Ecological pre-release risk assessment of two genetically engineered, bioluminescent Rhizobium meliloti strains in soil column model systems

Schwieger, Frank; Willke, Birgit; Munch, J. C.; Tebbe, Christoph C.

doi:10.1007/s003740050323

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“…Another technique is to genetically 'tag' newly released organisms to monitor the effects of introducing genetically modified organisms into the rhizosphere (Hirsch 2005). At the cellular level, direct staining techniques and advanced microscopy can provide high-resolution data on the metabolic activity and growth of inoculants (Schwieger et al 1997).…”

Section: Methodological Issuesmentioning

confidence: 99%

Impact of agricultural inputs on soil organisms—a review

2006

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External agricultural inputs such as mineral fertilisers, organic amendments, microbial inoculants, and pesticides are applied with the ultimate goal of maximising productivity and economic returns, while side effects on soil organisms are often neglected. We have summarised the current understanding of how agricultural inputs affect the amounts, activity, and diversity of soil organisms. Mineral fertilisers have limited direct effects, but their application can enhance soil biological activity via increases in system productivity, crop residue return, and soil organic matter. Another important indirect effect especially of N fertilisation is soil acidification, with considerable negative effects on soil organisms. Organic amendments such as manure, compost, biosolids, and humic substances provide a direct source of C for soil organisms as well as an indirect C source via increased plant growth and plant residue returns. Non-target effects of microbial inoculants appear to be small and transient. Among the pesticides, few significant effects of herbicides on soil organisms have been documented, whereas negative effects of insecticides and fungicides are more common. Copper fungicides are among the most toxic and most persistent fungicides, and their application warrants strict regulation. Quality control of organic waste products such as municipal composts and biosolids is likewise mandatory to avoid accumulation of elements that are toxic to soil organisms.

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Section: Methodological Issuesmentioning

confidence: 99%

Impact of agricultural inputs on soil organisms—a review

2006

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“…To assess the relevance of an intact recA gene function for the strains' survival in soil, laboratory and greenhouse-based microcosm experiments (Hagen et al, 1997;Niemann et al, 1997a;Schwieger et al, 1997), experiments in field lysimeters (Schwieger et al 2000b) and finally, a field release experiment was performed (Selbitschka et al 2006). In particular, the field study which was conducted in field plots of the Federal Research Institute for Agriculture (FAL; now Johann Heinrich von Thünen-Institute, Federal Research Institute for Rural Areas, Forestry and Fisheries) in Northern Germany in the year 1995 had raised several questions which were addressed in the present field study.…”

Section: Fate and Ecological Interactions Of Firefly Luc Gene-tagged mentioning

confidence: 99%

Fate and Ecological Interactions of Firefly Luc Gene-Tagged Sinorhizobium Meliloti 2011-Bacteria in Soil Inhabited by High Levels of Indigenous Alfalfa Nodulating Populations

Selbitschka

Keller²,

Dresing

et al. 2008

Ecological genetics

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A field study was conducted with genetically modified sinorhizobium meliloti strains L1 (RecA-) and L33 (RecA+), both tagged with the firefly luciferase luc gene as an identification marker. The strains' fate was studied over a time period of five years. Both strains were rapidly outcompeted for alfalfa nodulation by an indigenous population. In summary, this study demonstrates the usefulness of tagging bacteria designed for environmental releases by the firefly luciferase gene and the high resilience of soil bacteria to allow the establishment of foreign bacterial populations.Key words: alfalfa, Sinorhizobium meliloti, luc gene-tagging, nodulation competitiveness, indigenous populations, field releases of genetically modified bacteria. FATE AND ECOLOGICAL INTERACTIONS OF FIREFLY LUC GENE-TAGGED sINORhIzObIUm melIlOTI 2011-BACTERIA IN SOIL INHABITED BY HIGH LEVELS OF INDIGENOUS ALFALFA NODULATING POPULATIONSA field study was conducted with genetically modified Sinorhizobium meliloti strains L1 (RecA -) and L33 (RecA + ), both tagged with the firefly luciferase luc gene as an identification marker. The strains were released as peat-based inocula at densities of approx. 10 6 cfu g -1 soil in replicate and randomised field plots at a field site in Bavaria (Germany). The strains' fate was studied over a time period of five years. During the first six weeks after inoculation, the viable count of both luc tagged strains sharply dropped for more than two orders of magnitude. Thereafter, the titer of both strains more or less steadily declined within the next five years to approx. 10 2 cfu g -1. No significant differences in the survival of strains L1 (RecA -) and L33 (RecA + ) were noted at most sampling dates demonstrating that the recA gene function was dispensable under the prevalent environmental conditions. Both strains were rapidly outcompeted for alfalfa nodulation by an indigenous population which was well-established in the field site soil. RecA -strain L1 was slightly faster outcompeted than its isogenic RecA + counterpart L33. In order to mimic normal agricultural practice, one year after the field release the non-host plant rye was grown in a total of 21 of the 49 field plots. Cultivation of rye had neither a negative nor a positive effect on the survival of strains L1 and L33 in these plots, respectively. Both strains showed the same survival capabilities, comparable to that of the field plots were the host plant alfalfa was grown. The diversity of the indigenous population was characterized by employing the Enterobacterial Repetitive Intergenic Consensus (ERIC) PCR fingerprint method. Typing of more than 340 indigenous isolates recovered from alfalfa root nodules throughout the monitoring period of five years revealed the presence of five dominant strain types accounting for approximately 67 % of the isolates of the indigenous alfalfa nodulating population. Nearly one third of the dominant isolates displayed the Rhizobium sp. Or191 fingerprint pattern. IS fingerprinting of representatives of the various s...

