Nif gene and nitrogen fixation

Nif genes (निफ जीन):-

1. Introduction (परिचय):- 

> Nif means (निफ का अर्थ):-

    Ni = Nitrogen (नाइट्रोजन)

    f = fixation (स्थिरीकरण)

> These are genes encoding enzymes involved in the fixation of atmospheric nitrogen.

(ये वायुमंडलीय नाइट्रोजन के स्थिरीकरण में शामिल होने वाले एंजाइमों को अनुवादित करने वाले जीन हैं।)

> Nif genes also encode a number of regulatory proteins involved in nitrogen fixation.

(निफ जीन नाइट्रोजन स्थिरीकरण में शामिल होने वाली कई नियामक प्रोटीनों को भी अनुवादित करते हैं।)

> The nif genes are found in both free-living and symbiotic nitrogen-fixing bacteria.

(निफ जीन स्वतन्त्र-जीवी और सहजीवी नाइट्रोजन-स्थिरीकारी जीवाणु दोनों में पाए जाते हैं।)

> The primary enzyme encoded by the nif genes is the nitrogenase.

(निफ जीन द्वारा अनुवादित किया गया प्राथमिक एंजाइम नाइट्रोजिनेज है।)

2. Regulation of Nif genes (निफ जीनों का नियमन):- In most bacteria, regulation is done by NifA protein.

(अधिकांश जीवाणुओं में NifA प्रोटीन द्वारा नियमन किया जाता है।)

i. When there is not enough fixed nitrogen, NtrC triggers NifA expression, and NifA activates the nif genes.

(जब पर्याप्त स्थिरीकृत नाइट्रोजन नहीं होती है, तो NtrC, NifA की अभिव्यक्ति को प्रेरित करता है, और NifA, निफ जीनों को सक्रिय कर देता है।)

ii. When there is not enough fixed nitrogen, NifL inhibit NifA expression, and nif genes remain inactive.

(जब पर्याप्त स्थिरीकृत नाइट्रोजन नहीं होती है, तो NifL, NifA की अभिव्यक्ति को रोक देता है, और निफ जीन निष्क्रिय रहते हैं।)

Reversible ADP-ribosylation (उत्क्रमणीय ADP राइबोसाइलेशन):- It is an additional regulation mechanism found in Rhodospirillum rubrum. Reversible ADP-ribosylation of a specific arginine residue in the nitrogenase complex. When reduced nitrogen is present, DraG and DraT catalyze the ribosylation of arginine residue in the nitrogenase. It causes a barrier in the electron transfer flow and thereby inactivates nitrogenase activity.

(यह Rhodospirillum rubrum में पायी जाने वाली एक अतिरिक्त नियमन विधि है। इसमें नाइट्रोजिनेज जटिल में एक विशिष्ट आर्जिनिन अवशेष का उत्क्रमणीय ADP-राइबोसाइलेशन होता है। जब अपचयित नाइट्रोजन उपस्थित होती है, तो DraG व DraT नाइट्रोजिनेज जटिल में आर्जिनिन अवशेषों के राइबोसाइलेशन को उत्प्रेरित करते हैं। यह इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रवाह में बाधा उत्पन्न करता है और इस प्रकार नाइट्रोजिनेज क्रिया को निष्क्रिय कर देता है।)

3. Expression of Nif genes (निफ जीनों की अभिव्यक्ति):-

> There are total 20 nif genes. 

(कुल 20 निफ जीन होते हैं।)

> nifH, nifD, and nifK:- They encode the nitrogenase subunits.

(ये नाइट्रोजिनेज उपइकाइयों को अनुवादित करते हैं।)

> nifE, nifN, nifU, nifS, nifV, nifW, nifX, nifB, and nifQ:- They encode proteins involved the assembly and incorporation of Fe and Mo atoms into the nitrogenase subunits. 

(ये प्रोटीन को अनुवादित करते हैं जो Fe और Mo परमाणुओं को नाइट्रोजिनेज उपइकाइयों में समावेशित करके जोड़ते हैं।)

> nifF and nifJ:- They encode proteins related to electron transfer taking place in the reduction process.

(ये अपचयन प्रक्रिया में होने वाले इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण से संबंधित प्रोटीन को अनुवादित करते हैं।)

> nifA and nifL:- They are regulatory proteins in charge of regulating the expression of the other nif genes.

