Растения клубеньковые: Клубеньковые бактерии — симбиоз, свойства

alexxlab
alexxlab
07.07.2021

Содержание

Клубеньковые бактерии — симбиоз, свойства

Клубеньковые бактерии относятся к роду Rhizobium. Они обладают свойством фиксировать азот из атмосферного воздуха и синтезировать органические азотсодержащие соединения. Эти микроорганизмы образуют на корнях некоторых бобовых растений клубеньки, вступая в симбиоз. Данные бактерии переводят азот в соединения, легко доступные для усвоения растениями, а цветковые растения, в свою очередь, являются источниками питательных веществ для клубеньковых бактерий. Также данный вид бактерий является важным звеном в процессе обогащения почвы азотом.

После проникновения в корневой волосок бактерии вызывают интенсивное деление клеток корня, в результате чего появляется клубенек. Сами бактерии развиваются в этих клубеньках на корнях, участвуя в ассимиляции азота. Там они трансформируются в разветвленные формы – бактероиды, поглощающие молекулярный азот, аммонийные соли, аминокислоты, нитраты. В качестве источника углерода клубеньковые бактерии используют моносахариды, дисахариды, спирты, органические кислоты.

Клубеньковые бактерии имеют размеры от 0,5 до 3 мкм. Они не образуют спор, подвижны, грамотрицательны. Нуждаются в доступе кислорода для нормального протекания обменных процессов. В лабораторных условиях колонии клубеньковых бактерий хорошо растут при температуре 25 градусов на плотных средах. Они имеют характерную округлую форму, слизистой консистенции, прозрачные.

Клубеньковые бактерии обитают на корнях у 10% растений из семейства бобовых. Причем разные виды бактерий развиваются на корневой системе определенных высших растений. У вики, кормовых бобов, гороха — Rh. Leguminosarum, у донника, люцерны — Rhizobium meliloti, у сои — Rh. Japonicum, у клевера — Rh. Trifolii. Если корни бобовых отмирают, а клубеньки разрушаются, клубеньковые бактерии не погибают, а ведут образ жизни сапрофитов.

Эти бактерии поглощают из атмосферного воздуха до 300 кг азота на 1 га, при этом в ходе их жизнедеятельности в почве остается более 50 кг азотсодержащих соединений. Чтобы повысить количество клубеньковых бактерий в почве и, соответственно, урожайность культурных бобовых растений, при посадке семян добавляют бактериальное средство – нитрагин, то есть искусственно заражают семена бобовых клубеньковыми бактериями.

href=

Симбиотические гены клубеньковых бактерий и влияние их горизонтального переноса на видовой состав микросимбионтов бобовых растений Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 579.25 579.262

СИМБИОТИЧЕСКИЕ ГЕНЫ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИИ И ВЛИЯНИЕ ИХ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПЕРЕНОСА НА ВИДОВОЙ СОСТАВ МИКРОСИМБИОНТОВ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ

© Е. С. Иванова1, Ан. Х. Баймиев1, Р. И. Ибрагимов2*, Ал. Х. Баймиев1

1 Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

Тел.: +7 (347) 235 60 88.

E-mail: [email protected] 2Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел./факс: +7 (347) 229 96 71.

E-mail: [email protected]

Наличие у клубеньковых бактерий симбиотических генов определяет их возможность образовывать с бобовыми растениями азотфиксирующий симбиоз. В статье описана структурно-функциональная организация основных симбиотических генов и влияние их горизонтального переноса на видовое разнообразие микросимбионтов у бобовых растений.

Ключевые слова: ризобии, клубеньковые бактерии, бобовые растения, симбиоз, симбиотические гены, горизонтальный перенос генов.

Изучение взаимодействий между растениями и микроорганизмами — одно из увлекательных и бурно развивающихся направлений современной биологии. Эти взаимодействия играют исключительно важную роль в жизни растений, обеспечивая их минеральное питание, защиту от патогенов и вредителей, а также адаптацию к стрессам и регуляцию развития [1].

Исследование микробно-растительных взаимодействий восходит к трудам Антона де Барии, сформулировавшего в 1879 году концепцию симбиоза [1]. Согласно данной концепции, симбиоз — длительное сосуществование неродственных организмов, в ходе которого осуществляется широкий спектр взаимовыгодных (мутуалистических) и паразитарных (антагонистических) взаимодействий [2].

Обладая способностью полностью обеспечивать себя углеродом и энергией, получаемыми в процессе фотосинтеза, большинство растений испытывает недостаток во многих других элементах минерального питания, в первую очередь — в азоте и фосфоре [3]. Дело в том, что растения «купаются» в азоте, имеющимся в окружающей их среде: атмосфера состоит на 78% из азота, а органические вещества почвы (гумус, лигнин, хитин) содержат много связанного азота. Однако этот элемент недоступен для растений, так как у них нет ферментных систем для его фиксации, как и для деструкции почвенной органики. А недостаточная обеспеченность азотом — один из основных факторов, лимитирующих развитие растений [1]. Поэтому симбиозы с микроорганизмами, фиксирующими азот (ри-зобии, актиномицеты, цианобактерии, эндофитные и ризосферные бактерии) или оптимизирующими получение питательных веществ из почвы (микоризные грибы), характерны для подавляющего большинства растений [3].

Огромное практическое и экологическое значение представляет симбиоз бобовых растений с клубеньковыми бактериями (ризобиями), который

является одной из наиболее эффективных систем биологической фиксации атмосферного азота. В данном взаимодействии достигается сопряжение двух глобальных биохимических процессов — азот-фиксации и фотосинтеза, благодаря чему нормализуется азотно-углеродный баланс растительного организма. При симбиозе микробы экспортируют продукты азотфиксации в клетки хозяина, которые предоставляет партнерам весь комплекс элементов питания, в первую очередь соединения углерода [1]. Благодаря деятельности клубеньковых бактерий часть азотистых соединений из корней бобовых растений диффундирует в почву, обогащая ее азотом. Посев бобовых растений ведет к повышению почвенного плодородия. Гектар бобовых растений в симбиозе с бактериями может перевести в связанное состояние от 100 до 400 кг азота за год. Значение этого трудно переоценить, если учесть, что азотные удобрения наиболее дорогостоящи, а в почве соединения азота содержатся в небольших количествах.

Становление эффективного азотфиксирующе-го симбиоза между бобовыми растениями и ризо-биями требует наличия у микросимбионтов симбиотических генов (sym генов), включающих в себя ответственные за фиксацию азота nif гены, которые кодируют синтез и регуляцию фермента нитрогена-зы; nod гены, кодирующие синтез Nod-факторов, отвечающих за инициацию и специфичность образуемого симбиоза; а также fix-гены, которые также необходимы для азотфиксации, часто сцепленные с nif генами, но не гомологичные с ними.

Гены клубенькообразования (nod гены) кодируют синтез липо-хито-олигосахаридных Nod-факторов — сигналов, узнаваемых растениями и вызывающих развитие симбиотических тканей и субклеточных компартментов (инфекционные нити, симбиосомы), которые содержат бактериальные клетки [4-7]. Nod-факторы совместно с экзополисахаридами инициируют у бобового растения-

* автор, ответственный за переписку

хозяина многоступенчатый процесс формирования клубеньков.

Клубеньковые примордии, возникающие у бобовых под действием Коё-факторов, вырабатывают сигналы, поступающие в листья и приводящие к формированию авторегуляторного ответа. Он ограничивает число формируемых растением клубеньков, ограждая растение от перерасхода энергии и определяя формирование симбиоза только в условиях недостатка азота [2].

Некоторые гены (nodA, nodB, nodQ присутствуют у ризобий в одной копии, тогда как другие (nodM (gfmS)y nodP, nodQ, nodT) — в нескольких копиях. В ряде случае гены клубенькообразования формируют кластеры, состоящие из нескольких оперонов, многие из которых консервативны у разных ризобий [8].

Гены nif кодируют структуру белков нитроге-назы — фермента, восстанавливающего молекулярный азот до аммиака, ее кофакторов и транскрипционных регуляторов [9].

У всех известных азотфиксаторов нитрогеназа состоит из белков трех типов (а, р и у) и двух кофакторов: молибден-железосодержащего (МоБе-кофактора) и железосодержащего (Бе-кофактора). Эти компоненты организованны в две субъединицы: большую — динитрогеназу (а2, р2), в состав которой входит МоБе-кофактор, и малую — редук-тазу динитрогеназы (у2), содержащую Бе-кофактор. Восстановление молекул азота происходит при взаимодействии с динитрогеназой, которая получает необходимые для этого активированные электроны от редуктазы динитрогеназы [1].

У некоторых ризобий выявлены множественные копии гена пі/Н: К- еїіі имеет 3 идентичные копии, тогда как копии пі/Н1 и пі/Н2 у АіоткіїоЬіит caulтodans различаются по 6 нуклеотидам. Все эти копии кодируют функционально активные белки, участвующие в азотфиксации, а их высокое сходство или даже идентичность говорит о том, что мно-гокопийность гена пі/Н является результатом дупликаций, а не горизонтального переноса. -фиксации. Гены fixL, fixJ, fixK имеют гомологов у свободноживущих бактерий, однако эти гомологи не связаны с контролем азотфиксации. Гены, гомологичные fixLJ, кодируют двухкомпонентные регуляторные системы (FixL -мембранный белок, обладающий киназной и фос-фатазной активностями; FixJ — цитоплазматический фосфорилируемый регулятор транскрипции). Активация этой системы происходит лишь в макроаэ-рофильных условиях, поскольку FixL является гемм содержащим сенсором кислорода. Гомологи FixK — это транскрипционные регуляторы, относящиеся к семейству Crp — Fnr. У ризобий система регуляции азотфиксации помимо структурных генов нитрогеназы включает гены dctABD (кодируют транспорт в бактериоиды дикарбоновых кислот, являющихся основным источником энергии для азотфиксации), fixNOPQ fixGHIS (кодируют синтез бактериоидной цитохромоксидазы cbb3, обеспечивающей транспорт электронов в дыхательных цепях бактериоидов) и гены биосинтеза гема [12].

Геном ризобий обычно содержит кольцевую хромосому и один или несколько крупных плазмид размерами от 100 тпн до более 2Мпн. Sym гены локализованы либо в специфических симбиотических геномных компартментах в составе крупных плазмид, обозначаемых pSym (симбиотические плазмиды), либо в пределах хромосомных островков, также называемых островками симбиоза. У быстрорастущих клубеньковых бактерий рода Rhizobium и Ensifer (Sinorhizobium) Sym-гены находятся на pSym-плазмидах, тогда как у медленнорастущих бактерий родов Azorhizobium, Bradyrhizobium и Mesorhizobium эти гены расположены на хромосомах. За счет плаз-мидной локализации или же за счет ограничения симбиотического островка IS-подобными элементами, симбиотические гены клубеньковых бактерий часто бывают вовлечены в процессы горизонтального переноса генов (ГПГ) как между штаммами внутри одного вида, так и между штаммами разных видов, родов, семейств и и даже еще более высших таксонов. Данный процесс может привести к появлению штаммов клубеньковых бактерий, различающихся по азотфиксирующей эффективности и по хозяйской специфичности.

Интересно, что при переносе Sym генов между близкородственными штаммами специфичность к хозяину проявляется наиболее четко: реципиент может приобретать способность формировать полностью развитые, азотфиксирующие клубеньки с растениями — хозяевами донора. При этом исходная специфичность реципиента либо утрачивается, либо сохраняется. В то время как при переносе Sym генов между неродственными видами ризобий специфичность проявляется лишь частично (на уровне образования неактивных клубеньков, часто имеющих аномальную структуру) либо вовсе не проявляется. При этом исходная специфичность часто сохраняется [1].

Возможность ГПГ показана в работах многих авторов. Одним из первых в этом плане была работа Саливана с соавторами, в которой они показали, что в Новой Зеландии аборигенные штаммы Mezorhizobium loti, не способные нодулировать растения Lotus corniculatus L. после 7 лет выращивания данной культуры с исскуственной инокуляцией специфичным штаммом M.loti (ICMP 3153) также стали способны инокулировать данное растение. Было обнаружено, что все выделенное из клубеньков штаммы как аборигенные, так и штамм ICMP 3153 имеют идентичные симбиотические гены. На основании этого, авторы делают вывод, что аборигенные штаммы получили симбиотические гены посредством ГПГ от штамма ICMP 3153, что изменило их специфичность [13-17].

Сходный процесс образования новых симбионтов путем ГПГ выявлен при интродукции Biserrula pelecinus L. (Fabaceae) из Европы в Австралию, где в течение шести лет сформировалась местная популяция новых симбионтов, содержащих хромосомные маркеры авирулентных местных мезоризобий в сочетании с sym-генами («симбиотическими» островками) интродуцированного мезоризобиального штамма WSM 1271 [18]. При интродукции сои из США в Южную Америку (Парагвай), сопровождавшуюся внесением производственных штаммов Bradyrhizobium japonicum, происходил перенос их sym-генов в разнообразные местные ризобии, как быстро- так и медленнорастущие, с широким спектром хозяев, а также в агробактерии [19].

Исследования, проведенные в Китае на астрагале, показали, что способность формировать клубеньки в ответ на заражение большого спектра ри-зобий, относящихся к родам Rhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium и Bradyrhizobium обеспечивается горизонтальным переносом симбиотических генов, благодаря чему появляются новые виды ризобий, которые адаптированы к различным условиям окружающей среды, а также способные заражать виды Астрагала [16].

При исследовании клубеньковых бактерий дикорастущих бобовых, произрастающих на территории Республики Башкортостан нами также были выявлены штаммы, которые, вероятно, также получили симбиотические гены за счет ГПГ. Так, например, у чины весенней Lathyrus vernus (L.) Bernh. в

клубеньках некоторых растений, произрастающих на кислых почвах, были обнаружены несвойственные для них клубеньковые бактерии Rhizobium tropici. Однако при анализе последовательностей симбиотических генов данных микроорганизмов было выявлено, что они имеют большую гомологию с аналогичными генами R. leguminosarum bv. viceae, обычных симбионтов данного вида растения, нежели R. tropici. Исходя из этого, был сделан вывод, что R. tropici приобрел способность вступать в симбиоз с чиной весенней за счет ГПГ симбиотических генов [20]. Подобное явление также было обнаружено и у некоторых симбионтов чины болотной Lathyrus palustris L. у которой в клубеньках были обнаружены Agrobacterium sp., содержащие симбиотические гены R. leguminosarum bv. viceae привнесенные в геном Agrobacterium sp. посредством ГПГ.

В этом плане интересны также клубеньковые бактерии рода Phyllobacterium. Данные микроорганизмы впервые были описаны Кнозелем как бактерии, образующие клубенек подобные структуры на листьях некоторых тропических растений [21]. В настоящее время данные бактерии обнаружены в клубеньках у многих бобовых, таких как Trifolium pratense, Argyrolobium uniflorum, Astragalus algerianus, Lathyrus numidicus, Oxytropis sp. , Genista saharae и др. [22-25]. Нами Phyllobacterium были обнаружены в клубеньках эспарцета песчаного Onobrychis arenaria [26], караганы древовидной Caragana arborescens [27], чины Гмелина Lathyrus gmelinii [20], а также в клубеньках кустарниковых видов бобовых: ракитника русского Chamaecytisus ruthenicus, караганы кустарниковой Caragana frutex и дрока красильного Genista tinctoria. Но, тем не менее, симбиотические гены были обнаружены только у штаммов из клубеньков ракитника русского, по нуклеотидной последовательности сходные с аналогичными последовательностям Bradyrhizobium, и у штаммов из клубеньков чины Гмелина, содержащие симбиотические гены R. leguminosarum bv. viceae. У остальных штаммов обнаружить sym гены не удалось. Видимо данные клубеньковые бактерии способны вступать в симбиоз с различными видами бобовых растений в зависимости от того, какие симбиотические гены они содержат, а также, по мнению некоторых исследователей, попадать в клубеньки с другими ризобиями, и по сути представляют из себя оппортунистические микроорганизмы.

Несомненно, именно наличие sym генов делает свободноживущие сапрофитные почвенные микроорганизмы симбиотическими партнерами бобовых растений. В основном это а-протеобактерии, относящиеся к семейству Rhizobiaceae. В некоторых исключительных случаях симбиотические гены, попадая в клетки других бактерий, не родственных Rhizobiaceae также наделяют их способностью образовывать клубеньки у бобовых растений. Примерами данного явления могут послужить обнаруженные в клубеньках некоторых тропических ви-

дов бобовых представители ß-группы протеобакте-рий [28, 29]. Но такие случаи не многочисленны, и в большинстве своем симбиозы с подобными микроорганизмами малоэффективны. В основном такие бактерии служат в качестве «депо» для sim генов, которые когда то перейдут в более подходящие бактериальные клетки, придав тем самым им способность образовать эффективный азотфикси-рующий симбиоз. Таким образом за счет ГПГ происходит постоянное изменение разнообразия способных к симбиозу с бобовыми микроорганизмов, что является одним из механизмов приспособления, когда нет необходимости поддерживать симбиотические гены всем ризобиям, что энергетически очень выгодно, но оставаясь, тем не менее, потенциальными донорами данных генов и соответственно потенциальными микросимбионтами бобовых растений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тихонович И. А., Проворов Н. А. Симбиозы растений и микроорганизмов: молекулярная генетика агросистем будущего. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2009. 210с.

2. Тихонович И. А., Проворов Н. А. Принципы селекции растений на взаимодействие с симбиотическими микроорганизмами // Вестник ВОГиС. 2005. Том 9. №3. С. 295-305.

3. Лутова Л. А., Проворов Н. А., Тиходеев О. Н.,Тихонович И. А., Ходжайова Л. Т., Шишкова С. О. Генетика развития растений. Под ред. С. Г. Инге-Вечтомова. СПб.: Наука. 2000. 539 с.

4. Овцына А. О., Тихонович И. А. Структура, функции и возможность практического применения сигнальных молекул, инициирующих развитие бобово-ризобиального симбиоза. // Экологич. Генетика. 2004. Т.2. №3. С. 14.

5. Brewin N.J. Plant cell wall remodeling in the Rhizobium-legume symbiosis. // Crit. Rev. Plant. Sci. 2004. V. 23. P. 1-24.

6. Hirsch A. M., LaRue T. A. Is the Legume Nodule a Modified Root or Stem or an Organ sui generis? // Crit. Rev. Plant Sci. 1997. V.16. P. 361-392.

7. Ovtsyna A. O., Staehelin C. Bacterial signals required for the Rhizobium-legume symbiosis // Recent Res. Develop. Microbiol. 2005. V.7. P. 631-648.

8. Жуков В. А., Штарк О. Ю., Борисов А. Ю., Тихонович И. А. Молекулярно-генетические механизмы контроля растением ранних стадий развития взаимовыгодных (мутуа-листических) симбиозов бобовых. // Генетика. 2009. Т.45. №11. С. 1449-1460.

9. Проворов Н. А., Воробьев Н. И. Роль горизонтального переноса генов в эволюции клубеньковых бактерий, направляемой растением-хозяином. // Успехи современной биологии. 2010. Т. 130. №4. С. 336-345.

10. Spaink H. P., Kondorosi A., Hooykaas P. J. J. The Rhizobiaceae. Kluwer Academic Publishers. Pordrecht. The Netherlands. 1998. 566 p.

11. Сидорова К. К., Шумный В. К., Власова Е. Ю., Гляненко М. Н., Мищенко Т. М., Майстренко Г. Г. Симбиогентика и селекция макросимбионта на повышение азотфиксации на примере гороха (Pisum Sativum L.) // Вестник ВОГиС. 2010. Т.14. №2. С. 357-374.

12. Проворов Н. А., Воробьев Н. И. Эволюционная генетика клубеньковых бактерий: молекулярные и популяционные аспекты. // Генетика. 2000. Т.36. №12. С. 1573-1587.

13. Andam C. P., Parker M. A. Novel Alphaproteobacterial Root Nodule Symbiont Associated with Lupinus texensi. // Appl Environ. Microbiol. 2007. V.73. №17. P. 5687-5691.

14. Andam C. P., Mondo S. J., Parker M. A. Monophyly of nodA and nifH genes across Texan and Costa Rican populations of Cupriavidus nodule symbionts. // Appl. Environ. Microbiol. 2007. V.73. №14. P. 4684-4690.

15. Barcellos F. G., Menna P., da Silva Batista J. S., Hungria M. Evidence of Horizontal Transfer of Symbiotic Genes from a Bradyrhizobium japonicum Inoculant Strain to Indigenous Diazotrophs Sinorhizobium (Ensifer) fredii and Bradyrhizobium elkanii in a Brazilian Savannah Soil. // Appl. Environ. Microbiol. 2007. V.73. №8. P. 2635-2643.

