzone  II–III—Here the bacteria have entered the plant cells, which contain amyloplasts.  They  elongate  and  begin  terminally differentiating into symbiotic, nitrogen-fixing bacteroids.

Zone  III—the nitrogen fixation zone.  Each  cell  in  this  zone  contains  a large,  central vacuole and  the  cytoplasm  is  filled  with  fully differentiated  bacteroids  which  are  actively fixing nitrogen.  The plant provides these cells with leghemoglobin, resulting in a distinct pink color.

Zone  IV—the senescent zone.  Here  plant  cells  and  their bacteroid contents are being degraded.

The  breakdown  of  the  heme  component  of  leghemoglobin results in a visible greening at the base of the nodule.

This is the most widely studied type of nodule, but the details are quite different in nodules of peanut and relatives and some other  important  crops  such  as  lupins  where  the  nodule  is formed  following  direct  infection  of  rhizobia  through  the epidermis and where infection threads are never formed.

Nodules grow around the root, forming a collar-like structure. In  these  nodules  and  in  the  peanut  type  the  central  infected tissue is uniform, lacking the uninfected ells seen in nodules of soybean  and  many  indeterminate  types  such  as  peas  and clovers.

NodulationLegumes  release  compounds  called flavonoids from  their  roots, which trigger the production of nod factors by the bacteria.

When  the nod  factor  is  sensed by  the  root,  a number of biochemical and morphological changes happen: cell division is triggered in the root to  create  the  nodule,  and  the root hair growth  is  redirected  to  wind around the bacteria multiple times until it fully encapsulates 1 or more bacteria.

The  bacteria  encapsulated  divide  multiple  times,  forming  a microcolony. From this microcolony, the bacteria enter the developing nodule  through  a  structure  called  an  infection  thread,  which  grows through  the  root  hair  into  the  basal  part  of  the epidermis cell,  and onwards  into  the root cortex;  they  are  then  surrounded  by  a  plant-derived membrane and differentiate into bacteroids that fix nitrogen.

Nodulation is controlled by a variety of processes, both external (heat, acidic soils, drought, nitrate) and internal (autoregulation of nodulation, ethylene).

Autoregulation of nodulation  controls nodule numbers per  plant  through a systemic  process  involving  the  leaf.  Leaf  tissue  senses  the  early  nodulation events in the root through an unknown chemical signal, then restricts further nodule development in newly developing root tissue.

The  Leucine  rich  repeat  (LRR)  receptor  kinases  (NARK  in  soybean  (Glycine max);  HAR1  in Lotus japonicus,  SUNN  in Medicago truncatula)  are  essential for autoregulation of nodulation (AON). Mutation leading to loss of function in these AON receptor kinases leads to supernodulation or hypernodulation.

Often root growth abnormalities accompany the loss of AON receptor kinase activity,  suggesting  that  nodule  growth  and  root  development  are functionally  linked.  Investigations  into  the mechanisms of nodule  formation showed that theENOD40 gene, coding for a 12–13 amino acid protein [41], is up-regulated during nodule formation [3].

Thank You