(ये नियामक प्रोटीन हैं जो अन्य निफ जीनों की अभिव्यक्ति को विनियमित करने के लिए उत्तरदायी होती हैं।)

Nitrogen fixation (नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- It is a chemical process by which molecular nitrogen found in the air is converted into ammonia or related nitrogenous compounds.

(यह एक रासायनिक प्रक्रिया है जिसके द्वारा वायु में पायी जाने वाले आणविक नाइट्रोजन को अमोनिया या संबंधित नाइट्रोजनी यौगिकों में परिवर्तित किया जाता है।)

1. Types of nitrogen fixation (नाइट्रोजन स्थिरीकरण के प्रकार):- 

a. Physical Nitrogen Fixation (भौतिक नाइट्रोजन स्थिरीकरण)

b. Biological Nitrogen Fixation (जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण)

a. Physical Nitrogen Fixation (भौतिक नाइट्रोजन स्थिरीकरण ):-

i. Natural Nitrogen Fixation (प्राकृतिक नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- Under the influence of lightning and thunder, N2 and O2 of the air react to form nitric oxide (NO). The nitric oxides are again oxidized with oxygen to form nitrogen peroxide (NO2).

[बिजली और गड़गड़ाहट के प्रभाव में, वायु के N2 और O2 नाइट्रिक ऑक्साइड (NO) बनाने के लिए अभिक्रिया करते हैं। नाइट्रोजन परोक्साइड (NO2) बनाने के लिए नाइट्रिक ऑक्साइड  (NO) को फिर से ऑक्सीजन के द्वारा ऑक्सीकरण किया जाता है।]

ii. Industrial Nitrogen Fixation (औधौगिक नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- Ammonia is produced industrially by direct combination of nitrogen with hydrogen (obtained from water) at high temperature and pressure. Later, it is converted into various kinds of fertilizers, such as urea etc.

[उच्च तापमान और दाब पर जल से प्राप्त हाइड्रोजन के साथ नाइट्रोजन की सीधे अभिक्रिया द्वारा अमोनिया का उत्पादन औद्योगिक रूप से किया जाता है। बाद में इसे विभिन्न प्रकार के उर्वरकों जैसे यूरिया आदि में परिवर्तित किया जाता है।]

b. Biological Nitrogen Fixation (जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण):- The conversion of atmospheric nitrogen into the nitrogenous compounds by living organisms is called biological nitrogen fixation. Only prokaryotes can fix nitrogen. Nitrogen fixation require anaerobic conditions because oxygen inactivates nitrogenase enzyme. 

(सजीवों द्वारा वायुमण्डलीय नाइट्रोजन का नाइट्रोजनी यौगिकों में परिवर्तन जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण कहलाता है। केवल प्रोकैरियोट्स ही नाइट्रोजन का स्थिरीकरण कर सकते हैं। नाइट्रोजन स्थिरीकरण के लिए अवायवीय परिस्थितियों की आवश्यकता होती है क्योंकि ऑक्सीजन नाइट्रोजिनेज एंजाइम को निष्क्रिय कर देती है।)

Hence for obligate anaerobes nitrogen fixation is easy, but in case of facultative anaerobes the nitrogen fixation occurs only in anaerobic conditions. In case of obligate aerobes the oxygen level inside the cell must be kept low for nitrogen fixation.

(अत: अविकल्पी अवायवीय प्रोकेरियोट्स के लिए नाइट्रोजन स्थिरीकरण आसान है, परन्तु विकल्पी अवायवीय प्रोकेरियोट्स के मामले में नाइट्रोजन स्थिरीकरण केवल अवायवीय परिस्थितियों में ही होता है। अविकल्पी वायवीय प्रोकेरियोट्स के मामले में नाइट्रोजन स्थिरीकरण के लिए कोशिका के अंदर ऑक्सीजन की सांद्रता कम रखी जाती है।)

2. Nitrogen Fixers or Diazotrophs (नाइट्रोजन स्थिरीकरण या डाइएजोट्रोफ्स):- Among the earth’s organisms, only some prokaryotes like bacteria and cyanobacteria can fix atmosphere nitrogen. They are called nitrogen fixers or diazotrophs. They fix about 95% of the total global nitrogen fixed annually by natural process.