16. Zhao C. T., Wang E. T., Chen W. F., Chen W. X. Diverse genomic species and evidences of symbioticgene lateral transfer detectedamong the rhizobia associated with Astragalus species grown in the temperate regions of China // FEMS Microbial Lett. 2008. V.286. P. 263-273.

17. Sullivan J. T., Patrick H. N., Lowther W. L., Scott D. B., Ronson C. W. Nodulating strains of Rhizobium loti arise through chromosomal symbiotic gene transfer in the environment. // Proc Natl Acad Sci USA. 1995. V.92. P. 8985-8989.

18. Nandasena K. G., O’Hara G. W., Tiwari R. P., Howieson J. G. Rapid In Situ Evolution of Nodulating Strains for Biserrula pelecinus L.through Lateral Transfer of a Symbiosis Island from the Original Mesorhizobial Inoculant. // Appl Environ Microbiol. 2006. V.72. №11. P. 7365-7367.

19. Chen L. A., Figueredo A., Pedrosa F. O., Hungria M. Genetic characterization of soybean rhizobia in Paraguay. // Appl. Environ. Microbiol. 2000. V.66. P. 5099-5103.

20. Баймиев Ан. Х., Птицын К. Г., Мулдашев А. А., Баймиев Ал. Х. // Экол. генет. 2011. №2. С. 3-8.

21. Knosel D. H. Prüfung von bakterien auf Fähigkeit zur Stembildung. // Zentralbl Bakteriol Parasitenkd Infektionskr Hyg. 1962. V.116. P. 79-100 (in German).

22. Valverde A., Velazquez E., Fernandez-Santos F., Vizcaino N., Rivas R., Mateos P. F., Eustoquio Molina M., Igual J. M. and Willems A. Phyllobacterium trifolii sp. nov., nodulating Trifolium and Lupinus in Spanish soils. // Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2005. V.55. P. 1985-1989.

23. Mantelin S., Fischer-Le Saux M., Zakhia F., Bena G., Bonneau S., Jeder H., Philippe de Lajudie and Cleyet-Marel J. S. Emended description of the genus Phyllobacterium and description of four novel species associated with plant roots: Phyllobacterium bourgognense sp. nov., Phyllobacterium ifriqiyense sp. nov., Phyllobacterium leguminum sp. nov. and Phyllobacterium brassicacearum sp. nov. // Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2006. V.56. P. 827-839.

24. Kan F. L., Chen Z. Y., Wang E. T., Tian C. F., Sui X. H., Chen W. X. Characterization of symbiotic and endophytic bacteria isolated from root nodules of herbaceous legumes grown in Qinghai-Tibet plateau and in other zones of China. // Archives of Microbiology. 2007. V.188. P. 103-115

25. Mahdhi M., Nzoue A., Gueye F., Merabet C., P. de Lajudie and Mars M. Phenotypic and genotypic diversity of Genista saharae microsymbionts from the infra-arid region of Tunisia. // Letters in Applied Microbiology. 2007. V.45. P. 604-609

26. Баймиев Ал. Х., Баймиев Ан. Х., Губайдуллин И. И., и др. В клубеньках эспарцета песчаного обнаружены бактерии, близкие по гену 16S рРНК к Phyllobacterium trifolii // Генетика. 2007. Т. 43. №5. С. 716-719.

27. Баймиев Ан.Х., Птицын К.Г., Баймиев Ал.Х. Влияние интродукции караганы древовидной на состав ее клубеньковых бактерий // Микробиология. 2010. Т.79. №1. С.123-128.

28. Chen W. M., Moulin L., Bontemps C., Vandamme P., Bena G., Boivin-Masson C. Legume symbiotic nitrogen fixation by beta-proteobacteria is widespread in nature. // J. Bacteriol. 2003. V. 185 №24. P. 7266-7272.

29. Liu X. Y., Wu W., Wang E. T., Zhang B., Macdermott J., Chen W. X. Phylogenetic relationships and diversity of ß-rhizobia associated with Mimosa species grown in Sishuangbanna, China. // Int J Syst Evol Microbiol. 2011. V. 61. P. 334-342.

Поступила в редакцию 04.09.2011 г.

Влияние клубеньковых и патогенных бактерий на изменение уровня оксида азота и циклического аденозинмонофосфата в корнях гороха на начальных этапах взаимодействия | Ищенко

1. Beatly P.H., Good A.G. Future prospects for cereals that fix nitrogen // Science. 2011. Vol. 333. Issue 6041. P. 416–417. https://doi.org/10.1126/science.1209467

2. Проворов Н.А., Воробьев Н.И. Генетические основы эволюции растительно-микробного симбиоза. СПб: Изд-во ООО «ИнформНавигатор», 2012. 400 с.

3. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В., Ястреб Т.О., Луговая А.А. Сигнальные посредники в реализации физиологических эффектов стрессовых фитогормонов // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Серия Биология.

4. Вып. 1 (37). С. 42–62.

5. Глянько А.К., Ищенко А.А. Активные формы кислорода и азота – возможные медиаторы системной устойчивости у бобовых при действии ризобиальной инфекции // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Серия Биология. 2017. Вып. 1 (40). С. 9–20.

6. Djordjevic M.A., Gabriel D.W., Rolfe B.G. Rhizobium-The Refined Parasite of Legumes // Annual Review of Phytopathology. 1987. Vol. 25. P. 145–168. https://doi.org/10.1146/annurev.py.25.090187.001045

7. Baron C., Zambbryski P.C. The plant response in pathogenesis, symbiosis, and wounding: variations on a common theme? // Annual Review of Genetics. 1995. Vol. 29. P. 107–129. https://doi.org/10.1146/annurev.ge.29.120195.000543

8. Glyan’ko A.K., Ishchenko A.A. Immunity of a leguminous plant infected by nodular bacteria Rhizobium spp. F.: review // Applied Biochemistry and Microbiology. 2017. Vol. 53. Issue 2. P. 140–148. https://doi.org/10.1134/S0003683817020107

9. Meilhoc E., Boscari A., Bruand C., Puppo A., Brouquisse R. Nitric oxide in legume-rhizobium symbiosis // Plant Science. 2011. Vol. 181. Issue 5. P. 573–581. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2011.04.007

10. Baudouin E., Pieuchot L., Engler G., Pauly N., Puppo A. Nitric oxide is formed in Medicago truncutula – Sinorhizobium meliloti functional nodules // Molecular plant-microbe Interactions. 2006. Vol. 19. Issue 9. P. 970–975. https://doi.org/10.1094/MPMI-19-0970

11. Herouart D., Baudouin E., Frendo P., Harrison J., Santos R., Jamet A., et al. Reactive oxygen species, nitric oxide and glutathione: key role in the establishment of the legume-Rhizobium symbiosis // Plant physiology and biochemistry. 2002. Vol. 40. Issue 6-8. P. 619–624. https://doi.org/10.1016/S0981-9428(02)01415-8

12. Meyer C., Lea U.S., Provan F., Kaizer W.M., Lillo C. Is nitrate reductase a major player in the plant NO (nitric oxide) game? // Photosynthesis research. 2005. Vol. 83. P.181–189. https://doi.org/10.1007/s11120-004-3548-3

13. Lomovatskaya L.A., Kuzakova O.V., Romanenko A.S., Goncharova A.M. Activities of Adenylate Cyclase and Changes in cAMP Concentration in Root Cells of Pea Seedlings Infected with Mutualists and Phytopathogens // Russian Journal of Plant Physiology. 2018. Vol. 65. Issue 4. P. 588–597. https://doi.org/10.1134/S1021443718030056

14. Kuzakova O.V., Lomovatskaya L.A., Goncharova A.M., Romanenko A.S. Effects of Rhizobium leguminosarum bv. viceae strains different in their symbiotic effectiveness on changes in cAMP and hydrogen peroxide concentrations in cells of pea seedlings // Russian Journal of Plant Physiology. 2019. Vol. 66. Issue 5. P. 712–717. https://doi.org/10.1134/S1021443719050121

15. Lomovatskaya L.A., Romanenko A.S., Filinova N.V., Dudareva L.V. Determination of cAMP in plant cells by a modified enzyme immunoassay method // Plant Cell Reports. 2011. Vol. 30. Issue 1. P. 125–132. https://doi.org/10.1007/s00299-010-0950-5

16. Jones K.M., Sharopova N., Lohar D.P., Zhang J.Q., VandenBosch K.A., Walker G.C. Differential response of the plant Medicago truncatula to its symbiont Sinorhizobium melliloti or an exopolysaccharide-deficient mutant // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2008. Vol. 105, Issue 2. P. 704–709. https://doi.org/10.1073/pnas.0709338105

17. Ferguson B.J., Indrasumunar A., Hayashi S., Lin Y.-R., Lin Y.-H., Reid D.E., et al. Molecular analysis of legume nodule development and autoregulation // Journal of Integrative Plant Biology. 2010. Vol. 52. P. 61–76. https://doi.org/10.1111/j.1744-7909.2010.00899.x

18. Gough C., Jacquet C. Nod factor perception protein carries weight in biotic interaction // Trends in Plant Sciences. 2013. Vol. 18. Issue 10. P. 566–574. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2013.06.001

19. Глянько A.К. Фитогормоны и клубенькообразование у бобовых растений // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Серия Биология. 2015. Вып. 3 (36). С. 6–19.

20. Hichri I., Boscari A., Castella C., Rovere M., Puppo A., Brouquisse R. Nitric oxide: a multifaceted regulator of the nitrogen-fixing symbiosis // Journal of experimental botany. 2015. Vol. 66. Issue 10. P. 2877–2887. https://doi.org/10.1093/jxb/erv051

21. Глянько А.К., Митанова Н.Б., Степанов А.В. Физиологическая роль оксида азота (NO) у растительных организмов // Журнал стресс-физиологии и биохимии. 2009. Т. 5. N 3. С. 33–52.

22. Courtois C., Besson A., Dahan J., Bourque S., Dobrowolska G., Alain P., et al. Nitric oxide signaling in plants: interplays with Ca2+ and protein kinases // Journal of Experimental Botany. 2008. Vol. 59. Issue 2. P. 155–163. https://doi.org/10.1093/jxb/erm197

23. Jeandroz S., Lamotte O., Astier J., Rasul S., Trapet P., Besson-Bard A., et al. There’s more to the picture than meets the eye: nitric oxide cross talk with Ca2+ signaling // Plant Physiology. 2013. Vol. 163. Issue 2. P. 459–470. https://doi.org/10.1104/pp.113.220624

24. Глянько А.К. Роль Nod-фактора Rhizobium в индукции сигнальных систем растения при формировании бобово-ризобиального симбиоза // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Серия Биология. 2014. Вып. 3 (33). С. 6–14.

«Сельскохозяйственная биология»: 5-2019 Румянцева

doi: 10.15389/agrobiology.2019.5.847rus

УДК 633.31:631. 461.52:577.21

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.607.21.0178, RFMEFI60717X0178).

М.Л. РУМЯНЦЕВА

Люцерна и соя — широко возделываемые хозяйственно ценные кормовые и зернобобовые культуры, урожайность которых напрямую зависит от бактериальных микросимбионтов. Обработка семян бобовых растений штаммами клубеньковых бактерий (ризобии) способствует повышению продуктивности растительно-микробной системы как в типовых, так и в неблагоприятных условиях выращивания, например на деградированных почвах (подвергнуты засолению, заболачиванию, засушливости и т.д.). Именно поэтому получение новых штаммов, способных формировать высокопродуктивные и стрессоустойчивые симбиотические системы с бобовыми растениями, крайне востребовано в сельском хозяйстве. Современные технологии получения высокопродуктивных и экологически дифференцированных сортов бобовых культур предполагают использование биогеоценотического подхода на основе учета симбиотрофных показателей (З.Ш. Шамсутдинов, 2014). Формирование высокопродуктивных растительно-микробных систем основано на принципе дополнительности геномов макро- и микросимбионта (И.А. Тихонович с соавт., 2015), комплементарность взаимодействия которых обусловливает успешность их внедрения в агроценозы, различающиеся по агроклиматическим и почвенным условиям. К симбиотически значимым и генетически детерминируемым свойствам клубеньковых бактерий относят вирулентность, конкурентоспособность, специфичность и эффективность азотфиксирующей активности, которые ризобии проявляют по отношению к определенному виду, а подчас и сорту бобового растения-хозяина. Все вышеперечисленные симбиотически значимые характеристики детерминируются многочисленными группами генов ризобий. В обзоре представлен анализ сведений о генах микросимбионтов сои и люцерны, для которых экспериментально доказано участие в контроле симбиотической активности и стрессоустойчивости. Клубеньковые бактерии видов Sinorhizobium meliloti, S. fredii и Bradyrhizobium japonicum — это наиболее изученные, но контрастно различающиеся по генетическим и морфофизиологическим характеристикам бактерии. Сопоставление современных публикаций по основным группам симбиотически значимых генов (nod гены, участвующие в синтезе и декорировании сигнальной молекулы Nod-фактора, которая обусловливает инициацию клубенькообразования при растительно-микробном взаимодействии; группы nif, fix и eff генов, ответственных за процесс азотфиксации и за симбиотическую эффективность) показывает, что эти исследования как для быстро-, так и для медленнорастущих видов ризобий все еще разобщены, а полученные результаты фрагментарны. Вместе с тем, согласно опубликованным данным, аллельный полиморфизм по указанным генам играет важную роль в вариации сигналинга, хозяйской специфичности и симбиотической эффективности клубеньковых бактерий. Сделано заключение, что сопряженный анализ последовательностей генов интереса из функционально различных групп генов, вовлеченных в формирование высокоэффективных стрессоустойчивых симбиозов, — sym (symbiotic; симбиоз), srg (stress related genes; гены устойчивости к стрессовым факторам) и QS (quorum sensing genes; гены кворум сенсинга), или symsrg-QS генов, перспективен для поиска и создания молекулярных маркеров симбиотических и адаптивных свойств клубеньковых бактерий, что необходимо для мониторинга генетической структуры штаммов при лабораторных исследованиях, в биопрепаратах и в микробиоме агроценоза.

Ключевые слова: клубеньковые бактерии, Sinorhizobium meliloti, Sinorhizobium fredii, Bradyrhizobium japonicum, люцерна, соя, гены симбиотической активности, эффективности, устойчивости к абиотическим стрессам.

Люцерна и соя — наиболее широко возделываемые хозяйственно ценные культуры во всем мире, что обусловливает огромный интерес к их бактериальным микросимбионтам. Современные технологии получения высокопродуктивных и экологически дифференцированных сортов бобовых культур предполагают использование биогеоценотического подхода, в основе которого метод симбиотической селекции (1). Именно использование технологии, основанной на применении генетически подобранных штаммов клубеньковых бактерий (ризобии), позволило значительно сократить сроки получения новых сортов люцерны.

В основе метода лежит принцип дополнительности геномов макро- и микросимбионта (2, 3), комплементарность взаимодействия которых предопределяет фитнес растительно-микробных систем в природных экосистемах и агроценозах. К симбиотически значимым и генетически детерминируемым свойствам клубеньковых бактерий относят вирулентность, конкурентоспособность, специфичность и эффективность азотфиксирующей активности, которые ризобии проявляют по отношению к определенному виду/сорту бобового растения-хозяина. Обработка семян бобовых штаммами ризобий способствует повышению симбиотической продуктивности растений как в типовых, так и в неблагоприятных условиях выращивания, например на деградированных почвах, в числе которых подвергнутые засолению, заболачиванию, засушливости и т.д. (4-6). Именно поэтому получение новых штаммов, способных формировать высокопродуктивные и стрессоустойчивые симбиотические системы с бобовыми растениями, крайне востребовано в сельском хозяйстве (7, 8).

Традиционно поиск штаммов клубеньковых бактерий, перспективных для практического использования, проводят по результатам многолетних и трудоемких деляночных и полевых опытов. В результате среди испытуемых штаммов выделяют те, в симбиозе с которыми у растений были отмечены значительные положительные биометрические (высота, развитие корневой системы и т.д.), биохимические (содержание азота) и симбиотрофные (прибавки зеленой или сухой массы) изменения (1, 4, 5, 9, 10). Все перечисленные выше характеристики рассматривают как качественные и количественные показатели симбиотической активности и эффективности штаммов клубеньковых бактерий. Однако прибавки зеленой или сухой массы растений, полученные от инокуляции селекционно подобранными штаммами, со временем могут снижаться (11), из-за чего к штаммам, имеющим практическую значимость, применяют метод поддерживающей селекции, предполагающий периодическое получение новых клонов и анализ их симбиотических свойств в многократных микровегетационных, а затем и вегетационных опытах (12, 13). Поэтому разработка современных подходов поиска, селекции и мониторинга штаммов, обладающих повышенными симбиотическими показателями, на основе молекулярно-генетических методов представляется крайне актуальной и востребованной.

По современным представлениям, причиной снижения или утраты симбиотической активности и эффективности штаммами ризобий может быть нестабильность их симбиотического генома (14). Под последним понимают комплекс sym генов (структурных и регуляторных), обусловливающих различные этапы микробно-растительного взаимодействия, который был сформирован в процессе коэволюции клубеньковых бактерий с бобовыми растениями-хозяевами. Согласно опубликованным данным, количество sym генов как у медленнорастущих, так и у быстрорастущих клубеньковых бактерий (соответствующими примерами служат представители родов Bradyrhizobium и Sinorhizobium) составляет не менее пяти сотен (15). Среди генов, вовлеченных в проявление вирулентности, сопряженной с процессом клубенькообразования, выделяют группу общих nod генов, которые встречаются практически у всех известных видов ризобий, поскольку эти гены детерминируют синтез сигнальных молекул микробно-растительного взаимодействия (Nod-факторы) (16). Гены, детерминирующие симбиотическую активность, как правило, расположены на одной или нескольких плазмидах либо входят в состав геномного острова, локализованного на хромосоме, что и обусловливает потенциальную возможность утраты как отдельных sym генов, так и их кластеров, особенно под влиянием различных абиотических стресс-факторов (17, 18). Поэтому генотипическая оценка штаммов на наличие генов, детерминирующих формирование и функционирование симбиоза, а также генов, вовлеченных в стрессоустойчивость бактерий, представляется крайне необходимой. 

В настоящем обзоре представлен анализ данных о генах, для которых экспериментально доказано участие в контроле симбиотической активности и стрессоустойчивости у клубеньковых бактерий видов Sinorhizobium и Bradyrhizobium — наиболее изученных, но контрастно различающихся по генетическим и фенотипическим характеристикам. Группы таких генов, общих для быстро- и медленнорастущих видов ризобий, могут быть рекомендованы для поиска соответствующих генов-кандидатов и создания на их основе молекулярных маркеров, перспективных для современных селекционно-генетических исследований, включающих анализ стабильности генома и наследования симбиотических признаков у клубеньковых бактерий.

Симбионты сои и люцерны. Высокоэффективный симбиоз с культурными сортами сои Glycine max (L.) Merr. формируют на нейтральных или слабокислых почвах медленнорастущие ризобии вида B. japonicum, а также B. elkanii (19-21). На щелочных почвах некоторые сорта культурной сои вступают в симбиоз с быстрорастущими ризобиями вида S. fredii —типичными симбионтами дикорастущих родственников сои G. soja, которая широко используется в программах селекционного улучшения G. max по многим хозяйственно ценным признакам. Высказано мнение, что применение быстрорастущих бактерий вида S. fredii может иметь экологическую и практическую значимость при инокуляции культурных сортов сои, так как это будет способствовать интенсификации аграрного производства (22). Симбионтами многолетней тетраплоидной люцерны (Medicаgo varia) выступают ризобии быстрорастущего вида S. meliloti, однако в природных условиях симбионтами люцерны также могут быть штаммы близкородственного вида S. medicae, преимущественно формирующие эффективный симбиоз с однолетними диплоидными сортами люцерны.

Таким образом, и соя, и люцерна образуют эффективный симбиоз с определенными видами клубеньковых бактерий и неэффективный — с бактериями близкородственных, а нередко и неродственных видов ризобий, что, естественно, приводит к значительным потерям урожая. Следовательно, характеристика видовой принадлежности штаммов клубеньковых бактерий обязательна для оценки перспектив их симбиотической эффективности. Наилучшим образом зарекомендовал себя метод анализа нуклеотидной последовательности гена 16S рРНК, который позволяет характеризовать штаммы не только на уровне вида, но и выделять геновиды (genospecies) ризобий (23, 24). Также нередко прибегают к анализу межгенной последовательности rrn-rrl рибосомального оперона (ITS, intergenic sequence) или ее участков, например, hin-региона (25-27). Анализ указанных последовательностей позволяет определять не только видовую принадлежность штаммов, но и получать их штаммоспецифичные характеристики на уровне хромосомных маркеров (28), что, однако, не гарантирует наследования штаммом/штаммами генетических детерминант стрессоустойчивости и симбиотической активности.