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Freisetzung gentechnisch veränderter Bakterien: Leuchtmarkierte Zellen von Sinorhizobium melilotiim Boden

Selbitschka

Keller

Tebbe

et al. 2003

Biologie in unserer Zeit

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N atürlich vorkommende Bodenbakterien mit der Fähigkeit zur biologischen Stickstofffixierung werden in der Landwirtschaft seit vielen Jahrzehnten als Biodünger genutzt. Ein Beispiel hierfür ist das Bakterium Sinorhizobium meliloti, das mit der wirtschaftlich bedeutenden Nutzpflanze Luzerne eine Symbiose eingeht. S. meliloti-Bakterien induzieren an den Wurzeln von Luzernepflanzen die Bildung von Wurzelknöllchen. In diesen entwickeln sich die Bakterien dann zu den stickstofffixierenden Formen, den Bakteroiden. Diese binden den Luftstickstoff und geben ihn an die Pflanze ab (Abbildung 1). Eine zusätzliche Stickstoffdüngung wird nicht mehr benötigt [18]. Die Gentechnik eröffnet nun die Möglichkeit, die symbiontische Stickstofffixierung von Bakterienstämmen gezielt zu optimieren. Damit stellt sich die Frage, welche ökologischen Effekte bei der Freisetzung von solchen gentechnisch veränderten Organismen (GVO) in der Umwelt auftreten könnten [10, 20]. Die Forschung ist aufgefordert, möglichst umfangreiche Grundlagen für die Abschätzung möglicher Risiken zu erarbeiten. Bei einer solchen Risikoabschätzung stehen unter anderem die folgenden Fragen im Vordergrund: • Welche Effekte ergeben sich aus der Freisetzung der GVO? Vermehren sich die GVO über das normale Maß hinaus? • Wie konkurrieren die freigesetzten GVO mit Bakterien der gleichen Art? Wie verbreiten sich die freigesetzten GVO im Freiland? • Wird die in einen GVO eingebrachte Fremd-DNA unter den in der Natur vorherrschenden Stressbedingungen stabil exprimiert? • Wird die Fremd-DNA von den freigesetzten GVO an endogene Bakterien über horizontalen Gentransfer weitergegeben? • Welchen Effekt hat die Freisetzung der GVO auf bodenchemische und -biologische Parameter wie zum Beispiel den Gesamtstickstoffgehalt des Bodens oder die Biomasse am Freisetzungsstandort? • Lassen sich gegebenenfalls Strategien entwickeln, mit denen freigesetzte GVO biologisch eingegrenzt werden können? Manche dieser Fragen können durch laborgestützte Analysen in Modell-Ökosystemen nur in begrenztem Rahmen experimentell bearbeitet werden oder sie entziehen sich gänzlich einer Analyse, wie das Beispiel der Frage nach der horizontalen Verbreitung der GVO zeigt. Daher ist es notwendig, experimentelle Daten über das Verhalten der GVO auch im Freiland zu erarbeiten. Freilandexperimente mit leuchtmarkierten Rhizobien Mikroorganismen, die für Freisetzungsexperimente vorgesehen sind, müssen strenge Voraussetzungen erfüllen, da sie nach ihrer Entlassung in die Umwelt nicht mehr zurückgeholt werden können. Sie dürfen weder krankheitserregend sein, noch dürfen sie negative Folgen für das Ökosystem nach sich ziehen. Daher wurden Bodenbakterien der Gattung Sinorhizobium ausgewählt, die diese Vorbedingungen erfüllen. Mittlerweile liegt die vollständige DNA-Sequenz des Genoms von S. meliloti vor, so dass eine umfangreiche Wissensgrundlage existiert [1, 2, 7, 8]. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierten Projekts auf dem Gebiet der Biologischen Sicherheitsforschung wurde...

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Ecological pre-release risk assessment of two genetically engineered, bioluminescent Rhizobium meliloti strains in soil column model systems

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Impact of agricultural inputs on soil organisms—a review

Impact of agricultural inputs on soil organisms—a review

Fate and Ecological Interactions of Firefly Luc Gene-Tagged Sinorhizobium Meliloti 2011-Bacteria in Soil Inhabited by High Levels of Indigenous Alfalfa Nodulating Populations

Freisetzung gentechnisch veränderter Bakterien: Leuchtmarkierte Zellen von Sinorhizobium melilotiim Boden

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