(पृथ्वी के जीवों में, केवल कुछ प्रोकैरियोट्स जैसे जीवाणु और नील हरित शैवाल ही वायुमंडलीय नाइट्रोजन का स्थिरीकरण कर सकते हैं। इन्हें नाइट्रोजन स्थिरीकारक या डाइएजोट्रोफ्स कहा जाता है। ये प्राकृतिक प्रक्रिया द्वारा प्रतिवर्ष स्थिरीकृत कुल वैश्विक नाइट्रोजन का लगभग 95% स्थिरीकरण करते हैं।)

a. Asymbionts or Free living (असहजीवी या स्वतन्त्रजीवी)

b. Symbionts (सहजीवी)

a. Asymbionts or Free living (असहजीवी या स्वतन्त्रजीवी):-

i. Bacteria (जीवाणु):- They add up to 10-25 kg, of nitrogen/ha/annum.

(ये 10-25 किग्रा तक नाइट्रोजन / हेक्टेयर / वर्ष स्थिरीकृत करते हैं।)

> Azotobacter (Aerobic, Saprophytic) (वायवीय, मृतोपजीवी)

> Beijerinckia (Aerobic, Saprophytic) (वायवीय, मृतोपजीवी)

> Clostridium (Anaerobic, Saprophytic) (अवायवीय, मृतोपजीवी)

> Desulphovibrio (Chemotrophic) (रसायनसंश्लेषी)

> Rhodopseudomonas (Photoautotrophic) (प्रकाशसंश्लेषी)

> Rhodospirillum (Photoautotrophic) (प्रकाशसंश्लेषी)

> Chromatium (Photoautotrophic) (प्रकाशसंश्लेषी)

ii. Blue Green Algae or Cyanobacteria (नील हरित शैवाल या सायनोबैक्टीरिया):- Heterocysts are the special cells that fix nitrogen. They add 20-30 kg Nitrogen/ha/annum.

(हिटेरोसिस्ट विशेष कोशिकाएं होती हैं जो नाइट्रोजन का स्थिरीकरण करती हैं। ये 20-30 किग्रा नाइट्रोजन / हेक्टेयर / वर्ष स्थिरीकरण करते हैं।)

> Nostoc

> Anabaena

> Aulosira:- A. fertilissima is the most active nitrogen fixer in Rice fields.

(A. fertilissima धान के खेतों में सबसे सक्रिय नाइट्रोजन स्थिरीकारक है।)

> Cylindrospermum:- It is active in sugarcane and maize fields.

(यह गन्ना और मक्का के खेतों में सक्रिय होता है।)

> Trichodesmium

b. Symbionts (सहजीवी):- Live in close symbiotic association with other plants.

(ये अन्य पौधों के साथ घनिष्ठ सहजीवी संबंध में रहते हैं।)

i. Bacteria (जीवाणु):- 

> Rhizobium:- It is aerobic, gram negative nitrogen fixing bacterial symbionts of legume roots. Sesbania rostrata has Rhizobium in root nodules and Aerorhizobium in stem nodules. 

(यह वायवीय, ग्राम ऋणात्मक नाइट्रोजन स्थिरीकारी जीवाणु है जो लेग्यूम जड़ों का सहजीवी होता है। Sesbania rostrata की जड़ों की गाँठों में Rhizobium और तने की गाँठों में Aerorhizobium होता है।)

> Frankia:- It is symbiont in root nodules of many non-leguminous plants like Casuarina and Alnus.

(यह Casuarina और Alnus जैसे कई नॉन-लेग्यूम पौधों की गाँठों का सहजीवी है।)

> Xanthomonas and Mycobacterium:- They occur as symbiont in the leaves of some members of the families Rubiaceae and Myrsinaceae (e.g., Ardisia). 

[ये Rubiaceae and Myrsinaceae (उदा.- Ardisia) कुल के कुछ सदस्यों की पत्तियों में सहजीवी के रूप में पाए जाते हैं।]

ii. Blue Green Algae or Cyanobacteria (नील हरित शैवाल या सायनोबैक्टीरिया):-

> Nostoc and Anabaena:- They are common symbionts in lichens, Anthoceros, Azolla and Cycas roots. 

(ये लाइकेन, Anthoceros, Azolla and Cycas जड़ों के सामान्य सहजीवी हैं।)

> Anabaena azollae:- It is found in fronds of Azolla pinnata (a water fern). It is often inoculated to Rice fields for nitrogen fixation.