Гены, детерминирующие симбиотическую активность, имеют разную локализацию в геномах клубеньковых бактерий родов Bradyrhizobium и Sinorhizobium. У быстрорастущих видов S. meliloti и S. fredii sym гены расположены на одной-двух высокомолекулярных мегаплазмидах размером более 0,8-1,0 млн п.н., но также могут встречаться в составе хромосомы (размер ≥ 3,6 млн п.н.) и криптических плазмид (от 30 до 600 т.п.н.), число которых у разных штаммов варьирует от 0 до 5 (29). У медленнорастущих бактерий рода Bradyrhizobium аналогичные гены входят в состав так называемого симбиотического острова, локализованного на хромосоме, размер которого варьирует от 643 до 998 т. п.н. (30, 31). Симбиотические острова имеют мозаичную структуру, поскольку для них характерно чередование значащих последовательностей, детерминирующих симбиотическую активность, с последовательностями, которые не влияют на проявление симбиотических свойств или являются незначащими (30, 31). Симбиотические острова относятся к типу геномных островов, которые описаны и у быстрорастущих видов клубеньковых бактерий. Однако в случае последних гены, имеющие отношение к симбиотической активности или к фитнесу ризобий, чаще единичны и встречаются гораздо реже (32). Геномные острова клубеньковых бактерий способны существенно влиять на функциональную активность генов, расположенных на хромосоме и/или на плазмидах и могут участвовать в горизонтальном переносе генов в экосистемах (32-34). Поэтому оценка наличия в геномах высокоэффективных штаммов клубеньковых бактерий геномных островов крайне важна и имеет непосредственное отношение к направленному получению генетически стабильных штаммов, используемых для биопрепаратов.

Группа nod генов. Эта группа детерминирует/регулирует синтез сигнальных молекул (или Nod-факторов), необходимых для инициации процесса формирования клубеньков на корнях растения-хозяина, и наиболее хорошо изучена у клубеньковых бактерий рассматриваемых видов. На примере штамма B. japonicum USDA110 показано, что медленнорастущие брадиризобии содержат два оперона — nodYABCSUIJnolMNOnodZ и nolYZ, ответственных за синтез коровой части сигнальной молекулы, тогда как быстрорастущие симбионты сои S. fredii (штаммы Hh203 и USDA257) имеют один оперон, включающий гены nodABCIJnolOnoeI (16, 35). В случае симбионтов люцерны nod гены организованы в пять оперонов: nodABCIJ, nodFEGPQ, nodH, nodMnolFGnodN и nodLnoeAB (штамм S. meliloti Rm1021) (36). Следует отметить, что представление об организации, а также о функциональной роли nod генов получено на основании изучения единичных штаммов, в числе которых и вышеуказанные. Известно, что направленное изменение структуры даже одного из так называемых общих nod генов приводит к существенным изменениям в образовании клубеньков и, как правило, к снижению либо утрате симбиотической активности (37).

Активность общих nod генов ризобий регулируется продуктом гена nodD1, который в случае S. meliloti играет более важную роль, чем его ортологи nodD2 и nodD3 (38). Индуктором nodD1 служат флавоноиды, входящие в состав корневых экссудатов растений-хозяев, но индукторами могут быть и бетаины (осмопротекторы), также присутствующие в составе корневых экссудатов люцерны. Степень гомологии генов nodD1 штамма S. meliloti Rm2011 и типовых штаммов B. japonicum и B. elkanii не превышает 75 % (на аминокислотном уровне), тогда как гомология между указанными генами двух последних видов составляет 92 %. При этом гены nodD1 B. japonicum и B. elkanii активируются разными флавоноидами, на основании чего было высказано предположение, что анализ аллельного полиморфизма nodD1 у природных штаммов брадиризобий может быть перспективен для выявления штаммов, различающихся по хозяйской специфичности (39). Также важную роль в регуляции nod генов брадиризобий играет ген nodD2, который, в свою очередь, находится под контролем гена nolA (40). На примере штамма B. japonicum USDA110 показано участие этого гена в контроле хозяйской специфичности: мутанты по гену nolA образовывали клубеньки на сое значительно позже родительского штамма и не формировали их на корнях растений Vigna unguiculata (41). К генам, вовлеченным в контроль хозяйской специфичности у B. japonicum, следует отнести и двухкомпонентную систему регуляторных генов nodVW, которые активируются флавоноидом генистеином (39). Однако активность этих генов необходима брадиризобиям для формирования клубеньков на корнях сиратро (Macroptilium atropurpureum) и вигны, но не на сое (39). Помимо рассмотренных регуляторов, секреторная защитная система TTSS (Type III Secretion System), которая у B. japonicum и S. fredii находится под контролем nodD1, также участвует во взаимодействии ризобий с определенными растениями-хозяевами (42-44). Высокая активность соответствующих tts генов отмечена на начальных этапах образования клубеньков, тогда как мутанты по этим генам были неспособны формировать клубеньки на корнях ряда растений-хозяев (42-44).

Особая роль принадлежит nod генам, вовлеченным в процессы структурной модификации (или так называемого декорирования) кора Nod-фактора, что делает молекулу сигнального фактора видоспецифичной. Например, наличие сульфатной группы на редуцируемом конце молекулы Nod-фактора S. meliloti обязательно для формирования симбиоза с люцерной, что было доказано при изучении соответствующих мутантов (45). Процесс сульфатирования Nod-фактора осуществляется продуктом гена nodH с участием продуктов двух других генов — nodP и nodQ. Вместе с тем в природных условиях были выявлены штаммы, формировавшие симбиоз с люцерной на кислых почвах, сигнальные молекулы которых не имели сульфатной группы (45). У S. fredii сигнальные молекулы сульфатированы, однако процесс декорирования Nod-фактора включает также этапы фукозилирования и метилирования фукозилированного остатка на редуцируемом конце сигнальной молекулы с участием гена noeJ и кластера генов nolKnoeLnodZnoeK (46). Аналогичный кластер присутствует у B. japonicum, но включает еще два гена — nolL и noeE, участвующие в метилировании сигнальной молекулы.

Сигнальные молекулы быстро- и медленнорастущих симбионтов сои имеют структурные различия: у брадиризобий они ацетилированы, тогда как у синоризобий — не карбамоилированы по нередуцируемому концу молекулы (47). Процесс карбамоилирования находится под контролем генов nolO и nodU. Установлено, что все изученные штаммы S. fredii (Hh203, 042B, USDA192, USDA193 и USDA257) имели инсерцию и стоп-кодон в гене nolO, и только у вышеуказанных двух первых штаммов были выявлены также структурные изменения в гене nodU (47). Очевидно, что гены, вовлеченные в процесс декорирования сигнальной молекулы, такие как nolO и nodH, могут представлять интерес как гены-кандидаты при выявлении маркерных последовательностей для экспресс-поиска быстрорастущих симбионтов соответственно у сои и люцерны.

Следует отметить, что вопрос о взаимосвязи структурного полиморфизма nod генов со структурой сигнальных молекул, а также с их опосредованным влиянием на симбиотический потенциал штаммов клубеньковых бактерий остается практически не изученным. Согласно исследованиям, выполненным в нашей лаборатории, географически изолированные природные популяции S. meliloti характеризуются высоким полиморфизмом общих nod генов, а также видоспецифичного гена nodH (в сравнении с референсным штаммом Rm1021) (48). Показано, что природные штаммы S. meliloti, имевшие дивергентные аллели указанных генов (относительно референсного штамма), формировали эффективный симбиоз преимущественно с однолетними видами люцерны в типовых для ее роста условиях, тогда как при модельном засолении отмечались различия между штаммами по способности формировать эффективный симбиоз с разными видами люцерны (49). Исследование in silico позволило выявить для разных видов ризобий наличие положительной корреляции между изменениями в структуре гена nodA и типом синтезируемых Nod-факторов (50). На основе полученных данных авторы предложили использовать анализ гена nodA для поиска симбиотически активных штаммов ризобий, обладающих определенной хозяйской специфичностью, в различных экологических нишах (50).

Таким образом, анализ имеющихся в литературе данных о структурной организации nod генов, участвующих в синтезе и декорировании сигнальной молекулы Nod-фактора, позволяет рассматривать аллельный полиморфизм nod генов как фактор, играющий важную роль в вариации сигналинга и хозяйской специфичности как у быстро-, так и у медленнорастущих видов клубеньковых бактерий.

Группы nif, fix и eff генов. Эти гены клубеньковых бактерий ответственны соответственно за процесс азотфиксации и симбиотическую эффективность. Гены nif детерминируют синтез фермента нитрогеназы, благодаря которому происходит трансформация азота в соединения, доступные для метаболизма растений. Наиболее часто в опубликованных исследованиях описывается анализ двух генов (nifDK и nifH, кодируют ферментный комплекс) из 20 описанных у Klebsiella pneumonia (39, 51). Структура nif генов практически идентична у таксономически различных микроорганизмов, тогда как их организация и регуляция неодинаковы. Анализ этих генов нередко используют для оценки потенциальной способности к азотфиксации у вновь выявляемых штаммов микроорганизмов (52).

Группы fix и eff генов характеризуют как гены, детерминирующие так называемый центральный промежуточный метаболизм (39, 41). Гены B. japonicum или S. meliloti с высокой экспрессией в бактероидах составляют около 15-16 % относительно их числа у сапрофитных форм бактерий. Общее число генов, участвующих в регуляции симбиотической активности, существенно различается у ризобий рассматриваемых видов, а также неодинаково у штаммов одного вида и зависит от условий эксперимента (53). Так, число генов, активность которых изменяется (повышается или снижается) в результате симбиотического взаимодействия, для S. meliloti — 982 или 1288, для B. japonicum — 1234 или 2778 (53). Если сравнить долю генов, для которых отмечено повышение экспрессии, то в случае синоризобий она составляет 37 %, а в случае брадиризобий — 54 %, при этом функции подавляющего числа этих генов остаются неизвестными (53, 54).

В базе данных PubMed NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/) имеется более шести десятков публикаций, включающих сведения о генах бактерий родов Bradyrhizobium и Sinorhizobium, которые вовлечены в проявление симбиотической эффективности и могут классифицироваться как fix и eff, однако число генов ризобий каждого рода, непосредственно изученных в этом отношении, не превышает и двух десятков. Вплоть до настоящего времени отсутствует систематизация данных по указанным генам — по-видимому, из-за того, что их действие опосредовано и/или кодируемые ими продукты участвуют в разных клеточных процессах. Например, гены fixNOQP детерминируют синтез cbb3-цитохромоксидазы, играющей ключевую роль в формировании окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциал) бактероидов (55). Мы соотнесли продукты fixB, fixC, fixU, fixX, fixO и fixQ генов B. japonicum с соответствующими COG группами (cluster of orthologous groups, кластеры ортологичных генов) широко используемой системы классификации белковых продуктов (56). Оказалось, что продукты указанных генов относятся преимущественно к группе С (метаболизм, связанный с энергетическими процессами), тогда как продукты генов fixK2 и fixN — соответственно к группе T (механизмы сигнальной трансдукции) и P (транспорт неорганических ионов и метаболизм). Кроме того, среди генов, влияющих на симбиотическую активность B. japonicum, встречаются гены, детерминирующие синтез ферредоксина (fdxN; COG группа С), ACC-дезаминазы (acdS; группа Е), гидролазы (blr6420; группа С), гомологичной продукту гена pobA (участвует в конверсии гидроксибензоата), а также транскрипционного фактора (blr6378; группа К). Следовательно, гены B. japonicum, которые вовлечены в контроль симбиотической эффективности, преимущественно относятся к СОG группам и связаны с метаболизмом аминокислот, а также с энергетическим обменом.

Аналогичные группы fix и eff генов у S. meliloti расположены на мегаплазмидах, а также на хромосоме. Анализ Tn5 мутантов устойчивого к стрептомицину штамма СХМ1-105, который был получен на основе производного штамма 425а, широко использовавшегося для приготовления биопрепаратов в 1980-1990-х годах, позволил впервые выявить 12 новых генов, вовлеченных в контроль симбиотической эффективности (57-59). Прибавки сухой массы растений люцерны, инокулированных такими транспозантами, составляла от 15 до 34 %. Анализ продуктов этих генов показал, что из них 42 % ответственны за транспорт и метаболизм неорганических ионов (COG группа Р), а остальные вовлечены в транспорт и метаболизм аминокислот (COG группа Е) и углеводов (COG группа G). Также выявлены гены, продукты которых связаны с клеточными процессами и сигналингом (COG группа М) и с хранением и переработкой информации (COG группа К). Следовательно, гены S. meliloti, участвующие в контроле симбиотической эффективности, многочисленны, а их продукты относятся к бóльшему числу разных COG групп, чем у рассмотренных выше представителей B. japonicum.

Таким образом, гены, вовлеченные в контроль симбиотической эффективности растительно-микробных систем, сформированных на основе сои или люцерны, в обоих случаях многочисленны. При этом указанные гены преимущественно вовлечены у B. japonicum в метаболические процессы, тогда как у S. meliloti — в разнообразные клеточные процессы. Кроме того, гомологичные гены у рассматриваемых видов ризобий могут иметь или не иметь отношение к регуляции симбиотической эффективности. Как недавно показано, ген rirA у S. fredii Hh203 вовлечен не только в метаболизм железа, но и непосредственно влияет на симбиотическую эффективность, тогда как для S. meliloti такого не установлено (60). Описанные выше различия между рассматриваемыми видами по генам, вовлеченным в контроль симбиотической эффективности, указывают прежде всего на крайнюю ограниченность наших знаний об этом процессе. Заметим, что природные штаммы, как сообщалось (47, 61), могут не иметь тех или иных генов или же несут аллели генов интереса, в которых произошли функционально значимые структурные изменения. По-видимому, анализ природного полиморфизма аллелей уже выявленных генов-кандидатов — это один из подходов к изучению регуляции симбиотической эффективности у ризобий.

Группа генов, вовлеченных в контроль фитнеса бактерий. Под фитнесом понимают способность микроорганизмов занимать различные экологические ниши, причем среди последних рассматривают и формирование мутуалистической формы симбиоза. Успешное противостояние биотическим и абиотическим факторам почвенной среды (температура, влажность, рН среды, поллютанты, осмотический стресс, в частности засоление) благоприятствует увеличению численности популяций. В то же время устойчивость бактерий, например, к высушиванию (температура, влажность, осмотический стресс) — технологический параметр, который важен при предпосевной обработке семян (62-64). Поэтому повышение устойчивости штаммов к разным абиотическим факторам имеет практическую значимость. К наиболее распространенным модельным воздействиям абиотических факторов можно отнести засушливость и засоление (64, 65).

Повышение устойчивости к высокой осмолярности достигается у бактерий в процессе аккумулирования различных ионов или соединений, среди которых K+, аминокислоты (например, глутамат), углеводы (в том числе трегалоза) или осмопротекторы (эктоин, глицин, бетаин и холин). Ризобии S. meliloti можно отнести к умеренным галотолерантнам, поскольку более 71 % их природных штаммов хорошо растут при 0,6 М NaCl (65). В настоящее время у бактерий этого вида выявлено не менее шести групп генов,участвующих в ответах на разные типы стресса, которые далее обозначены как srg (stress related genes) гены. Устойчивость к засолению предопределяется активностью bet, pro, tre, а к низким значениям рН — act, ots и hpr группами генов. Интересно, что продукты этих генов, имеющие отношение к различным метаболическим процессам, влияют и на симбиотическую активность. Например, гены синтеза бетаина S. meliloti (bet гены) участвуют в путях метаболизма углерода и азота (65). Нами ранее показано, что природные штаммы S. meliloti, у которых выявлены определенные аллели bet генов, имеют солеустойчивый фенотип (устойчивы к повышенным концентрациям соли) и достоверно чаще формируют растительно-микробные системы с повышенной симбиотической эффективностью, проявляемой в микровегетационных опытах как в норме, так и при засолении (47, 65).

Бактерии B. japonicum, наоборот, плохо растут уже при 0,05 M NaCl, то есть проявляют солечувствительность. Недавно показано, что штаммы B. japonicum с повышенной каталазной активностью способны к росту на средах с 0,15 М NaCl (66). Согласно данным транскриптомного анализа, в геноме B. japonicum выявлен 441 ген, изменявший активность при 0,05 M NaCl (53). Для 13 генов установили наибольшее повышение активности, и эти гены (за исключением rpoh3) охарактеризовали как родоспецифичные, поскольку у S. meliloti они не были ассоциированы с солеустойчивостью (53). По-видимому, чувствительность брадиризобий к осмотическому стрессу обусловлена отсутствием у них транспортных систем типа BCCT (бетаин, карнитин, холин), характерных, например, для S. meliloti (67). Экспериментально установлено, что штаммы B. japonicum, способные утилизировать трегалозу, формировали симбиоз повышенной эффективности (67). Высказано мнение, что отбор брадиризобий по генам ecfG, nepR и phyR, продукты которых вовлечены в каскадную регуляцию устойчивости к общим стрессам, а также по генам локуса bll/r1465-69, участвующего в ответе на температурный шок и действие УФ-лучей, может быть перспективным для выявления стрессоустойчивых штаммов (68, 69), а указанные гены-кандидаты могут быть использованы для создания соответствующих маркерных последовательностей.

Следует заключить, что srg гены, вовлеченные в формирование стрессоустойчивости, присутствуют в геномах не только быстрорастущих и солеустойчивых видов ризобий рода Sinorhizobium, но и медленнорастущих солечувствительных видов рода Bradyrhizobium. Активность этих генов у бактерий обоих родов сопряжена с процессами центрального метаболизма и оказывает непосредственное влияние на эффективность симбиотического растительно-микробного взаимодействия и фиксации азота. Все это доказывает, что оценка генов, вовлеченных в устойчивость к различным стрессовым факторам перспективна в практическом аспекте.

Устойчивость почвенных бактерий к неблагоприятным факторам окружающей среды также зависит от их способности синтезировать полисахариды. Это разнообразные макромолекулы, связанные или не связанные с клеточной стенкой, но имеющие широкий спектр биологических функций — от сигнальной до защитной. Полисахариды обеспечивают бактериям устойчивость к высыханию, температурным перепадам, бактериофагам, к специфичному и неспецифичному иммунитету растения-хозяина и т.д. Эти соединения могут обладать адгезивными характеристиками, которые позволяют бактериям колонизировать различные поверхности (образовывать микроколонии и/или биопленки). Таким образом, полисахариды обусловливают фитнес ризобий, позволяя им занимать практически любую экологическую нишу, в том числе колонизировать корни бобовых, а также оказывают решающее значение для преодоления бактериями абиотических стрессов (70-72).

Ризобии S. meliloti синтезируют полисахариды — капсульные полисахариды, экзополисахариды EPSI (сукциноглюкан) и EPSII (галактоглюкан), липополисахариды, а также циклические глюканы (36, 73-75). Гены, детерминирующие синтез полисахаридов (exoexplps), сосредоточены преимущественно на второй мегаплазмиде, которая не содержит гены nodniffix. Показано, что мутации по генам синтеза полисахаридов приводят к нарушению микробно-растительного взаимодействия уже на ранних этапах, в результате чего не происходит образования клубеньков (58, 67, 74, 76). Вместе с тем мутации по некоторым из указанных выше групп генов (например, exoB,exoY или lpsL)могут, наоборот, усиливать клубенькообразование (77). У быстрорастущих ризобий сои S. fredii выявлен кластер генов, сходный с таковым у S. meliloti, который детерминирует синтез полисахаридов и тоже расположен на мегаплазмиде (16). Однако штаммы S. fredii не синтезируют экзополисахарид EPSII и не связывают лектин сои. Кроме того, бактерии этого вида более чувствительны к условиям засоления, менее подвижны и лучше адгезируются на небиотических поверхностях, чем бактерии S. meliloti.

Полисахариды брадиризобий связывают лектин сои, и для них характерно накопление полисахаридов в перибактероидном пространстве клубенька; эти полисахариды могут играть важную роль для выживания бактерий, не трансформировавшихся в бактероиды и высвобождающихся из разрушающихся клубеньков в окружающую среду. У B. japonicum выявлен локус lps, включающий гены rfaD, rfaF, lpcC и galЕ (кодируют соответственно гептозоэпимеразу, гептозилтрансферазу, маннозилтрансферазу и глюкозоэпимеразу) и имеющий непосредственное отношение к процессам рецепции и клубенькообразования (78). Значительный интерес представляет ген rfaL (или waaL), продукт которого является ключевым ферментом биосинтеза клеточной стенки у брадиризобий. Показано участие продукта этого гена в формировании у ризобий устойчивости к различным видам стрессов, а также к защитным механизмам со стороны растения в процессе инокуляции (78).

Немалую роль играет способность ризобий утилизировать инозитол и его производные, которые широко распространены в экосистемах как источник углерода. Инозитол входит в состав растительной клеточной стенки, представляет собой основную форму хранения фосфора в семенах, а также может быть сигнальной молекулой (79). Производные инозитола интересны тем, что имеют терапевтический эффект при лечении диабета и болезни Альцгеймера. У сино- и брадиризобий выявлены протяженные кластеры iol генов, но наиболее хорошо изучен idhA ген у S. fredii. У S. fredii активность этого гена взаимосвязана с формированием азотфиксирующих клубеньков, а у S. meliloti — с конкурентоспособностью штаммов (79).

Среди генов, имеющих отношение в фитнесу брадиризобий, особое место занимает nosZ. Показано, что мутанты B. japonicum по гену nosZ обладают повышенной активностью N2O-редуктазы (восстанавливает N2O в N2) и сохраняют способность формировать высокоэффективный азотфиксирующий симбиоз с соей (80, 81). Применение биоудобрений под посевы сои на основе природных штаммов, несущих измененный ген nosZ, по мнению авторов, может способствовать снижению выброса оксида азота (парниковый газ) в атмосферу (82). Также высказано мнение, что аллельный полиморфизм генов hup (накопление водорода), nap (периплазматическая нитратредуктаза), nos (нитритредуктаза) может быть использован для поиска природных эффективных симбионтов сои (7, 81, 82).

Непосредственное отношение к фитнесу бактерий имеют так называемые системы кворум сенсинга (quorum sensing, QS). Они выявлены практически у всех известных видов бактерий и функционируют как глобальные факторы регуляции, которые также могут быть задействованы в координирующем взаимодействии про- и эукариот. В процессе роста популяции и по достижению ее определенной плотности происходит синхронный синтез, накопление и секреция клетками химического сигнала — соединения, получившего название ацетилированный лактон гомосерина (acylated homoserine lactones, AHLs) (83). У S. meliloti выявлено несколько систем QS, одна из которых — sinR/sinI ответственна за синтез гомосеринлактонов, регулирующих синтез EPSII. Мутанты по sin гену формировали азотфиксирующие клубеньки на корнях M. sativa в значительно меньшем количестве и существенно позднее. Система QS у S. fredii играет важную роль при формировании биопленки на корнях Glycine max. По-видимому, аналогичная система также имеется у B. japonicum, но она существенно отличается от описанных выше, а также выявленных у других видов ризобий. Показано, что при высокой плотности брадиризобий вирулентность, наоборот, снижается, что обусловлено выработкой брадиоксетина (bradyoxetin) — соединения, имеющего структурное сходство с некоторыми антибиотиками и сидерофорами (70). Для брадиризобий установлен факт подавления активности nod генов при высокой плотности клеток и наличии флавоноидов; в процессе также участвуют гены nodD2 и nolA (84), рассмотренные выше. Накопленные к настоящему времени данные свидетельствуют в пользу того, что QS системы крайне разнообразны и имеют разные механизмы регуляции, однако изучение их роли в микробно-растительных взаимоотношениях находится фактически на начальном этапе.

Подводя итог, прежде всего следует отметить, что сведения по основным группам симбиотически значимых генов клубеньковых бактерий все еще ограничены, фрагментарны и трудно сопоставимы не только для разных родов и видов, но даже для штаммов одного вида. Имеющиеся данные подтверждают тот факт, что для каждого из контрастно различающихся по генетическим и фенотипическим показателям видов клубеньковых бактерий необходим анализ видо- и штаммоспецифичных генов (последовательностей), например гена 16S рРНК и групп sym генов (гены nod, fix, eff), srg и QS), активность которых сопряжена с формированием симбиоза и способностью противостоять абиотическим стрессорам. Подтверждение стабильного наследования аллелей symsrg-QS генов, ответственных за образование высокоэффективных и стрессоустойчивых растительно-микробных симбиотических систем и/или вовлеченных в их формирование, повысит вероятность сохранения штаммом симбиотически значимых свойств в процессе хранения в лабораторных условиях, а также может быть применено для мониторинга штамма в микробиоме агроценоза. И наоборот, выявление структурных модификаций, например по паттернам сайтов рестрикции (профили ПЦР-ПДРФ; ПДРФ, полиморфизм длин рестрикционных фрагментов, RFLP, restriction fragment length polymorphism) для одного или нескольких указанных генов-кандидатов будет свидетельствовать о возможном изменении либо утрате штаммом соответствующих свойств. Сопряженный анализ последовательностей генов интереса из функционально различных групп генов, вовлеченных в формирование высокоэффективных стрессоустойчивых симбиозов, может быть использован при разработке генетических маркеров для SNP (single nucleotide polymorphism) технологии, адаптированной для гаплоидных геномов (85). Внедрение таких маркеров в современные молекулярно-генетические исследования по симбиогеномике обусловит переход к этапу направленного эффективного  конструирования высокопродуктивных азотфиксирующих растительно-микробных систем с широким адаптивным потенциалом для органического сельского хозяйства в разных географических районах России.

Итак, оценка стабильного наследования аллелей генов, ответственных за образование высокоэффективных и стрессоустойчивых симбиотических систем клубеньковых бактерий с бобовым растением-хозяином, позволит еще на стадии хранения штамма в лабораторных условиях провести экспресс-тестирование симбиотически значимых и адаптативных свойств ризобий и разработать рекомендации по сохранению их жизнеспособности и генетической стабильности в биопрепаратах и микробиомах агроценозов.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Шамсутдинов З.Ш. Селекция кормовых культур: достижения и задачи. Сельскохозяйственная биология, 2014, 6: 36-45 (doi: 10.15389/agrobiology.2014.6.36rus).
  2. Тихонович И.А., Андронов Е.Е., Борисов А.Ю., Долгих Е.А., Жернаков А.И., Жуков В.А., Проворов Н.А., Румянцева М.Л., Симаров Б.В. Принцип дополнительности геномов в расширении адаптационного потенциала растений. Генетика, 2015, 51(9): 973-990 (doi: 10.7868/S001667581509012X).
  3. Werner G.D.A., Cornwell W.K., Cornelissen J.H.C., Kiers E.T. Evolutionary signals of symbiotic persistence in the legume—rhizobia mutualism. PNAS, 2015, 112(33): 10262-10269 (doi: 10.1073/pnas.1424030112).
  4. Румянцева М.Л., Степанова Г.В., Мунтян В.С., Онищук О.П., Кожемяков А.П., Симаров Б.В. Создание симбиотической системы на основе производственных сортов Mvaria, M. lupulina и генетически охарактеризованного эффективного штамма Sinorhizobiummeliloti RCAM01775, устойчивой к неблагоприятным почвенно-климатическим факторам. В сб.: Актуальные направления селекции и использования люцерны в кормопроизводстве. М., 2014: 133-142.
  5. Dragomir N., Peţ I., Dragomir C.P.A., Toth S., Ravdan S. Enhancement of the capacity of biological nitrogen fixation in alfalfa by bacterial inoculation with Sinorhizobium meliloti strains. Romanian Journal of Grassland and Forage Crops, 2010, 1: 17-23.
  6. Mabrouk Y., Belhadj O. Enhancing the biological nitrogen fixation of leguminous crops grown under stressed environments. (Review). African Journal of Biotechnology, 2012, 11(48): 10809-10815 (doi: 10.5897/AJB10.2170).
  7. O’Callaghan M. Microbial inoculation of seed for improved crop performance: issues and opportunities. Applied Microbiology and Biotechnology, 2016, 100(13): 5729-5746 (doi: 10.1007/s00253-016-7590-9).
  8. Checcucci A., Dicenzo G.C., Bazzicalupo M., Mengoni A. Trade, diplomacy, and warfare: the quest for elite rhizobia inoculant strains. Frontiers in Microbiology, 2017, 8: 2207 (doi: 10.3389/fmicb.2017.02207).
  9. Meghvansi M.K., Prasad K., Mahna S. K. Symbiotic potential, competitiveness and compatibility of indigenous Bradyrhizobium japonicum isolates to three soybean genotypes of two distinct agro-climatic regions of Rajasthan, India. Saudi Journal of Biological Sciences, 2010, 17(4): 303-310 (doi: 10.1016/j.sjbs.2010.06.002).
  10. Умаров Б.Р. Ризобиальные бактерии рода Sinorhizobium fredii и Bradyrhizobium japonicum, вступающие в симбиоз с растениями сои. Universum: Химия и биология: электронный научный журнал, 2019, 4(58): 1. Режим доступа: http://7universum.com/ru/nature/archi-ve/item/7083. Без даты.
  11. Gibson A.H., Demezas D.H., Gault R.R., Bhuvaneswari T.V., Brockwell J. Genetic stability in rhizobia in the field. Plant and Soil, 1990, 129(1): 37-44 (doi: 10.1007/BF00011689).
  12. Аронштам А.А., Баженова О.В., Зарецкая А.Н., Кучко В.В., Новикова Н.И., Проворов Н.А., Федоров С.Н., Фокина И.Г., Чернова Т.А. Генетические методы селекции клубеньковых бактерий (методические рекомендации). Л., 1984.
  13. Denton M., Yates R., Seymour N., Herridge D. Northern, southern and western regions. Harvesting the benefits of inoculating legumes. In: Rhizobial inoculants FACT SHEET. Grains Research and Developments Corporation, January 2013. Режим доступа: http://www.coretext.com.au. Дата обращения: 26.09.2019.
  14. Sachs J.L., Ehinger M.O., Simms E.L. Origins of cheating and loss of symbiosis in wild Bradyrhizobium. Journal of Evolutionary Biology, 2010, 23: 1075-1089 (doi: 10.1111/j.1420-9101.2010.01980).
  15. Tian C.F., Zhou Y.J., Zhang Y.M., Li Q.Q., Zhang Y.Z., Li D.F., Wang S., Wang J., Gilbert L.B., Li Y.R., Chen W.X. Comparative genomics of rhizobia nodulating soybean suggests extensive recruitment of lineage-specific genes in adaptations. PNAS, 2012, 109(22): 8629-8634 (doi: 10.1073/pnas.1120436109).
  16. Lopez-Baena F.J., RuIz-Sainz J.E., Rodriguez-Carvajal M.A., Vinardell J.M. Bacterial molecular signals in the Sinorhizobium fredii-soybean symbiosis. International Journal of Molecular Sciences, 2016, 17(5): 755 (doi: 10.3390/ijms17050755). 
  17. Sachs J.L., Russell J.E., Hollowell A.C. Evolutionary instability of symbiotic function in Bradyrhizobium japonicum. PLoS ONE, 2011, 6(11): e26370 (doi: 10.1371/journal.pone.0026370).
  18. Batista J.S., Hungria M., Barcellos F.G., Ferreira M.C., Mendes I.C. Variability in Bradyrhizobium japonicum and B. elkanii seven years after introduction of both the exotic microsymbiont and the soybean host in a cerrados soil. Microbial Ecology, 2007, 53(2): 270-284 (doi: 10.1007/s00248-006-9149-2).
  19. Kaneko T., Nakamura Y., Sato S., Minamisawa K., Uchiumi T., Sasamoto S., Watanabe A., Idesawa K., Iriguchi M., Kawashima K., Kohara M., Matsumoto M., Shimpo S., Tsuruoka H., Wada T., Yamada M., Tabata S. Complete genomic sequence of nitrogen-fixing symbiotic bacterium Bradyrhizobium japonicum USDA110. DNA Research, 2002, 9(6): 189-197 (doi: 10.1093/dnares/9.6.225).
  20. Melchiorre M., de Luca M., Gonzalez A.G., Suarez P., Lopez C., Lascano R., Racca R.W. Evaluation of bradyrhizobia strains isolated from field-grown soybean plants in Argentina as improved inoculants. Biology and Fertility of Soils, 2011, 47(1): 81-89 (doi: 10.1007/s00374-010-0503-7).
  21. Gyogluu C., Jaiswal S.K., Kyei-Boahen S., Dakora F.D. Identification and distribution of microsymbionts associated with soybean nodulation in Mozambican soils. Systematic and Applied Microbiology, 2018, 41(5): 506-515 (doi: 10.1016/j. syapm.2018.05.003).
  22. Chueire L.M.O., Hungaria M. N2-fixation ability of Brazilian soybean cultivars with Sinorhizobium fredii and Sinorhizobium xinjiangensis. Plant and Soil, 1997, 196(1): 1-5 (doi: 10.1023/A:1004222218007).
  23. Hoque M.S., Broadhurst  L.M., Thrall P.H. Genetic characterization of root-nodule bacteria associated with Acacia salicina and A. stenophylla (Mimosaceae) across south-eastern Australia. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2011, 61(2): 299-309 (doi: 10.1099/ijs.0.021014-0).
  24. Marinkovic J.B., Bjelic D.D., Tintor B.B., Ignjatov M.V., Nikolic Z.T., Dukic V.H., Balesevic-Tubic S.N. Molecular identification of Bradyrhizobium japonicum strains isolated from root nodules of soybean (Glycine max L.). Zbornik Matice Srpske za Prirodne Nauke, 2017, 132: 49-56 (doi: 10.2298/ZMSPN1732049M).
  25. Румянцева М.Л., Мунтян В.С., Менгони А., Симаров Б.В. ITS-полиморфизм солеустойчивых и солечувствительных природных штаммов Sinorhizobium meliloti — симбионтов люцерны, донника и пажитника. Генетика, 2014, 50(4): 400-412 (doi: 10.7868/S0016675814040109).
  26. Tan Z., Hurek T., Vinuesa P., Muller P., Ladha J.K., Reinhold-Hurek B. Specific detection of Bradyrhizobium and Rhizobium strains colonizing rice (Oryza sativa) roots by 16S-23S ribosomal DNA intergenic spacer-targeted PCR. AppliedandEnvironmentalMicrobiology, 2001, 67(8): 3655-3664 (doi: 10.1128/AEM.67.8.3655-3664.2001).
  27. Зотов В.С., Пунина Н.В., Хапчаева С.А., Дидович С.В., Мельничук Т.Н., Топунов А.Ф. Новый таксономический маркер клубеньковых бактерий рода Rhizobium и его эволюция. Экологическая генетика, 2012, 1(2): 50-63.
  28. Cherni A.E., Perret X. Deletion of rRNA operons of Sinorhizobium fredii strain NGR234 and impact on symbiosis with legumes. Frontiers in Microbiology, 2019, 10: 154 (doi: 10.3389/fmicb.2019.00154).
  29. Guo H.J., Wang E.T., Zhang X.X., Li Q.Q., Zhang Y.M., Tian C.F., Chena W.X. Replicon-dependent differentiation of symbiosis-related genes in Sinorhizobium strains nodulating Glycine max. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 80(4): 1245-1255 (doi: 10.1128/AEM.03037-13).
  30. Kanehara К., Minamisawa К. Complete genome sequence of Bradyrhizobiumjaponicum J5, isolated from a soybean nodule in Hokkaido, Japan. Genome Announcements, 2017, 5(6): e01619-16 (doi: 10.1128/genomeA.01619-16).
  31. Itakura M., Saeki K., Omor I. H., Yokoyama T., Kaneko T., Tabata S., Ohwada T., Tajima S., Uchiumi T., Honnma K., Fujita K., Iwata H., Saeki Y., Hara Y., Ikeda S., Eda S., Mitsui H., Minamisawa K. Genomic comparison of Bradyrhizobium japonicum strains with different symbiotic nitrogen-fixing capabilities and other Bradyrhizobiaceae members. The ISME Journal, 2009, 3(3): 326-339 (doi: 10.1038/ismej.2008.88).
  32. Мунтян В.С., Черкасова М.Е., Андронов Е.Е., Симаров Б.В., Румянцева М.Л. Встречаемость островов в геномах природных штаммов Sinorhizobiummeliloti. Генетика, 2016, 52(10): 1126-1133 (doi: 10.7868/S0016675816080105).
  33. Sullivan J.T., Patrick H.N., Lowther W.L., Scott D.B., Ronson C.W. Nodulating strains of Rhizobiumloti arise through chromosomal symbiotic gene transfer in the environment. PNAS, 1995, 92(19): 8985-8989 (doi: 10.1073/pnas.92.19.8985).
  34. Barcellos F.G., Menna P., da Silva Batista J. S., Hungria M. Evidence of horizontal transfer of symbiotic genes from a Bradyrhizobiumjaponicum inoculant strain to indigenous diazotrophs Sinorhizobium (Ensifer) frediiand Bradyrhizobiumelkanii in a Brazilian Savannah soil. AppliedandEnvironmentalMicrobiology, 2007, 73(8): 2635-2643 (doi: 10.1128/AEM.01823-06).
  35. Kobayashi H., Broughton W.J. Fine-tuning of symbiotic genes in rhizobia: flavonoid signal transduction cascade. In: Nitrogen-fixing leguminous symbioses. Nitrogen fixation: origins, applications, and research progress, vol. 7 /M.J. Dilworth, E.K. James, J.I. Sprent, W.E. Newton (eds.). Springer, Dordrecht, 2008: 117-152 (doi: 10.1007/978-1-4020-3548-7_5).
  36. Barnett M.J., Long S.R. The Sinorhizobium meliloti SyrM regulon: effects on global gene expression are mediated by syrA and nodD3. Journal of Bacteriology, 2015, 197: 1792-1806 (doi: 10.1128/JB.02626-14).
  37. Roche P., Maillet F., Plazanet C., Debelle F., Ferro M., Truchet G., Prome J.-C., Denarie J. The common nodABC genes of Rhizobium meliloti are host-range determinants. PNAS, 1996, 93(26): 15305-15310 (doi: 10.1073/pnas.93.26.15305).
  38. Capela D., Carrere S., Batut J. Transcriptome-based identification of the Sinorhizobium meliloti NodD1 regulon. Applied and Environmental Microbiology, 2005, 71(8): 4910-4913 (doi: 10.1128/AEM.71.8.4910-4913.2005).
  39. Shamseldin A. The role of different genes involved in symbiotic nitrogen fixation (review). Global Journal of Biotechnology and Biochemistry, 2013, 8(4): 84-94 (doi: 10.5829/idosi.gjbb.2013.8.4.82103).
  40. Loh J., Stacey G. Nodulation gene regulation in Bradyrhizobium japonicum: a unique integration of global regulatory circuits. Applied and Environmental Microbiology, 2003, 69(1): 10-17 (doi: 10.1128/AEM.69.1.10-17.2003).
  41. Pessi G., Ahrens C.H., Rehrauer H., Lindemann A., Hauser F., Fischer H-M., Hennecke H. Genome-wide transcript analysis of Bradyrhizobium japonicum bacteroids in soybean root nodules. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2007, 20(11): 1353-1363 (doi: 10.1094/MPMI-20-11-1353).
  42. Krause A., Doerfel A., Gottfert M. Mutational and transcriptional analysis of the type III secretion  system of Bradyrhizobium japonicum, Molecular Plant-Microbe Interactions, 2002, 15(12): 1228-1235 (doi: 10.1094/MPMI.2002.15.12.1228).
  43. Jimenez-Guerrero I., Perez-Montano F., Medina C., Ollero F.J., Lopez-Baena F.J. NopC is a rhizobium-specific type 3 secretion system effector secreted by Sinorhizobium (Ensifer) fredii Hh203. PLoS ONE, 2015, 10(11): e0142866 (doi: 10.1371/journal.pone.0142866).
  44. Zhao R., Liu X.L., Zhang Y.Z., Jiao J., Cui W.J., Zhang B., Wang X.L., Li M.L., Chen Y., Xiong Z.O., Chen W.X., Tian C.F. Adaptive evolution of rhizobial symbiotic compatibility mediated by co-evolved insertion sequences. The ISME Journal, 2018, 12(1): 101-111 (doi: 10.1038/ismej.2017.136).
  45. Torres T.G., Del Papa M.F., Soria-Diaz M.E., Draghi W., Lozano M., Giusti M.L., Manyani H., Megias M., Serrano G.A., Puhler A., Niehaus K., Lagares A., Pistorio M. The nodulation of alfalfa by the acid-tolerant Rhizobium sp. strain LPU83 does not require sulfated forms of lipochitooligosaccharide nodulation signals. Journal of Bacteriology, 2011, 193(1): 30-39 (doi: 10.1128/JB.01009-10 2011).
  46. Lopez-Baena F.J., Ruiz-Sainz J.E., Rodriguez-Carvajal M.A., Vinardell J.M. Bacterial molecular signals in the Sinorhizobium fredii-soybean symbiosis. International Journal of Molecular Sciences, 2016, 17(5): E755 (doi: 10.3390/ijms17050755).
  47. Vinardell J.M., Acosta-Jurado S., Zehner S., Gottfert M., Becker A., Baena I., Blom J., Crespo-Rivas J.C., Goesmann A., Jaenicke S., Krol E., Mcintosh M., Margaret I., Perez-Montano F., Schneiker-Bekel S., Serrania J., Szczepanowski R., Buendia A.M., Lloret J., Bonilla I., Puhler A., Ruiz-Sainz J.-E., Weidner S. The Sinorhizobium fredii Hh203 genome: a comparative analysis with S. fredii strains differing in their symbiotic behavior with soybean. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2015, 28(7): 811-824 (doi: 10.1094/MPMI-12-14-0397-FI).
  48. Румянцева М.Л., Саксаганская А.С., Мунтян В.С., Черкасова М.Е., Симаров Б.В. Структурный полиморфизм генов вирулентности и солеустойчивости Sinorhizobium meliloti. Генетика, 2018, 54(5): 524-534 (doi: 10.7868/S001667581805003X).
  49. Саксаганская А.С., Мунтян В.С., Румянцева М.Л. Анализ структурного разнообразия nod генов в субпопуляциях Sinorhizobium meliloti — симбионтов люцерны. Мат. Межд. науч. конф. PLAMIC2018 «Растения и микроорганизмы: биотехнология будущего». Уфа, 2018: 222.
  50. Debelle F., Moulin  L., Mangin B, Denarie J., Boivin C. Nod genes and Nod signals and the evolution of the Rhizobium legume symbiosis. Acta Biochimica Polonica, 2001, 48(2): 359-365.
  51. Klipp W. Historical perspective — development of nif genetics and regulation in Klebsiella pneumonia. In: Genetics and regulation of nitrogen fixation in free-living bacteria /W. Klipp, B. Masepohl, O.R. Gallon, W.E. Newton (eds.). Kluwer Academic Publishers, the Netherlands, 2005: 1-25 (doi: 10.1007/1-4020-2179-8).
  52. Баймиев Ан. Х., Иванова Е.С., Гуменко Р.С., Чубукова О.В., Баймиев Ал.Х. Анализ симбиотических генов клубеньковых бактерий бобовых растений Южного Урала. Генетика, 2015, 51(12): 1359-1367 (doi: 10.7868/S001667581511003X).
  53. Chang W.S., Franck W.L., Cytryn E., Jeong S., Joshi T., Emerich D.W., Sadowsky M.J., Xu D., Stacey G. An oligonucleotide microarray resource for transcriptional profiling of Bradyrhizobium japonicum. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2007, 20(10): 1298-1307 (doi: 10.1094/MPMI-20-10-1298).
  54. Becker A., Berges H., Krol E., Bruand C., Ruberg S., Capela D., Lauber E., Meilhoc E., Ampe F., de Bruijn F.J., Fourment J., Francez-Charlot A., Kahn D., Kuster H., Liebe C., Puhler A., Weidner S., Batut J. Global changes in gene expression in Sinorhizobium meliloti 1021 under microoxic and symbiotic conditions. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2004, 17(3): 292-303 (doi: 10.1094/MPMI.2004.17.3.292).
  55. Bueno E., Richardson D.J., Bedmar E.J., Delgado M.J. Expression of Bradyrhizobium japonicum cbb3 terminal oxidase under denitrifying conditions is subjected to redox control. FEMS Microbiology Letters, 2009, 298(1): 20-28 (doi: 10.1111/j.1574-6968.2009.01711.x).
  56. Galperin M.Y., Makarova K.S., Wolf Y.I., Koonin E.V. Expanded microbial genome coverage and improved protein family annotation in the COG database. Nucleic Acids Research, 2015, 43: D261-269 (doi: 10.1093/nar/gku1223).
  57. Онищук О.П., Чижевская Е.П., Курчак О.Н., Андронов Е.Е., Симаров Б.В. Идентификация новых генов клубеньковых бактерий Sinorhizobium meliloti, вовлеченных в контроль эффективности симбиоза с люцерной Medicago sativa. Экологическая генетика, 2014, 12(1): 39-47.
  58. Онищук О.П., Шарыпова Л.А., Курчак О. Н., Беккер А., Симаров Б.В. Выявление генов Sinorhizobium meliloti, влияющих на синтез поверхностных полисахаридов и конкурентоспособность. Генетика, 2005, 41(12): 1617-1623.
  59. Yurgel S.N., Sharypova L.A., Simarov B.V., Soberon M., Miranda J., Morera C. Isolation of Sinorhizobium meliloti Tn5 mutants with altered cytochrome terminal oxidase expression and improved symbiotic performance. FEMS Microbiology Letters, 1998, 165(1): 167-173 (doi: 10.1111/j.1574-6968.1998.tb13142.x).
  60. Crespo-Rivas J.C., Navarro-Gomez P., Alias-Villegas C., Shi J., Zhen T., Niu Y., Cuellar V., Moreno J., Cubo T., Vinardell J.M., Ruiz-Sainz J.E., Acosta-Jurado S., Soto M.J. Sinorhizobium fredii Hh203 RirA is required for oxidative stress resistance and efficient symbiosis with soybean. International Journal of Molecular Sciences, 2019, 20(787): 1-16 (doi: 10.3390/ijms20030787).
  61. Онищук О.П., Курчак О.Н., Чижевская Е.П., Проворов Н.А., Симаров Б.В. Популяционный полиморфизм клубеньковых бактерий люцерны (Sinorhizobiummeliloti) по генам симбиотической эффективности и конкурентоспособности. Сельскохозяйственнаябиология, 2015, 50(3): 339-344 (doi: 10.15389/agrobiology.2015.3.339rus).
  62. Deaker R., Roughley R.J., Kennedy I.R. Legume seed inoculation technology — a review. Soil Biology and Biochemistry, 2004: 36(8): 1275-1288 (doi: 10.1016/j.soilbio.2004.04.009).
  63. Buntic A.V., Stajkovic-Srbinovic O.S., Knezevic M.M., Kuzmanovic D.Z., Rasulic N.V., Delic D.I. Development of liquid rhizobial inoculants and pre-inoculation of alfalfa seeds. Archives of Biological Sciences, 2018, 71 (doi: 10.2298/ABS181008062B).
  64. Vriezen J.A., de Bruijn F.J., Nüsslein K. Responses of rhizobia to desiccation in relation to osmotic stress, oxygen, and temperature. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(11): 3451-3459 (doi: 10.1128/AEM.02991-06).
  65. Румянцева М.Л., Мунтян В.С. Клубеньковые бактерии Sinorhizobium meliloti: солеустойчивость и ее генетическая детерминированность. Микробиология, 2015, 84(3): 263-278 (doi: 10.7868/S0026365615030179).
  66. Якименко М.В., Бегун С.А., Сорокина А.И. Сравнительная оценка каталазной активности и устойчивости к неблагоприятным факторам среды штаммов клубеньковых бактерий Bradyrhizobium japonicum и Sinorhizobium fredii селекции ВНИИ сои. ВестникДВОРАН, 2019, 3: 36-41 (doi: 10.25808/08697698.2019.205.3.006).
  67. Brechenmacher L., Lei Z., Libault M., Findley S., Sugawara M., Sadowsky M.J., Sumner L.W., Stacey G. Soybean metabolites regulated in root hairs in response to the symbiotic bacterium Bradyrhizobium japonicum. Plant Physiology, 2010, 153(4): 1808-1822 (doi: 10.1104/pp.110.157800).
  68. Gourion B., Sulser S., Frunzke J., Francez-Charlot A., Stiefel  P., Pessi G., Vorholt J.A., Fischer H.M. The PhyR-EcfG signalling cascade is involved in stress response and symbiotic efficiency in Bradyrhizobium japonicum. Molecular Microbiology, 2009, 73(2): 291-305 (doi: 10.1111/j.1365-2958.2009.06769.x).
  69. Masloboeva N. Role of ECF factors in stress response of Bradyrhizobium japonicum. DISS. ETH No. 20849 (doi: 10.3929/ethz-a-007606640).
  70. Gonzalez J.E., Marketon M.M. Quorum sensing in nitrogen-fixing rhizobia. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2003, 67(4): 574-592 (doi: 10.1128/MMBR.67.4.574-592.2003).
  71. Perez-Montanо F., Jimenez-Guerrero I., Sanchez-Matamoros R.C., Perez-Montanо F., Jimenez-Guerrero I., Rodriguez-Carvajal M.A., Bellogin R.A., Espuny M. R. Rice and bean AHL-mimic quorum-sensing signals specifically interfere with the capacity to form biofilms by plant-associated bacteria. Research in Microbiology, 2013, 164(7): 749-760 (doi: 10.1016/j.resmic.2013.04.001).
  72. Perez-Montanо F., Jimenez-Guerrero I., Del Cerro P., Baena-Ropero I., Lopez-Baena I.J., Ollero F.J., Belloin R., Lloret J., Espuny R. The symbiotic biofilm of Sinorhizobium fredii SMh22, necessary for successful colonization and symbiosis of Glycine max cv Osumi, is regulated by quorum sensing systems and inducing flavonoids via NodD1. PLoS ONE, 2014, 9(8): e105901 (doi: 10.1371/journal.pone.0105901).
  73. Limoli D.H., Jones C.J., Wozniak D.J. Bacterial extracellular polysaccharides in biofilm formation and function. Microbiology Spectrum, 2015, 3(3): MB-0011-2014 (doi: 10.1128/microbiolspec.MB-0011-2014).
  74. Bazaka K., Crawford R.J., Nazarenko E.L., Ivanova E.P. Bacterial extracellular polysaccharides. In: Bacterial adhesion. Advances in experimental medicine and biology, vol. 715 /D. Linke, A. Goldman (eds.). Springer, Dordrecht, 2011: 213-226 (doi: 10.1007/978-94-007-0940-9_13).
  75. Mendis H.C., Madzima T.F., Queiroux C., Jones K.M. Function of succinoglycan polysaccharide in Sinorhizobium meliloti host plant invasion depends on succinylation, not molecular weight. mBio, 2016 7(3): e00606-16 (doi: 10.1128/mBio.00606-16).
  76. Janczarek M. Environmental signals and regulatory pathways that influence exopolysaccharide production in rhizobia. International Journal of Molecular Sciences, 2011, 12(11): 7898-7933 (doi: 10.3390/ijms12117898).
  77. Marczak M., Mazur A., Koper P., Żebrack I.K., Skorupska A. Synthesis of rhizobial exopolysaccharides and their importance for symbiosis with legume plants. Genes, 2017, 8(12): E360 (doi: 10.3390/genes8120360).
  78. Noh J.G., Jeon H.E., So J.S., Chang W.S. Effects of the Bradyrhizobium japonicum waaL (rfaL) gene on hydrophobicity, motility, stress tolerance, and symbiotic relationship with soybeans. International Journal of Molecular Sciences, 2015, 16(8): 16778-16791 (doi: 10.3390/ijms160816778).
  79. Yoshida K., Kim W.-S., Kinehara M., Mukai R., Ashida H., Ikeda H., Fujita Y., Krishnan H.B. Identification of a functional 2-keto-myo-inositol dehydratase gene of Sinorhizobium fredii USDA191 required for myo-inositol utilization. Bioscience, Biotechnology and Biochemistry, 2006, 70(12): 2957-2964 (doi: 10.1271/bbb.60362).
  80. Sanchez С., Itakura M., Mitsui H., Minamisawa K. Linked expressions of nap and nos genes in a Bradyrhizobium japonicum mutant with increased N2O reductase activity. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(13): 4178-4180 (doi: 10.1128/AEM.00703-13).
  81. Bueno E., Mesa S., Sanchez C., Bedmar E.J., Delgado M.J. NifA is required for maximal expression of denitrification genes in Bradyrhizobium japonicum. Environmental Microbiology, 2010, 12(2): 393-400 (doi: 10.1111/j.1462-2920.2009.02076.x).
  82. Itakura M., Tabata K., Eda S., Mitsui H., Murakami K., Yasuda J., Minamisawa K. Generation of Bradyrhizobium japonicum mutants with increased N2O reductase activity by selection after introduction of a mutated dnaQ gene. Applied and Environmental Microbiology, 2008, 74(23): 7258-7264 (doi: 10.1128/AEM.01850-08).
  83. Хмель И.А., Белик А.С., Зайцева Ю.В., Данилова Н.Н. Quorum sensing и коммуникация бактерий. Вестник Московского университета. Серия 16: Биология, 2008, 1: 28-35.
  84. Bogino P.C., Nievas F.L., Giordano W. A review: quorum sensing in Bradyrhizobium. Applied Soil Ecology, 2015, 94: 49-58 (doi: 10.1016/j.apsoil.2015.04.016).
  85. Beerenwinkel N., Gunthard H.F., Roth V., Metzner K.J. Challenging and opportunities in estimating viral genetic diversity from next generating sequencing data. Frontiers in Microbiology, 2012, 3: 329 (doi: 10.3389/fmicb.2012.00329).