[यह Azolla pinnata (एक जल फर्न) की पत्तियों में पाया जाता है। नाइट्रोजन स्थिरीकरण के लिए इसे अक्सर धान के खेतों में डाला जाता है।]

3. Rhizobium Nitrogen Fixation (राइजोबियम नाइट्रोजन स्थिरीकरण ):-

> Rhizobium bacteria (राइजोबियम जीवाणु):-

i. Free living (स्वतन्त्रजीवी)

ii. Gram negative (ग्राम ऋणात्मक)

iii. Aerobic (वायवीय)

iv. Soil bacteria (मृदा जीवाणु)

> Rhizobium becomes anaerobic upon entry into roots. 

(जड़ों में प्रवेश करने पर राइजोबियम अवायवीय बन जाता है।)

> Leghaemoglobin or legHb or symbiotic Hb (लैगहीमोग्लोबिन या लैगHb या सहजीवी Hb):- 

- It is a pink coloured pigment.

(यह गुलाबी रंग का वर्णक है।)

- It occurs in the root nodules of leguminous plants. 

(यह लेग्यूम पौधों की जड़ों की गांठों मेंपाया जाता है।)

- It acts as an oxygen scavenger. It provides anaerobic conditions for the nitrogenase enzyme and protects the enzyme from inactivation.

(यह ऑक्सीजन सफाईकर्ता के रूप में कार्य करता है। यह नाइट्रोजिनेज एंजाइम के लिए अवायवीय परिस्थिति प्रदान करता है और एंजाइम को निष्क्रिय होने से बचाता है।)

> Two main steps (2 मुख्य चरण ):-

a. Nodule formation (गाँठ निर्माण)

b. Nitrogen fixation (नाइट्रोजन स्थिरीकरण)

a. Nodule formation (गाँठ निर्माण):- Root nodule formation is initiated, when the soil contains a low level of nitrogen. Steps of nodulation are:

(जब मृदा में नाइट्रोजन की सांद्रता कम होती है, तो जड़ों में गाँठों का निर्माण शुरू हो जाता है। गाँठ निर्माण के चरण हैं:)

i. Aggregation (एकत्रीकरण):- Roots of legumes secrete flavonoids, which attracts rhizobia towards the root. Rhizobia aggregate around root hairs.

(लेग्यूम पौधों की जड़ें फ्लेवोनॉइड्स का स्राव करती हैं, जो राइजोबिया को जड़ों की ओर आकर्षित करते हैं। मूल रोमों के चारों ओर राइजोबिया एकत्रित हो जाते हैं।)

ii. Developmental changes (विकासात्मक परिवर्तन):- Rhizobia secrete nod factors, which causes stimulate many developmental changes:

(राइजोबिया नोड कारकों को स्रावित करते हैं, जो कई विकासात्मक परिवर्तनों को प्रेरित करता है:)

- Membrane depolarization

(झिल्ली विध्रुविकरण)

- Curling of root hairs 

(मूल रोमों का मुड़ना)

- Cell division in the root cortex 

(मूल के वल्कुट में कोशिका विभाजन)

- Intracellular calcium movement

(अंतरकोशिकीय कैल्सियम गति)

iii. Infection thread (संक्रमण तन्तु):- The nod factor attaches to receptors present on the plasma membrane of the root hairs, which leads to the formation of the infection thread. 

(नोड कारक मूल रोम के प्लाज्मा झिल्ली पर उपस्थित ग्राही से जुड़ा होता है, जो संक्रमण तन्तु के निर्माण को प्रेरित करता है।)

iv. Entry (प्रवेश):- Infection thread provides the passage to bacteria to enter epidermal cells. Rhizobia then enter cortex cells, each bacterium gets surrounded by a plant-derived membrane known as symbiosome.

(संक्रमण तन्तु जीवाणुओं को अधिचर्म कोशिकाओं में प्रवेश करने के लिए मार्ग प्रदान करता है। राइजोबिया फिर वल्कुट कोशिकाओं में प्रवेश करते हैं, प्रत्येक जीवाणु पौधे से व्युत्पन्न एक झिल्ली से घिरा होता है जिसे सिम्बायोसोम के नाम से जाना जाता है।)

v. Nodulation (गाँठ निर्माण):- Nodule formation is initiated by chemicals produced by rhizobia. It is a result of calcium dependent signal transduction pathway, which triggers biochemical changes leading to cell division and nodule formation. Cytokinin also plays an important role in nodules formation.