 

ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии,
196608 Россия, г. Санкт-Петербург—Пушкин, ш. Подбельского, 3,
e-mail: [email protected]

Поступила в редакцию
31 июля 2019 года

Международный научный центр «Биотехнологии третьего тысячелетия»

Взаимоотношения микроорганизмов и растений представляют фундаментальную научную проблему. Это связано с тем, что диапазон этих взаимоотношений очень широк — от патогенеза до симбиоза. Особый интерес вызывает механизм взаимодействия микроорганизмов и растений. Исследования последних десятилетий показали, что у клубеньковых бактерий, а также у фитопатогенных микроорганизмов, существует сложный, многостадийный процесс взаимодействия с растениями, заканчивающийся в первом случае образованием клубеньков на корнях бобового растения, где локализуются клубеньковые бактерии и происходит процесс фиксации молекулярного азота, а во втором случае заканчивающийся возникновением очага инфекции и заболевания растения. Ранее считалось, что внутренние ткани растений практически стерильны и могут быть заселены только фитопатогенными микроорганизмами, при поражении ими растения. Однако, в дальнейших исследованиях было обнаружено, что внутри корней и стеблей растений имеется большое число разнообразных микроорганизмов из родов Bacillus, Pseudomonas, Klebsiella, Enterobacter. Они получили название эндофитных бактерий, то есть бактерий, живущих во внутренних тканях растений без нанесения ему вреда. Дальнейшие исследования показали специфичность взаимодействия эндофитных бактерий с различными растениями.  Поэтому использование эндофитных бактерий для создания микробиологических препаратов позволит наиболее полно реализовать биотехнологический потенциал как растений, так и микроорганизмов. Заявленное направление исследований является новым для России, и разрабатывается в ряде промышленно развитых стран ЕС и США (“Molecular Microbial Ecology of the Rhizosphere”; F. J. De Bruijn [Ed]; Wiley/Blackwell;1328 p.).Полученные результаты исследований международной лаборатории будут опубликованы в ведущих международных и российских периодических изданиях и включены в специализированные курсы для студентов и аспирантов.

Роль клубеньковых бактерий

Особенности мотыльковых растении давно уже привлекали исследователей. Русский ученый М. С. Воронин в 1866 г. пер­вый заметил, что клубеньки, имеющиеся на корнях бобовых растений, со­держат микроорганизмы. Способность бобовых растений фиксировать ат­мосферный азот была доказана опытами Гельригеля и Вильфарта в 1886 г.

Им удалось показать, что бобовые расте­ния, посеянные в прогретый песок, в кото­ром убиты все бактерии, не образуют в этом случае клубеньков и не фиксируют атмосферный азот, а растут лишь при на­личии его в связанном состоянии в пес­ке. При наличии клубеньков бобовые ра­стения прекрасно развиваются без свя­занных форм азота в субстрате. Из этих опытов выяснилась роль клубеньковых бактерий, фиксирующих азот из воздуха в симбиозе с бобовыми растениями. Впо­следствии эти бактерии были выделены и названы Bacterium radicicola (позже переименованы в Rhizobium). Оказа­лось, однако, что, прекрасно развиваясь на питательных средах, они не фиксиру­ют при этом атмосферного азота. Усвое­ние азота воздуха идет беспрепятственно только в симбиозе с бобовыми растениями.

Клубеньковая бактерия имеет характерный цикл развития. В молодом возрасте клубеньковые бактерии имеют вид маленьких палочек. Затем у них появляются как бы пояски, которые на препаратах не окрашиваются. В это время они могут ветвиться и раздуваться. Потом опоясанные клетки превращаются в шарообразные формы (кокки). Сначала эти кокки непо­движны, а затем у них появляются жгутики. Далее кокки вытягиваются и превращаются в неопоясанные палочки, которые теряют жгутики и прев­ращаются в неподвижные.

Роль бобовых растений в севооборо­тах, в частности, сводится к накоплению азота в почве. Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями бобовые накапливают значительное количество органического азота в своей корневой системе. Азот этот, после отмирания бобового расте­ния, разлагается гнилостными бактериями с образованием аммиака, кото­рый может уже использоваться зеленым растением, идущим в севообороте после бобовых культур. Особенное значение имеет посев таких культур, как кормовые бобы, горох и т. д.

Знакомство с азотфиксирующими бактериями рода Rhizobium

Описание

Проект включает в себя следующие этапы работы:

1. Выращивание бобов садовых (русских) из семян.

2. Выявление  клубеньков на корнях бобов и их изучение на продольном и поперечном срезах под бинокулярным микроскопом.

3. Приготовление питательной среды из мясо-пептонного агара (МПА) и выращивание микробиоты клубеньков.

4. Выделение чистых культур бактерий.

5. Окраска бактериальных клеток по методу Грама.

6. Изучение микропрепаратов под бинокулярным микроскопом.

Цель

Изучить азотфиксирующие бактерии рода Rhizobium, обитающие в клубеньках на корнях растения «боб садовый», иначе называемого «боб русский» (Vicia faba).

Результат

1. Корневая система бобов садовых – стержневая. Клубеньки образуются на главном и боковых корнях, когда они имеют еще первичную структуру. В период функционирования клубеньки плотные, имеют беловатую окраску.

2. Клубеньки бобовых растений состоят из клубеньковой коры, клубеньковой меристемы, бактериоидной зоны, сосудистой системы, через которую идет связь с корнем растения.

3. Исследование  микробиоты корневых клубеньков бобов садовых показало:

  • азотфиксирующие бактерии рода Rhizobium (быстрорастущие) формируются на питательной среде (агар + минеральная основа) колонии на 3-ий день;
  • колонии клубеньковых бактерий имеют цвет топленого молока: полупрозрачные, слизистые, умеренно выпуклые;
  • выделенные из клубеньков азотфиксирующие бактерии рода Rhizobium являются палочковидными грамотрицательными, что говорит о наличии в их клетках дополнительной мембраны.

Оснащение и оборудование, использованное в работе:

  1. Порошковый мясо-пептонный агар (МПА),
  2. вода,
  3. колбы,
  4. спиртовка,
  5. стерильные микробиологическиепетли,
  6. чашки Петри,
  7. набор красителей по Граму (раствор генциана фиолетового, раствор Люголя, раствор фуксина),
  8. медицинские маски,
  9. микроволновая печь,
  10. лабораторные весы,
  11. термостат,
  12. бинокулярный микроскоп,
  13. нетбук,
  14. цифровая фотокамера,
  15. предметные и покровные стекла,
  16. иммерсионное масло,
  17. дезинфицирующее средство,
  18. семена бобов садовых,
  19. почва.

Награды/достижения

  1. Победитель научно-практической конференции проектно-исследовательских работ обучающихся «Student’s Project».
  2. Диплом II степени в Московском городском конкурсе научно-исследовательских работ обучающихся (межрайонный этап).
  3. Призер XV Городской научно-практической конференции школьников «Исследуем и проектируем».

Перспективы исследования

Экспериментальным путем выяснить, как влияют на симбиотические взаимоотношения азотфиксирующих бактерий рода Rhizobium с бобовыми растениями:

  • внесение в почву азотных минеральных удобрений;
  • внесение в почву калийных удобрений, которые, как известно, стимулируют образование клубеньков;
  • кислая среда (рН < 7)почвы.

Особое мнение

«Работа носит комплексный характер исследования. Нами были использованы разные агротехнические методы: выращивание растений, приготовление микробиологических гистологических срезов корневых клубеньков с последующим изучением под бинокулярным микроскопом, выращивание колоний бактерий на питательной среде в стерильных условиях, приготовление микропрепаратов бактерий и определение (окрашивание) их по методу Грама»

16.5G: Симбиоз клубеньков бобовых и корневых

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Ключевые моменты
  2. Ключевые термины
  3. Бобовые и их азотфиксирующие бактерии

Бобовые культуры находятся в симбиотических отношениях с бактериями, называемыми ризобиями, которые производят аммиак из атмосферного азота и помогают растениям.

Задачи обучения

  • Оценить симбиоз бобовых и азотфиксирующих бактерий

Ключевые моменты

  • Ризобии обычно живут в почве, но при ограниченном почвенном азоте бобовые выделяют флавоноиды, которые сигнализируют ризобиям о том, что растение ищет симбиотические бактерии.
  • При воздействии флавоноидов Rhizobia выделяет фактор клубеньков , который стимулирует растение к образованию деформированных корневых волосков.Затем ризобии образуют «инфекционную нить», которая позволяет им проникать в клетки корня через корневые волоски.
  • Как только ризобии попадают в клетки корня, клетки корня быстро делятся, образуя узелок.
  • Ризобии производят аммиак из азота в воздухе, который используется растениями для создания аминокислот и нуклеотидов. Растение обеспечивает бактерии сахаром.

Ключевые термины

  • Фактор нодуляции : сигнальные молекулы, вырабатываемые бактериями, известными как ризобии, во время образования клубеньков на корне бобовых.Симбиоз образуется, когда бобовые растения поглощают бактерии.

Бобовые и их азотфиксирующие бактерии

У многих бобовых есть корневые клубеньки, которые являются домом для симбиотических азотфиксирующих бактерий, называемых ризобиями . Это соотношение особенно характерно для условий с ограниченным содержанием азота. Ризобии превращают газообразный азот из атмосферы в аммиак, который затем используется для образования аминокислот и нуклеотидов.

Рисунок: Корневые узелки : Корневые узелки образуются, когда азотфиксирующие бактерии, называемые ризобиями, проникают в клетки растения-хозяина.

Ризобии обычно живут в почве и могут существовать без растения-хозяина. Однако, когда бобовые растения сталкиваются с условиями с низким содержанием азота и хотят установить симбиотические отношения с ризобиями, они выделяют флавиноиды в почву. Ризобии реагируют высвобождением фактора клубеньков (иногда называемого просто , фактор узла ), который стимулирует образование клубеньков в корнях растений. Воздействие нод-фактора вызывает образование деформированных корневых волосков, которые позволяют ризобиям проникать в растение. Затем ризобии образуют инфекционную нить, которая представляет собой межклеточную трубку, проникающую в клетки растения-хозяина, а затем бактерии проникают в клетки растения-хозяина через деформированные корневые волоски. Ризобии также могут проникать в корень, вставая между трещинами между клетками корня; этот способ заражения называется трещина, вход . Бактерии проникают в клетки корня из межклеточного пространства, также используя инфекционную нить для проникновения через клеточные стенки. Инфекция вызывает быстрое деление клеток корня, образуя узелок ткани.

Отношения между бобом-хозяином и ризобиями являются симбиотическими, что приносит пользу обоим участникам. После того, как ризобии обосновались в корневом клубеньке, растение вырабатывает углеводы в форме малата и сукцината, а ризобии обеспечивают аммиак для образования аминокислот.Многие бобовые являются популярными сельскохозяйственными культурами именно потому, что для них требуется очень мало удобрений: их ризиобия фиксирует для них азот. При правильном использовании некоторые бобовые могут даже служить удобрением для более поздних культур, связывая азот в растениях, оставаясь в почве.

Рисунок: Соевые бобы : Соевые бобы — это разновидность бобовых культур, которые зависят от ризобий.

ЛИЦЕНЗИИ И АТРИБУЦИИ

CC ЛИЦЕНЗИОННЫЙ КОНТЕНТ, ПРЕДЫДУЩИЙ РАЗДЕЛ

  • Курирование и проверка. Предоставлено : Без границ.com. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ, СПЕЦИАЛЬНАЯ АТРИБУЦИЯ

  • Кишечные бактерии. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Gut_bacteria . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Мутуализм (биология). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Mutualism_(biology) . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Симбиоз. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Symbiosis . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • мутуализм. Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/mutualism . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • симбиоз. Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/symbiosis . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • комменсализм. Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/commensalism . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Жвачные животные. Источник : Википедия. Расположен по адресу : ru.Wikipedia.org/wiki/Ruminants . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Жвачные животные. Источник : Википедия. Расположен по адресу : ru.Wikipedia.org/wiki/Ruminants . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Румен. Источник : Википедия. Расположен по адресу : ru.Wikipedia.org/wiki/Rumen . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Abomasum. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en. Wikipedia.org/wiki/Abomasum . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Омасум. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Omasum . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Абомасум (PSF). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Abomasum_(PSF).png . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Гидротермальный источник. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Hydroth…al_communities . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • хемосинтез. Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/chemosynthesis . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • геотермальный. Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/geothermal . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Абомасум (PSF). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Abomasum_(PSF).png . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Плотная масса аномуранового краба Кива вокруг глубоководного гидротермального источника. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:De…ermal_vent.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Братья курильщиков нанимают. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Br…oker_hires.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Нур04512. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Nur04512.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Aliivibrio fischeri. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Aliivibrio_fischeri . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Гавайский бобтейл-кальмар. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Hawaiian_Bobtail_Squid . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Биолюминесценция. Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/BIoluminescence . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • ресничек. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/cilia . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Абомасум (PSF). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Abomasum_(PSF).png . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Плотная масса аномуранового краба Кива вокруг глубоководного гидротермального источника. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:De…ermal_vent.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Братья курильщиков нанимают. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Br…oker_hires.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Нур04512. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Nur04512.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Сколопы Euprymna (кальмар бобтейл). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Eu…ail_squid).jpg . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Расположен по адресу : www.boundless.com//biology/definition/thallus . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Колледж OpenStax, Биология.17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx. org/content/m44632/latest…ol11448/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Колледж OpenStax, Биология. 22 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…ol11448/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
  • микориза. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/mycorrhiza . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • лишайник. Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/lichen . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Абомасум (PSF). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Abomasum_(PSF).png . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Плотная масса аномуранового краба Кива вокруг глубоководного гидротермального источника. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:De…ermal_vent.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Братья курильщиков нанимают. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Br…oker_hires.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Нур04512. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Nur04512.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Сколопы Euprymna (кальмар бобтейл). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Eu…ail_squid).jpg . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Колледж OpenStax, Экология грибов. 17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…e_24_03_06.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Колледж OpenStax, Экология грибов.17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…e_24_03_03.png . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Колледж OpenStax, Экология грибов. 17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…_03_05abcf.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Плазмида. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Plasmid . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Плазмида
  • . Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/plasmid . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • пилус. Источник : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/pilus . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Абомасум (PSF). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Abomasum_(PSF).png . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Плотная масса аномуранового краба Кива вокруг глубоководного гидротермального источника. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:De…ermal_vent.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Братья курильщиков нанимают. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Br…oker_hires.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Нур04512. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Nur04512.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Сколопы Euprymna (кальмар бобтейл). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Eu…ail_squid).jpg . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Колледж OpenStax, Экология грибов.17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx. org/content/m44632/latest…e_24_03_06.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Колледж OpenStax, Экология грибов. 17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…e_24_03_03.png . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Колледж OpenStax, Экология грибов.17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…_03_05abcf.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Генная инженерия. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Genetic_engineering . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Ризобия. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Rhizobia . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Нод-фактор. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Nod_factor . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Фактор нодуляции. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Nodulation%20Factor . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Абомасум (PSF). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en. Wikipedia.org/wiki/File:Abomasum_(PSF).png . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Плотная масса аномуранового краба Кива вокруг глубоководного гидротермального источника. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Dense_mass_of_anomuran_crab_Kiwa_around_deep-sea_hydrothermal_vent.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Братья курильщиков нанимают. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Brothers_blacksmoker_hires.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Нур04512. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Nur04512.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Сколопы Euprymna (кальмар бобтейл). Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Euprymna_scolopes_(Bobtail_squid).jpg . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
  • Колледж OpenStax, Экология грибов.17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…e_24_03_06.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Колледж OpenStax, Экология грибов. 17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…e_24_03_03.png . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Колледж OpenStax, Экология грибов.17 октября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m44632/latest…_03_05abcf.jpg . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Генная инженерия. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Genetic_engineering . Лицензия : CC BY: Attribution
  • Соя.USDA. Источник : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Soybean.USDA.jpg . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права
  • Корневые узелки Medicago italica 2. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/File:Medicago_italica_root_nodules_2.JPG . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Трансферные клетки опосредуют поглощение нитратов для контроля симбиоза корневых клубеньков

  • 1.

    Ferguson, B.J. et al. Нодуляция бобовых: вечеринку контролирует хозяин. Plant Cell Environ. 42 , 41–45 (2018).

    PubMed Google Scholar

  • 2.

    Оливарес, Дж., Бедмар, Э. Дж. И Санжуан, Дж. Биологическая фиксация азота в контексте глобальных изменений. Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 26 , 486–494 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 3.

    Offler, C. E., McCurdy, D. W., Patrick, J. W. и Talbot, M. J. Переносные клетки: клетки, специализированные для специального назначения. Annu. Rev. Plant Biol. 54 , 431–454 (2003).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 4.

    Griesmann, M. et al. Филогеномика выявляет множественные потери симбиоза азотфиксирующих корневых клубеньков. Наука 361 , aat1743 (2018).

    Google Scholar

  • 5.

    Мартин, Ф. М., Уроз, С. и Баркер, Д. Г. Союзы предков: мутуалистические симбиозы растений с грибами и бактериями. Наука 356 , aad4501 (2017).

    Google Scholar

  • 6.

    Кэнфилд Д. Э., Глейзер А. Н. и Фальковски П. Г. Эволюция и будущее круговорота азота на Земле. Наука 330 , 192–196 (2010).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 7.

    Барбулова А., Рогато А., Д’Апуццо Э., Омран С. и Чиурацци М. Дифференциальные эффекты комбинированных источников азота на ранних этапах пути трансдукции, зависимого от фактора Nod, у Lotus japonicus . Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 20 , 994–1003 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 8.

    van Noorden, G.E. et al. Молекулярные сигналы, контролирующие ингибирование клубеньков нитратом в Medicago truncatula . Внутр. J. Mol. Sci. 17 , 1060 (2016).

    PubMed Central Google Scholar

  • 9.

    Nanjareddy, K. et al. Нитрат регулирует ризобиальный и микоризный симбиоз фасоли обыкновенной ( Phaseolus vulgaris L.). J. Integr. Plant Biol. 56 , 281–298 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 10.

    Нисида, Х.& Suzaki, T. Нитрат-опосредованный контроль симбиоза корневых клубеньков. Curr. Opin. Plant Biol. 44 , 129–136 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 11.

    Фред, Э. Б. и Граул, Э. Дж. Влияние растворимых азотистых солей на образование клубеньков. J. Am. Soc. Агрон. 8 , 316–328 (1916).

    CAS Google Scholar

  • 12.

    Streeter, J. & Wong, P.P. Ингибирование образования клубеньков бобовых культур и фиксация N 2 нитратами. Criti. Rev. Plant Sci. 7 , 1-23 (1988).

    CAS Google Scholar

  • 13.

    Xu, G., Fan, X. & Miller, A.J. Усвоение и эффективность использования азота растениями. Annu. Rev. Plant Biol. 63 , 153–182 (2012).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 14.

    Corratge-Faillie, C. & Lacombe, B. Субстратная (не) специфичность белков Arabidopsis NRT1 / PTR FAMILY (NPF). J. Exp. Бот. 68 , 3107–3113 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 15.

    Обри, Э., Динан, С., Вилен, Ф., Беллини, К. и Ле Хир, Р. Боковой перенос органических и неорганических растворенных веществ. Растения 8 , 20 (2019).

    CAS PubMed Central Google Scholar

  • 16.

    Hsu, P. K. & Tsay, Y. F. Два транспортера нитрата флоэмы, NRT1.11 и NRT1.12, важны для перераспределения нитрата, переносимого ксилемой, для ускорения роста растений. Plant Physiol. 163 , 844–856 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 17.

    McCurdy, D. W. & Hueros, G. Переносные клетки. Фронт. Plant Sci. 5 , 672 (2014).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 18.

    Гама Т.С., Агиар-Диас А.С. и Демарко Д. Переносят клетки в трихоматозный нектар в Adenocalymma magnificum (Bignoniaceae). Acad. Бюстгальтеры. Cienc. 88 , 527–537 (2016).

    CAS Google Scholar

  • 19.

    Sosso, D. et al. Засыпка семян домашней кукурузы и риса зависит от транспорта гексозы, опосредованного SWEET. Nat. Genet. 47 , 1489–1493 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 20.

    Bohlmann, H. & Sobczak, M. Стенка растительной клетки в местах питания цистовых нематод. Фронт. Plant Sci. 5 , 89 (2014).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 21.

    Ямаджи, Н., Сасаки, А., Ся, Дж. Х., Йокошо, К. и Ма, Дж. Ф. Переключатель на основе узлов для предпочтительного распределения марганца в рисе. Nat. Commun. 4 , 2442 (2013).

    PubMed Google Scholar

  • 22.

    Пейт, Дж. С., Ганнинг, Б. Э. С. и Бриарти, Л. Г. Ультраструктура и функционирование транспортной системы корневых клубеньков бобовых. Planta 85 , 11–34 (1969).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 23.

    Briarty, L.G. Повторяющиеся частицы, связанные с мембранами клеток-переносчиков. Planta 113 , 373–377 (1973).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 24.

    Sutter, J. U. et al. Абсцизовая кислота запускает эндоцитоз канала Arabidopsis KAT1 K + и его рециркуляцию в плазматическую мембрану. Curr. Биол. 17 , 1396–1402 (2007).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 25.

    Ван, Л., Сюэ, Ю. К., Син, Дж. Дж., Сонг, К. и Лин, Дж. Х. Изучение пространственно-временной организации мембранных белков в живом растении. Cells Ann.Rev. Plant Biol. 69 , 525–551 (2018).

    CAS Google Scholar

  • 26.

    Demir, F. et al. Arabidopsis сигнальный путь ABA, ограниченный нанодоменами, регулирует анионный канал SLAh4. Proc. Natl Acad. Sci. США 110 , 8296–8301 (2013).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 27.

    Wang, L. L. et al. Нокаут CRISPR / Cas9 генов леггемоглобина в Lotus japonicus раскрывает их синергетические роли в симбиотической азотфиксации. N. Phytol. 224 , 818–832 (2019).

    CAS Google Scholar

  • 28.

    Berger, A., Guinand, S., Boscari, A., Puppo, A. & Brouquisse, R. Medicago truncatula Phytoglobin 1.1 контролирует симбиотическую нодуляцию и фиксацию азота посредством регулирования концентрации оксида азота. Н. Фитол . (В прессе).

  • 29.

    Ott, T. et al. Симбиотические леггемоглобины имеют решающее значение для фиксации азота в корневых клубеньках бобовых, но не для общего роста и развития растений. Curr. Биол. 15 , 531–535 (2005).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 30.

    Эпплби, К. А. Леггемоглобин и дыхание ризобий. Ann. Rev. Plant Physiol. 35 , 443–478 (1984).

    CAS Google Scholar

  • 31.

    Berger, A. et al. Пути метаболизма оксида азота и действие фитоглобинов в клубеньках бобовых: недостающие звенья и направления на будущее. Среда растительных клеток . 41 , 2057–2068 (2018).

  • 32.

    Berger, A., Boscari, A., Frendo, P. & Brouquisse, R. Передача сигналов оксида азота, метаболизм и токсичность в азотфиксирующем симбиозе. J. Exp. Бот. 70 , 4505–4520 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 33.

    Матье, К., Моро, С., Френдо, П., Пуппо, А. и Дэвис, М. Дж. Прямое обнаружение радикалов в интактных клубеньках сои: присутствие комплексов оксид азота-леггемоглобин. Free Radic. Биол. Med. 24 , 1242–1249 (1998).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 34.

    Sanchez, C. et al. Производство комплексов оксида азота и нитрозиллеггемоглобина в клубеньках сои в ответ на наводнение. Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 23 , 702–711 (2010).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 35.

    Lin, J. S. et al. NIN взаимодействует с NLP, чтобы опосредовать ингибирование нодуляции нитратами в Medicago truncatula . Nat. Растения 4 , 942–952 (2018).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 36.

    Nishida, H. et al. NIN-LIKE PROTEIN опосредует индуцированный нитратами контроль симбиоза корневых клубеньков у Lotus japonicus . Nat. Commun. 9 , 499 (2018).

    PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 37.

    Li, Y. G. et al. Нарушение транспортера нитрата риса OsNPF2.2 препятствует транспорту нитратов от корня к побегам и развитию сосудов. Sci. Отчет 5 , 9635 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 38.

    Leran, S. et al. Единая номенклатура членов семейства NITRATE TRANSPORTER 1 / PEPTIDE TRANSPORTER в растениях. Trends Plant Sci. 19 , 5–9 (2014).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 39.

    Nour-Eldin, H.H. et al. Транспортеры NRT / PTR необходимы для транслокации защитных соединений глюкозинолата в семена. Природа 488 , 531–534 (2012).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 40.

    Пеллиццаро, А., Алиберт, Б., Планше, Э., Лимами, А. М. и Море-Ле Павен, М. К.Транспортеры нитратов: обзор бобовых. Planta 246 , 585–595 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 41.

    Krouk, G. et al. Регулируемый нитратами транспорт ауксина с помощью NRT1.1 определяет механизм восприятия питательных веществ растениями. Dev. Ячейка 18 , 927–937 (2010).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 42.

    Yan, L. et al. Высокоэффективное редактирование генома Arabidopsis с использованием системы CRISPR / Cas9, управляемой промотором YAO. Mol. Завод 8 , 1820–1823 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 43.

    Limpens, E. et al. РНК-интерференция в Agrobacterium rhizogenes -трансформированных корнях Arabidopsis и Medicago truncatula . J. Exp. Бот. 55 , 983–992 (2004).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 44.

    Wang, C. et al. УЗЛЫ С АКТИВИРОВАННОЙ ЗАЩИТой 1 необходим для поддержания эндосимбиоза ризобий у Medicago truncatula . N. Phytol. 212 , 176–191 (2016).

    CAS Google Scholar

  • 45.

    Zhang, X. et al. Актиновый цитоскелет хозяина направляет высвобождение ризобий и способствует аккомодации симбиосом во время клубеньков в Medicago truncatula . N. Phytol. 221 , 1049–1059 (2018).

    Google Scholar

  • 46.

    Rupp, R.A., Snider, L. & Weintraub, H. Эмбрионы Xenopus регулируют ядерную локализацию XMyoD. Genes Dev. 8 , 1311–1323 (1994).

    CAS PubMed Google Scholar

  • 47.

    Wang, W. et al. Экспрессия гена транспортера нитратов Os NRT1.1A / Os NPF6.3 обеспечивает высокий урожай и раннее созревание риса. Растительная клетка 30 , 638–651 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

  • Границы | Генетические и молекулярные механизмы, лежащие в основе симбиотической специфичности во взаимодействиях бобовых и ризобий

    Введение

    Бобово-ризобиальный симбиоз начинается с обмена сигналами между растением-хозяином и его микросимбионтом (Oldroyd, 2013).Распознавание совместимых бактерий хозяином вызывает деление кортикальных клеток с образованием зачатков корневых клубеньков и одновременно инициирует инфекционный процесс для доставки бактерий в клубеньковые клетки. Заражение большинства бобовых включает развитие инфекционных нитей, вызываемых растениями, которые инициируются в корневых волосках. Инфекционные нити, несущие делящиеся бактерии, прорастают через слой эпидермальных клеток в клетки узелков, где бактерии высвобождаются и интернализуются в процессе, подобном эндоцитозу.В клубеньковых клетках отдельные бактерии окружены мембраной растительного происхождения, образуя органеллоподобную структуру, называемую симбиосомой, внутри которой бактерии далее дифференцируются в азотфиксирующие бактероиды (Jones et al., 2007; Oldroyd et al., 2011 ).