(राइजोबिया द्वारा उत्पादित रसायनों द्वारा गाँठ निर्माण शुरू किया जाता है। यह कैल्शियम आधारित संकेत संचरण परिपथ का परिणाम है, जो कोशिका विभाजन और गाँठ निर्माण के लिए जैव रासायनिक परिवर्तनों को प्रेरित करता है। गाँठ निर्माण में साइटोकाइनिन भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।)

vi. Bacteroids (बैक्टीरिओइड्स):- Within nodules, bacteria get differentiated into bacteroids, which fix nitrogen. The Rhizobia stop dividing, loose cell wall and become nitrogen fixing cells as bacteroids . Vascular tissues are developed for nodules for exchange of nutrients.

(गाँठ के भीतर, जीवाणु बैक्टीरिओइड्स में विभेदित हो जाते हैं, जो नाइट्रोजन स्थिरीकरण करते हैं। राइजोबिया विभाजित होना बंद कर देता है, कोशिका भित्ति ढीली हो जाती है और नाइट्रोजन स्थिरीकारी कोशिकाएं बन जाती हैं। पोषक तत्वों के आदान-प्रदान के लिए नोड्यूल के लिए संवहन ऊतक विकसित हो जाते हैं।)

b. Nitrogen fixation (नाइट्रोजन स्थिरीकरण):-

- The nodule serves as site for N2 fixation. 

(गाँठ N2 स्थिरीकरण के लिए स्थल के रूप में कार्य करती है।)

- Nodule contains nitrogenase and leghaemoglobin. 

(गाँठ में नाइट्रोजिनेज और लैगहीमोग्लोबिन होते हैं।)

- The nitrogenase has 2 components:

(नाइट्रोजिनेज के 2 घटक होते हैं:)

i. Molybdoferredoxin (Mo-Fe protein)

[मोलिब्डोफेरेडोक्सिन या Mo - Fe प्रोटीन]

ii. Azoferredoxin (Fe-protein)

[एजोफेरेडोक्सिन या Fe - प्रोटीन]

- The free di-nitrogen first bound to MoFe protein and is not released until completely reduced to ammonia. 

(स्वतन्त्र डाई-नाइट्रोजन पहले MoFe प्रोटीन से बंध जाती है और अमोनिया में पूर्ण रूप से अपचयित होने तक मुक्त नहीं होती है।)

- In this process ferredoxin serves as an electron donor to Fe-protein (nitrogenase reductase) which in turn hydrolyzes ATP and reduce Mo-Fe protein, the Mo-Fe protein in Turn reduce the substrate N2. The electrons and ATP are provided by photosynthesis and respiration of the host cells.

(इस प्रक्रिया में फेरेडॉक्सिन Fe-प्रोटीन (नाइट्रोजिनेज रिडक्टेज) के लिए एक इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में कार्य करता है जो ATP को जल अपघटित करता है और Mo-Fe प्रोटीन को अपचयित करता है, बदले में Mo-Fe प्रोटीन अभिकारक N2 को अपचयित करता है। इलेक्ट्रॉन और ATP मेजबान कोशिकाओं के प्रकाश संश्लेषण और श्वसन द्वारा प्रदान किए जाते हैं।)

- Many intermediates are formed to form ammonia (NH3).

[अमोनिया (NH3) बनाने के लिए कई मध्यवर्ती बनते हैं।]

Dinitrogen → Hydrazine → Diamine → Ammonia

डाइनाइट्रोजन → हाइड्रेजीन → डाइएमीन → अमोनिया

- Ammonia (NH3) is immediately protonated at physiological pH to form ammonium ion (NH4+). As NH4+ is toxic to plants, it is rapidly used near the site of generation to synthesize amino acids.

[अमोनिया (NH3) तुरंत अमोनियम आयन (NH4+) बनाने के लिए कार्यिकीय pH पर प्रोटोन से जुड़ता है। जैसा कि NH4+ पौधों के लिए विषैला होता है, इसका निर्माण स्थल के पास तेजी से अमीनो अम्ल को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया जाता है।]