    Развитие симбиотических узелков включает синхронную дифференцировку как узелков, так и бактериальных клеток. Клубеньки бобовых можно разделить на два основных типа: неопределенные (например, горох, клевер и Medicago ) и детерминантные (например, горох, клевер и Medicago ) и детерминантные (например. g., соя, фасоль обыкновенная и Lotus ) (Nap and Bisseling, 1990; Hirsch, 1992). Неопределенные узелки возникают в результате делений клеток внутренней коры и обладают устойчивой апикальной меристемой. Следовательно, неопределенные узелки имеют цилиндрическую форму с градиентом развития от вершины к основанию узелка, которые могут быть разделены на различные зоны узелков (Nap and Bisseling, 1990). Напротив, детерминированные узелки возникают в результате делений клеток в средней / внешней коре корня, не имеют устойчивой меристемы и имеют сферическую форму.Клеточные деления детерминированного узелка прекращаются на ранних стадиях развития, а зрелый узелок развивается за счет увеличения клеток; как таковые, инфицированные клетки развиваются более или менее синхронно со стадией связывания азота. В обоих типах клубеньков симбиотические клубеньковые клетки подвергаются эндоредупликации генома, что приводит к полиплоидизации и увеличению клеток. Параллельно развитию клубеньковых клеток происходит дифференцировка азотфиксирующих бактероидов. В зависимости от хозяина, но независимо от типа узелка, такая бактериальная дифференцировка может быть терминальной или обратимой.Терминальная дифференцировка характеризуется эндоредупликацией генома, удлинением клеток, повышенной проницаемостью мембран и потерей репродуктивной способности, в то время как при обратимой дифференцировке бактероиды сохраняют размер клеток и содержание ДНК, аналогичные свободноживущим бактериям (Kereszt et al., 2011; Oldroyd et al. ., 2011; Haag et al., 2013). По сравнению со свободноживущими бактериями бактероиды демонстрируют драматические изменения в транскриптоме, структуре клеточной поверхности и метаболической активности, так что они лучше адаптируются к внутриклеточной среде и предназначены для фиксации азота (Mergaert et al., 2006; Прелл и Пул, 2006; Haag et al., 2013).

    И бобовые, и ризобиальные бактерии филогенетически разнообразны. Ни один штамм ризобий не может образовывать симбиоз со всеми бобовыми, и наоборот. Специфичность наблюдается как на видовом, так и на генотипическом уровне (Broughton et al., 2000; Perret et al., 2000; Wang et al., 2012). Это может происходить на ранних стадиях взаимодействия, так что одни и те же штаммы бактерий могут инфицировать и клубеньками одно растение-хозяин, но не другое (Yang et al., 2010; Wang et al., 2012; Тан и др., 2016; Fan et al., 2017). Несовместимость также часто возникает на более поздних стадиях развития клубеньков, так что эффективность связывания азота значительно различается между различными комбинациями растений и бактерий (Wang et al., 2012, 2017, 2018; Yang et al., 2017). Симбиотическая специфичность возникает в результате изменения сигналов как со стороны хозяина, так и со стороны бактерий; как таковые, в процессе коадаптации развивались различные механизмы распознавания. Знание генетической и молекулярной основы симбиотической специфичности важно для разработки инструментов генетического манипулирования хозяином или бактериями с целью повышения эффективности азотфиксации.В этом обзоре мы обсудим наше текущее понимание эволюции специфичности симбиоза корневых клубеньков.

    Специфичность, опосредованная флавоноидами и распознаванием флавоноидов-NodD

    В условиях ограничения азота корни бобовых выделяют коктейль флавоноидных соединений в ризосферу, и они служат для активации экспрессии группы генов бактериальных клубеньков ( nod ), что приводит к синтезу фактора Nod, липохитоолигосахаридного сигнал, необходимый для инициации симбиотического развития у большинства бобовых (Oldroyd et al., 2011). Индукция экспрессии гена nod опосредуется активируемыми флавоноидами белками NodD, которые являются регуляторами транскрипции LysR-типа (Long, 1996). NodD активируют экспрессию гена nod посредством связывания с консервативными мотивами ДНК ( nod боксов) перед оперонами nod (Rostas et al., 1986; Fisher et al., 1988).

    Белки

    NodD из разных ризобий адаптированы к распознаванию разных флавоноидов, секретируемых разными бобовыми, и эта специфичность распознавания определяет раннюю контрольную точку симбиоза (Peck et al. , 2006). Несмотря на отсутствие прямых доказательств физического взаимодействия между двумя молекулами, было показано, что флавоноиды способны стимулировать связывание NodD с промоторами гена nod в Sinorhizobium meliloti (Peck et al., 2006). Хорошо задокументировано, что обмен между штаммами генов nodD может изменять ответ штамма-реципиента на другой набор индукторов флавоноидов и, следовательно, круг хозяев (Horváth et al., 1987; Perret et al., 2000).Например, перенос nodD1 от симбионта из широкого круга хозяев Rhizobium sp. NGR234 к штамму с ограниченным кругом хозяев Rhizobium leguminosarum , биовар trifolii ANU843 позволил штамму-реципиенту нодулировать не бобовые растения Parasponia , поскольку белок NodD1 с широким кругом хозяев способен распознавать более широкий спектр индукторов флавоноидов ( Бендер и др., 1988).

    Доказательства важности флавоноидов в определении круга хозяев в первую очередь исходят от бактериальной генетики, а гены растений менее изучены.Поскольку корни бобовых выделяют сложную смесь флавоноидных соединений, трудно точно определить, какие флавоноиды играют более важную роль, а также когда и где они производятся. Недавние исследования соевых бобов и Medicago truncatula выявили ключевые флавоноиды, необходимые для ризобиальной инфекции (обзор Liu and Murray, 2016). Эти так называемые «инфекционные флавоноиды» являются сильными индукторами генов nod , секретируются корнями, сильно накапливаются в местах инфицирования и демонстрируют повышенный биосинтез в ответ на заражение совместимыми ризобиями.Хотя лютеолин был первым идентифицированным флавоноидом, который может индуцировать экспрессию гена nod в широком спектре ризобиальных штаммов, он не является специфичным для бобовых культур, в основном продуцируется в прорастающих семенах и не обнаруживается в корневых экссудатах или клубеньках. Напротив, метоксихалкон, как было показано, является одним из сильных сигналов инфекции хозяина от Medicago и близкородственных бобовых, которые образуют неопределенные клубеньки, в то время как генистеин и даидзеин являются важными сигналами от соевых бобов, которые образуют определенные клубеньки. Часть флавоноидных соединений может также действовать как фитоалексины, усиливая специфичность симбиоза (Liu and Murray, 2016). Например, Bradyrhizobium japonicum и Mesorhizobium loti , но не симбионт Medicago S. meliloti , чувствительны к изофлавоноидному медикарпину, продуцируемому Medicago spp. (Pankhurst, Biggs, 1980; Breakspear et al., 2014) и симбионты сои B. japonicum и S.fredii устойчивы к глицеоллину при воздействии генистеина и даидзеина (Parniske et al., 1991).

    Специфичность, опосредованная восприятием узлового фактора

    Факторы Nod, продуцируемые ризобиями, являются важным сигнальным компонентом для развития симбиоза у большинства бобовых культур. Nod-факторы представляют собой липохито-олигосахариды, состоящие из четырех или пяти 1,4-связанных остатков N -ацетил-глюкозамина, которые несут жирную ацильную цепь различной длины, прикрепленную к положению C-2 невосстанавливающего конца, и различные виды -специфические химические украшения как на восстанавливающем, так и на невосстанавливающем концах (Dénarié et al., 1996). Общие гены nodABC способствуют синтезу хитинового остова, в то время как другие штаммоспецифические гены nod действуют, изменяя остов, изменяя размер и насыщенность ацильной цепи или добавляя к концевым сахарным единицам ацетил, метильная, карбамоильная, сульфурильная или гликозильная группы. Структурные вариации в факторах Nod являются ключевыми детерминантами диапазона хозяев, потому что эти факторы Nod должны распознаваться хозяином, чтобы инициировать инфекцию и клубеньков (Perret et al., 2000; D’Haeze and Holsters, 2002).

    Факторы Nod

    воспринимаются рецепторами Nod-фактора (например, NFR1 и NFR5 в Lotus japonicus ), которые представляют собой рецепторные киназы, содержащие LysM-домен (Limpens et al., 2003; Madsen et al., 2003; Radutoiu et al. ., 2003). Прямое связывание факторов Nod с внеклеточными доменами LysM рецепторного комплекса ведет к активации нижестоящих путей передачи сигналов нодуляции (Brohammer et al. , 2012). Специфичность связывания Nod-фактора широко считается критической для распознавания между предполагаемыми симбиотическими партнерами.Эта гипотеза убедительно подтверждена генетическими данными, хотя такая специфичность связывания не была продемонстрирована. Лучшими примерами являются симбиоз гороха R. leguminosarum , где бактериальные мутанты гена nod , приводящие к изменению состава или структуры фактора Nod, проявляют генотип-специфичную нодуляцию (Firmin et al., 1993; Bloemberg et al., 1995) . Это изменение диапазона хозяев соответствует аллельным вариациям в локусе Sym2 / Sym37 / PsK1 , ортологичной области NFR1 , которая содержит кластер киназ рецептора LysM (Жуков и др., 2008; Ли и др., 2011). В этом случае аллельные вариации в сочетании с дупликацией и диверсификацией генов вносят вклад в изменения симбиотической совместимости.

    Распознавание фактора Nod, по-видимому, играет более важную роль в определении диапазона хозяев на уровне видов, что лучше всего проиллюстрировано на бактериальной стороне. Однако естественные полиморфизмы рецепторов Nod-фактора, которые отвечают за специфичность клубеньков между разными бобовыми, не были хорошо изучены на генетическом уровне просто потому, что растения нельзя скрещивать.Тем не менее, перенос NFR1 и NFR5 из L. japonicus в M. truncatula позволяет клубеньку трансформантов симбионтом L. japonicus Mesorhizobium loti (Radutoiu et al., 2007).

    Специфичность, опосредованная восприятием экзополисахаридов ризобий

    В дополнение к факторам Nod, полисахариды поверхности ризобий, такие как экзополисахариды (EPS), липополисахариды (LPS) и капсульные полисахариды (KPS), также считаются важными для установления симбиотических отношений (Fraysse et al., 2003; Беккер и др., 2005; Джонс и др., 2007; Гибсон и др., 2008). Предполагается, что эти поверхностные компоненты способны подавлять защиту растений, но их активная роль в развитии бактериальной инфекции и клубеньков остается неуловимой и зависит от конкретных изученных взаимодействий.

    Было показано, что экзополисахариды необходимы для ризобиальной инфекции при множественных симбиотических взаимодействиях. Это лучше всего иллюстрируется симбиозом Sinorhizobium-Medicago , в котором сукциногликан, основной EPS, продуцируемый S.meliloti , необходим для инициации и удлинения инфекционных нитей, а повышенная продукция сукциногликана увеличивает способность к клубенькам (Leigh et al., 1985; Reinhold et al., 1994; Cheng and Walker, 1998; Jones, 2012). Однако симбиотическая роль EPS очень сложна во взаимодействии Mesorhizobium-Lotus (Kelly et al., 2013). Например, подмножество мутантов EPS M. loti R7A обнаруживает серьезные недостатки клубеньков на L. japonicus и L.corniculatus , тогда как другие мутанты образовывали эффективные клубеньки (Kelly et al., 2013). В частности, мутанты R7A, дефицитные по продукции кислого октасахарида EPS, были способны нормально клубеньковать L. japonicus , тогда как мутанты exoU , продуцирующие усеченный пентасахарид EPS, не смогли проникнуть в хозяина. Было высказано предположение, что полноразмерный EPS служит сигналом для совместимых хозяев, чтобы модулировать защитные реакции растений и допускать бактериальную инфекцию, а мутанты R7A, которые не производят EPS, могут избегать или подавлять систему наблюдения за растениями и, следовательно, сохранять способность образовывать клубеньки.Напротив, штаммы, которые продуцируют модифицированные или усеченные EPS, запускают защитные реакции растений, приводящие к блокированию инфекции (Kelly et al., 2013).

    Производство EPS является обычным явлением для ризобиальных бактерий, и состав EPS, продуцируемого различными видами, широко варьируется (Skorupska et al., 2006). В нескольких исследованиях было высказано предположение об участии структур EPS в определении инфекционной специфичности (Hotter and Scott, 1991; Kannenberg et al., 1992; Parniske et al., 1994; Kelly et al., 2013).Недавно рецептор EPS (EPR3) был идентифицирован в L. japonicus , который представляет собой локализованный на клеточной поверхности белок, содержащий три внеклеточных домена LysM и внутриклеточный киназный домен (Kawaharada et al., 2015). EPR3 связывает ризобиальные EPS структурно специфическим образом. Интересно, что экспрессия гена Epr3 зависит от передачи сигналов Nod-фактора, предполагая, что проникновение бактерий к хозяину контролируется двумя последовательными этапами опосредованного рецептором распознавания Nod-фактора и сигналов EPS (Kawaharada et al., 2015, 2017). Взаимодействие рецептор-лиганд подтверждает представление о том, что распознавание EPS играет роль в регуляции специфичности симбиоза. Однако естественные вариации в специфичности ряда хозяев, возникающие в результате специфического распознавания между рецепторами хозяина и штамм-специфическими EPS, не были продемонстрированы ни при каких бобово-ризобиальных взаимодействиях. Примечательно, что кислые ЭПС бактериальных патогенов также способствуют инфицированию, вызывающему заболевание растений (Newman et al., 1994; Yu et al., 1999; Aslam et al., 2008; Beattie, 2011).Таким образом, ризобиальные ЭПС также могут распознаваться иммунными рецепторами хозяина, чтобы вызывать защитные реакции, которые негативно регулируют развитие симбиоза.

    Специфичность, опосредованная врожденным иммунитетом хозяина

    Симбиотические и патогенные бактерии часто продуцируют сходные сигнальные молекулы, чтобы облегчить их вторжение в хозяина (Deakin and Broughton, 2009). Эти молекулы включают консервативные молекулярные структуры, ассоциированные с микробами (MAMP) и секретируемые эффекторы (D’Haeze and Holsters, 2004; Fauvart and Michiels, 2008; Deakin and Broughton, 2009; Soto et al., 2009; Дауни, 2010; Wang et al., 2012; Окадзаки и др., 2013). Хозяин развил механизмы распознавания, позволяющие различать патогены и симбионты и по-разному реагировать на них (Bozsoki et al., 2017; Zipfel and Oldroyd, 2017). Однако эта дискриминация не всегда бывает успешной; в результате специфичность распознавания часто возникает как в патогенных, так и в симбиотических взаимодействиях. При бобово-ризобиальном взаимодействии эффекторный или MAMP-запускаемый иммунитет растений, опосредованный рецепторами хозяина, также играет важную роль в регулировании диапазона ризобий-хозяев (Yang et al., 2010; Wang et al., 2012; Faruque et al., 2015; Кавахарада и др., 2015; Tang et al., 2016).

    В соевых бобах было клонировано несколько доминантных генов (например, Rj2 , Rfg1 и Rj4 ), которые ограничивают клубенькование конкретными штаммами ризобий (Yang et al., 2010; Tang et al., 2016; Fan et al. ., 2017). В этих случаях ограничение клубеньков контролируется таким же образом, как и устойчивость «ген к гену» против патогенов растений. Rj2 и Rfg1 — это аллельные гены, которые кодируют типичный белок устойчивости TIR-NBS-LRR, придающий устойчивость множеству B.japonicum и Sinorhizobium fredii (Yang et al., 2010; Fan et al., 2017). Rj4 кодирует тауматин-подобный белок, связанный с защитой, который ограничивает нодуляцию специфическими штаммами B. elkanii (Tang et al., 2016). Функция этих генов зависит от системы секреции бактерий типа III и ее секретируемых эффекторов (Krishnan et al., 2003; Okazaki et al., 2009; Yang et al., 2010; Tsukui et al., 2013; Tsurumaru et al. ., 2015; Tang et al., 2016; Yasuda et al., 2016). Эти исследования указывают на важную роль иммунитета, запускаемого эффектором, в регуляции специфичности клубеньков у соевых бобов. Как обсуждалось ранее, ризобиальные факторы Nod и поверхностные полисахариды могут играть роль в подавлении защитных реакций (Shaw and Long, 2003; D’Haeze and Holsters, 2004; Tellström et al., 2007; Jones et al., 2008; Liang et al. al., 2013; Cao et al., 2017), но эти сигнальные события, по-видимому, недостаточно сильны, чтобы избежать иммунитета, запускаемого эффектором, при несовместимых взаимодействиях.

    Многие ризобиальные бактерии используют систему секреции типа III для доставки эффекторов в клетки-хозяева, чтобы способствовать инфекции, и в определенных ситуациях доставленный эффектор (ы) требуется для независимой от Nod-фактора нодуляции, как показано на примере соевых бобов- B. elkanii симбиоз (Deakin, Broughton, 2009; Okazaki et al., 2013, 2016). С другой стороны, однако, распознавание эффекторов генами устойчивости хозяина запускает иммунные ответы, ограничивающие ризобиальную инфекцию. Гены устойчивости к клубенькам часто встречаются в естественных популяциях, что вызывает вопрос, почему хозяин эволюционирует и поддерживает такие, казалось бы, неблагоприятные аллели.Это могло произойти из-за сбалансированного отбора, поскольку одни и те же аллели могут также вносить вклад в устойчивость к болезням против патогенов, учитывая, что некоторые ризобиальные эффекторы гомологичны тем, которые секретируются бактериальными патогенами (Dai et al., 2008; Kambara et al., 2009). В качестве альтернативы, бобовые культуры могут использовать преимущества генов R , чтобы исключить клубеньки с менее эффективными азотфиксирующими штаммами и избирательно взаимодействовать со штаммами с высокой эффективностью азотфиксации, как в случае аллеля Rj4 сои.

    Одиночный доминантный локус, названный NS1 , также был идентифицирован в M. truncatula , который ограничивает нодуляцию штаммом S. meliloti Rm41 (Liu et al., 2014). В отличие от специфичности хозяина, контролируемой геном R в соевых бобах, которая зависит от системы секреции бактерий типа III, у штамма Rm41 отсутствуют гены, кодирующие такую ​​систему. Будет интересно узнать, какой ген (ы) хозяина контролирует эту специфичность и какие бактериальные сигналы задействованы.

    Специфичность фиксации азота

    Симбиотическая специфичность не ограничивается ранними стадиями распознавания; несовместимые комбинации «хозяин-штамм» могут привести к образованию узелков, нарушающих азотфиксацию (Fix-).Например, скрининг основной коллекции из образцов Medicago с использованием нескольких штаммов S. meliloti показал, что около 40% комбинаций растение-штамм продуцировали клубеньки, но не смогли зафиксировать азот (Liu et al., 2014). Фенотип Fix возник не из-за отсутствия инфекции, а вызван деградацией бактероидов после дифференциации (Yang et al., 2017; Wang et al., 2017, 2018).

    Генетический контроль хозяина специфичности азотфиксации очень сложен в симбиозе Medicago-Sinorhizobium , включая множественные сцепленные локусы со сложными эпистатическими и аллельными взаимодействиями.Используя остаточные гетерозиготные линии, идентифицированные из популяции рекомбинированных инбредных линий, Zhu и его коллеги смогли клонировать два из основных генов, а именно NFS1 и NFS2 , которые регулируют штамм-специфическую азотфиксацию в отношении S. meliloti штаммы Rm41 и A145 (Wang et al., 2017, 2018; Yang et al., 2017). NFS1 и NFS2 оба кодируют клубенько-специфические богатые цистеином (NCR) пептиды (Mergaert et al., 2003). Пептиды NFS1 и NFS2 вызывают гибель бактериальных клеток и раннее старение клубеньков аллель-специфическим и ризобиальным штаммом, и их функция зависит от генетического фона хозяина.Ранее было показано, что NCR являются позитивными регуляторами симбиотического развития, необходимыми для терминальной дифференцировки бактерий и для поддержания выживаемости бактерий в клетках клубеньков (Van de Velde et al., 2010; Wang et al., 2010; Horváth et al., 2015). ; Kim et al., 2015). Открытие NFS1 и NFS2 выявило негативную роль, которую NCR играют в регуляции симбиотической устойчивости, и показало, что NCR являются детерминантами симбиотической специфичности у M. truncatula и, возможно, также в близкородственных бобовых, которые подвергают свои симбиотические бактерии терминальной дифференцировке. .

    Геномы M. truncatula и близкородственных галегоидных бобовых содержат большое количество генов, кодирующих NCR, которые экспрессируются исключительно в инфицированных клетках клубеньков (Montiel et al., 2017). Эти гены NCR , аналогичные бактериальным эффекторам III типа или MAMP, могут играть как положительную, так и отрицательную роли в развитии симбиотиков, и обе роли связаны с антимикробными свойствами пептидов. С одной стороны, хозяин использует эту антимикробную стратегию для стимуляции терминальной дифференцировки бактериоидов с целью повышения эффективности фиксации азота (Oono and Denison, 2010; Oono et al., 2010; Ван де Велде и др., 2010; Wang et al., 2010). С другой стороны, некоторые штаммы ризобий не могут выжить при антибактериальной активности определенных изоформ пептидов. Уязвимость конкретных бактериальных штаммов в ответ на пептид зависит от генетической конституции бактерий, а также от генетического фона хозяина. Было высказано предположение, что эта адаптация штамма-хозяина стимулирует коэволюцию обоих партнеров по симбиозу, что приводит к быстрой амплификации и диверсификации генов NCR в галегоидных бобовых (Wang et al., 2017; Ян и др., 2017).

    Специфичность диапазона хозяев в способности связывать азот также была задокументирована в бобовых (например, соевых бобах), где бактерии претерпевают обратимую дифференцировку. У соевых бобов этот тип несовместимости был связан с индукцией накопления фитоалексина и гиперчувствительной реакции в клубеньковых клетках (Parniske et al., 1990). В геноме сои отсутствуют гены NCR , что подразумевает участие новых генетических механизмов, контролирующих эту специфичность.В нашей лаборатории продолжается работа по выявлению задействованных генов хозяина.

    Заключение и перспективы на будущее

    Специфичность бобово-ризобиального симбиоза является результатом набора обменов сигналами между двумя симбиотическими партнерами (суммировано на Рисунке 1). Недавние исследования только начали раскрывать лежащие в основе молекулярные механизмы, регулирующие эту специфичность, и есть много сложных вопросов, которые ждут ответа. Было показано, что иммунитет, запускаемый эффектором, является важным фактором в определении диапазона хозяев ризобий в соевых бобах, но родственные эффекторы не были четко определены.Кроме того, какие гены контролируют специфичность клубеньков во взаимодействии Medicago-Sinorhizobium , где у бактериального партнера отсутствует система секреции типа III? Клонирование и характеристика локуса NS1 в M. truncatula (Liu et al., 2014) предоставит новое понимание этого вопроса. Теперь мы знаем, что пептиды NCR регулируют специфичность азотфиксации в Medicago и, возможно, в других близкородственных бобовых, но нам не хватает механистического понимания того, как эти пептиды работают.Взаимодействуют ли про- и антисимбиотические пептиды с одними и теми же бактериальными мишенями? Как аминокислотные замены влияют на структуру и функцию пептида? Как регулируется специфичность азотфиксации в бобовых, лишенных NCR, таких как соевые бобы, где бактерии подвергаются обратимой дифференцировке? Это лишь несколько нерешенных вопросов, которые необходимо решить. Ответы на эти вопросы, безусловно, обогатят наши знания о том, как контролируется специфичность, и позволят нам использовать эти знания для разработки инструментов для генетического улучшения симбиотической азотфиксации в бобовых.

    РИСУНОК 1. Передача сигналов симбиоза и иммунитет растений, участвующих в специфичности распознавания во взаимодействиях бобово-ризобиальные (обозначены красными звездочками). (A) Процесс заражения и развития узелков. Зрелый индетерминантный узелок содержит зону меристемы (I), зону инфекции (II), межзону (IZ), зону фиксации азота (III) и зону старения (IV). (B) Хозяин секретирует флавоноиды для индукции экспрессии гена бактериальной нодуляции ( nod ) посредством активации белков NodD.Ферменты, кодируемые генами nod , приводят к синтезу факторов Nod (NF), которые распознаются рецепторами фактора Nod хозяина (NFR). Специфичность распознавания возникает как между флавоноидами и NodD, так и между NF и NFR. (C) В дополнение к передаче сигналов NF бактерии также продуцируют внеклеточные полисахариды (EPS) и эффекторы типа III для облегчения их инфицирования в совместимых взаимодействиях, но эти молекулы могут также вызывать иммунные ответы, вызывающие устойчивость к инфекции в несовместимых взаимодействиях. (D) Некоторые бобовые, такие как Medicago , кодируют пептиды, специфичные для антимикробных клубеньков, богатые цистеином (NCR), чтобы довести их бактериальных партнеров до терминальной дифференцировки, необходимой для фиксации азота. Однако некоторые штаммы ризобий не могут выжить при антибактериальной активности определенных изоформ пептидов, что приводит к образованию клубеньков, нарушающих азотфиксацию.

    Авторские взносы

    Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

    Финансирование

    Эта работа была поддержана Министерством сельского хозяйства США / Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства, сельским хозяйством и исследовательской инициативой в области пищевых продуктов, грантом 2014-67013-21573, Фондом науки и инженерии Кентукки, грантом 2615-RDE-015, и Советом по продвижению сои Кентукки.

    Заявление о конфликте интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Список литературы

    Аслам, С. Н., Ньюман, М. А., Эрбс, Г., Моррисси, К. Л., Шиншилла, Д., Боллер, Т. и др. (2008). Бактериальные полисахариды подавляют индуцированный врожденный иммунитет за счет хелатирования кальция. Curr. Биол. 18, 1078–1083. DOI: 10.1016 / j.cub.2008.06.061

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Беккер А., Фрейсс Н. и Шарыпова Л. (2005). Недавние успехи в исследованиях структуры и связанной с симбиозом функции ризобиальных К-антигенов и липополисахаридов. Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 18, 899–905. DOI: 10.1094 / MPMI-18-0899

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Бендер, Г. Л., Наюду, М., Ле Страндж, К. К., и Рольф, Б. Г. (1988). Ген nodD1 из штамма Rhizobium NGR234 является ключевым детерминантом в расширении диапазона хозяев на небобовых Parasponia . Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 1, 259–266. DOI: 10.1094 / MPMI-1-259

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Блумберг, Г. В., Камст, Э., Хартевельд, М., Дрифт, К. М., Хаверкамп, Дж., Томас-Оутс, Дж. Э. и др. (1995). Центральный домен белка NodE Rhizobium опосредует специфичность хозяина, определяя гидрофобность жирных ацильных групп факторов клубеньков. Mol. Microbiol. 16, 1123–1136. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.1995.tb02337.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Bozsoki, Z., Cheng, J., Feng, F., Gysel, K., Vinther, M., Andersen, K. R., и другие. (2017). Опосредованное рецепторами восприятие хитина в корнях бобовых культур функционально отделимо от восприятия Nod-фактора. Proc. Natl. Акад. Sci. США 114, 8118–8127. DOI: 10.1073 / pnas.17067

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Брейкспир А., Лю К., Рой С., Стейси Н., Роджерс К., Трик М. и др. (2014). «Инфектом» корневых волосков Medicago truncatula обнаруживает изменения в генах клеточного цикла и выявляет потребность в передаче сигналов ауксина при ризобиальной инфекции. Растительная клетка 26, 4680–4701. DOI: 10.1105 / tpc.114.133496

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Брогхаммер А., Крузелл Л., Блейз М., Зауэр Дж., Салливан Дж. Т., Маоланон Н. и др. (2012). Рецепторы бобовых растений воспринимают сигнальные молекулы олигосахарида липохитина ризобий путем прямого связывания. Proc. Natl. Акад. Sci. США 109, 13859–13864. DOI: 10.1073 / pnas.1205171109

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Цао, Ю., Халэйн, М.К., Гассманн, В., и Стейси, Г. (2017). Роль врожденного иммунитета растений в бобово-ризобийном симбиозе. Annu. Rev. Plant Biol. 68, 535–561. DOI: 10.1146 / annurev-arplant-042916-041030

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Cheng, H.P., and Walker, G.C. (1998). Сукциногликан необходим для инициации и удлинения инфекционных нитей во время клубеньков люцерны Rhizobium meliloti . J. Bacteriol. 180, 5183–5191.

    Google Scholar

    Дай, В. Дж., Цзэн, Ю., Се, З. П., и Стэхелин, К. (2008). Стимулирующие симбиоз и вредные эффекты NopT, нового эффектора типа 3 для Rhizobium sp. штамм NGR234. J. Bacteriol. 190, 5101–5110. DOI: 10.1128 / JB.00306-08

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Денари, Дж., Дебелле, Ф., и Промэ, Дж. К. (1996). Факторы клубеньков липохитоолигосахаридов ризобий: сигнальные молекулы, опосредующие распознавание и морфогенез. Annu. Rev. Biochem. 65, 503–535. DOI: 10.1146 / annurev.bi.65.070196.002443

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    D’Haeze, W., and Holsters, M. (2002). Структуры Nod-факторов, реакции и восприятие во время инициации развития клубеньков. Гликобиология 12,79R – 105R. DOI: 10.1093 / гликоб / 12.6.79R

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Дауни, Дж. А. (2010). Роль внеклеточных белков, полисахаридов и сигналов во взаимодействиях ризобий с корнями бобовых. FEMS Microbiol. Ред. 34, 150–170. DOI: 10.1111 / j.1574-6976.2009.00205.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Фан, Ю., Лю, Дж., Лю, С., Ван, К., Ян, С., и Чжу, Х. (2017). Ген сои Rfg1 ограничивает нодуляцию Sinorhizobium fredii USDA193. Фронт. Plant Sci. 8: 1548. DOI: 10.3389 / fpls.2017.01548

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Фарук, О.M., Miwa, H., Yasuda, M., Fujii, Y., Kaneko, T., Sato, S., et al. (2015). Идентификация генов Bradyrhizobium elkanii , участвующих в несовместимости с растениями сои, несущими аллель Rj4 . Заявл. Environ. Microbiol. 81, 6710–6717. DOI: 10.1128 / AEM.01942-15

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Фоварт, М., и Михилс, Дж. (2008). Белки, секретируемые ризобиями, как детерминанты специфичности хозяина в симбиозе ризобий и бобовых. FEMS Microbiol. Lett. 28, 1–9. DOI: 10.1111 / j.1574-6968.2008.01254.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Фирмин, Дж. Л., Уилсон, К. Э., Карлсон, Р. У., Дэвис, А. Э. и Дауни, Дж. А. (1993). Устойчивость к клубенькам сорт. Горох Афганистана преодолевается nodX , который опосредует O-ацетилирование фактора клубеньков липоолигосахарида Rhizobium leguminosarum . Mol. Microbiol. 10, 351–360. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.1993.tb01961.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Фишер, Р. Ф., Эгельхофф, Т. Т., Маллиган, Дж. Т., и Лонг, С. Р. (1988). Специфическое связывание белков из бесклеточных экстрактов Rhizobium meliloti , содержащих NodD, с последовательностями ДНК перед индуцибельными генами нодуляции. Genes Dev. 2, 282–293. DOI: 10.1101 / gad.2.3.282

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Fraysse, N., Кудерк Ф. и Пуансо В. (2003). Участие поверхностных полисахаридов в установлении симбиоза ризобий-бобовых. FEBS J. 270, 1365–1380. DOI: 10.1046 / j.1432-1033.2003.03492.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Гибсон К. Э., Кобаяши Х. и Уокер Г. С. (2008). Молекулярные детерминанты симбиотической хронической инфекции. Annu. Преподобный Жене. 42, 413–441. DOI: 10.1146 / annurev.genet.42.110807.0

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хааг, А.Ф., Арнольд, М. Ф., Мика, К. К., Кершер, Б., Далл’Анджело, С., Занда, М. и др. (2013). Молекулярное понимание развития бактериоидов во время симбиоза Rhizobium и бобовых. FEMS Microbial. Ред. 37, 364–383. DOI: 10.1111 / 1574-6976.12003

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хирш, А. М. (1992). Биология развития клубеньков бобовых. New Phytol. 122, 211–237. DOI: 10.1111 / j.1469-8137.1992.tb04227. x

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хорват, Б., Бахем, К. В., Шелл, Дж., И Кондороси, А. (1987). Специфическая для хозяина регуляция генов клубеньков в Rhizobium опосредуется растительным сигналом, взаимодействующим с продуктом гена nodD . EMBO J. 6, 841–848. DOI: 10.1002 / j.1460-2075.1987.tb04829.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Horváth, B., Domonkos, A., Kereszt, A., Szcs, A., Ábrahám, E., Ayaydin, F., et al. (2015). Потеря клубенько-специфического богатого цистеином пептида, NCR169, отменяет симбиотическую азотфиксацию у мутанта Medicago truncatula dnf7. Proc. Natl. Акад. Sci. США 112, 15232–15237. DOI: 10.1073 / pnas.1500777112

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хоттер, Г. С. и Скотт, Д. Б. (1991). Экзополисахаридные мутанты Rhizobium loti полностью эффективны в отношении определенного клубенькового хозяина, но неэффективны в отношении неопределенного клубенькового хозяина. J. Bacteriol. 173, 851–859. DOI: 10.1128 / jb.173.2.851-859.1991

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Джонс, К.М. (2012). Повышенная продукция экзополисахарида сукциногликана усиливает симбиоз Sinorhizobium meliloti 1021 с растением-хозяином Medicago truncatula . J. Bacteriol. 194, 4322–4331. DOI: 10.1128 / JB.00751-12

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Джонс, К. М., Кобаяши, Х., Дэвис, Б. У., Тага, М. Э. и Уокер, Г. С. (2007). Как ризобиальные симбионты вторгаются в растения: модель Sinorhizobium – Medicago . Nat. Rev. Microbiol. 5, 619–633. DOI: 10.1038 / nrmicro1705

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Джонс, К. М., Шаропова, Н., Лохар, Д. П., Чжан, Дж. К., Ванден-Бош, К. А., и Уокер, Г. К. (2008). Дифференциальный ответ растения Medicago truncatula на его симбионт Sinorhizobium meliloti или мутант с дефицитом экзополисахарида. Proc. Natl. Акад. Sci. США 105, 704–709. DOI: 10.1073 / pnas.07005

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Камбара, К., Ардиссоне, С., Кобаяши, Х., Саад, М. М., Шумпп, О., Бротон, У. Дж. И др. (2009). Во время симбиоза ризобии утилизируют патоген-подобные эффекторные белки. Mol. Microbiol. 71, 92–106. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.2008.06507.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Канненберг, Э. Л., Ратбун, Э. А., и Брюин, Н. Дж. (1992). Молекулярное изучение структуры и функции липополисахарида штамма Rhizobium leguminosarum 3841 с использованием моноклональных антител и генетического анализа. Mol. Microbiol. 6, 2477–2487. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.1992.tb01424.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кавахарада Ю., Келли С., Нильсен М. В., Хьюлер К. Т., Гизель К., Мушински А. и др. (2015). Опосредованное рецептором восприятие экзополисахарида контролирует бактериальную инфекцию. Природа 523, 308–312. DOI: 10.1038 / природа14611

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кавахарада, Ю., Нильсен, М. В., Келли, С., Джеймс, Э. К., Андерсен, К. Р., Расмуссен, С. Р. и др. (2017). Дифференциальная регуляция рецептора Epr3 координирует ограниченную мембраной ризобиальную колонизацию зачатков корневых клубеньков. Nat. Commun. 8: 14534. DOI: 10.1038 / ncomms14534

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Келли, С. Дж., Мушински, А., Кавахарада, Ю., Хаббер, А. М., Салливан, Дж. Т., Сандал, Н. и др. (2013). Условная потребность в экзополисахариде в симбиозе Mesorhizobium – Lotus . Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 26, 319–329. DOI: 10.1094 / MPMI-09-12-0227-R

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Kereszt, A., Mergaert, P., and Kondorosi, E. (2011). Развитие бактериоидов в клубеньках бобовых: эволюция взаимной выгоды или жертвоприношений? Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 24, 1300–1309. DOI: 10.1094 / MPMI-06-11-0152

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ким, М., Чен, Ю., Си, Дж., Уотерс, К., Чен, Р., и Ван, Д. (2015). Антимикробный пептид, необходимый для выживания бактерий в азотфиксирующем симбиозе. Proc. Natl. Акад. Sci. США 112, 15238–15243. DOI: 10.1073 / pnas.1500123112

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кришнан, Х. Б., Лорио, Дж., Ким, В. С., Цзян, Г., Ким, К. Ю., ДеБоер, М., и др. (2003). Внеклеточные белки, участвующие в клубеньке, специфичной для определенного сорта сои, связаны с пилисообразными поверхностными придатками и экспортируются системой секреции белка типа III в Sinorhizobium fredii USDA257. Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 16, 617–625. DOI: 10.1094 / MPMI.2003.16.7.617

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Leigh, J. A., Signer, E. R., and Walker, G. C. (1985). Дефицитные по экзополисахариду мутанты Rhizobium meliloti , образующие неэффективные клубеньки. Proc. Natl. Акад. Sci. США 82, 6231–6235. DOI: 10.1073 / pnas.82.18.6231

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ли, Р., Нокс, М. Р., Эдвардс, А., Хогг, Б., Эллис, Т. Н., Вей, Г. и др. (2011). Естественные вариации клубеньков гороха, специфичные для хозяина, связаны с гаплотипом киназы, подобной рецептору SYM37 LysM-типа. Mol. Взаимодействие растений и микробов. 24, 1396–1403. DOI: 10.1094 / MPMI-01-11-0004

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Liang, Y., Cao, Y., Tanaka, K., Thibivilliers, S., Wan, J., Choi, J., et al. (2013). Не бобовые животные реагируют на факторы Rhizobial Nod подавлением врожденного иммунного ответа. Science 341, 1384–1387. DOI: 10.1126 / science.1242736

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Limpens, E. , Franken, C., Smit, P., Willemse, J., Bisseling, T., and Geurts, R. (2003). Киназы рецептора домена LysM, регулирующие инфекцию, индуцированную ризобиальным фактором Nod. Science 302, 630–633. DOI: 10.1126 / science.10

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лю Дж., Ян С., Чжэн К. и Чжу Х.(2014). Идентификация доминантного гена в Medicago truncatula , который ограничивает нодуляцию штаммом Sinorhizobium meliloti Rm41. BMC Plant Biol. 14: 167. DOI: 10.1186 / 1471-2229-14-167

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Madsen, E. B., Madsen, L.H., Radutoiu, S., Olbryt, M., Rakwalska, M., Szczyglowski, K., et al. (2003). Ген рецепторной киназы типа LysM участвует в восприятии бобовыми ризобиальных сигналов. Природа 425, 637–640. DOI: 10.1038 / nature02045

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Mergaert, P., Nikovics, K., Kelemen, Z., Maunoury, N., Vaubert, D., Kondorosi, A., et al. (2003). Новое семейство в Medicago truncatula , состоящее из более чем 300 специфичных для клубеньков генов, кодирующих небольшие секретируемые полипептиды с консервативными цистеиновыми мотивами. Plant Physiol. 132, 161–173. DOI: 10.1104 / стр.102.018192

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Mergaert, P., Uchiumi, T., Alunni, B., Evanno, G., Cheron, A., Catrice, O., et al. (2006). Эукариотический контроль бактериального клеточного цикла и дифференцировки в симбиозе Rhizobium – бобовые. Proc. Natl. Акад. Sci. США 103, 5230–5235. DOI: 10.1073 / pnas.06003

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Montiel, J., Downie, J. A., Farkas, A., Bihari, P., Herczeg, R., Bálint, B., et al. (2017). Морфотип бактероидов у разных бобовых коррелирует с количеством и типом симбиотических пептидов NCR. Proc. Natl. Акад. Sci. США 114, 5041–5046. DOI: 10.1073 / pnas.1704217114

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ньюман М.А., Конрадс-Штраух Дж., Скофилд Г., Дэниэлс М. Дж. И Доу Дж. М. (1994). Индукция связанного с защитой гена в Brassica campestris в ответ на определенные мутанты Xanthomonas campestris с измененной патогенностью. Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 7, 553–563. DOI: 10.1094 / MPMI-7-0553

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Окадзаки, С., Канеко, Т., Сато, С., и Саеки, К. (2013). Перехват передачи сигналов клубеньков бобовых с помощью системы секреции ризобий III типа. Proc. Natl. Акад. Sci. США 110, 17131–17136. DOI: 10.1073 / pnas.1302360110

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Okazaki, S., Tittabutr, P., Teulet, A., Thouin, J., Fardoux, J., Chaintreuil, C., et al. (2016). Симбиоз ризобий и бобовых в отсутствие факторов Nod: два возможных сценария с T3SS или без него. ISME J. 10, 64–74. DOI: 10.1038 / ismej.2015.103

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Окадзаки, С., Зенер, С., Хемпель, Дж., Ланг, К., и Геттферт, М. (2009). Генетическая организация и функциональный анализ системы секреции типа III Bradyrhizobium elkanii . FEMS Microbiol. Lett. 295, 88–95. DOI: 10.1111 / j.1574-6968.2009.01593.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Олдройд, Г.Э. (2013). Говорите, дружите и входите: сигнальные системы, которые способствуют полезным симбиотическим ассоциациям у растений. Nat. Rev. Microbiol. 11, 252–264. DOI: 10.1038 / nrmicro2990

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Олдройд Дж. Э., Мюррей Дж. Д., Пул П. С. и Дауни Дж. А. (2011). Правила ведения бобово-ризобиального симбиоза. Annu. Преподобный Жене. 45, 119–144. DOI: 10.1146 / annurev-genet-110410-132549

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ооно, Р. , и Денисон, Р.Ф. (2010). Сравнение симбиотической эффективности между набухшими и не набухшими ризобиальными бактероидами. Plant Physiol. 154, 1541–1548. DOI: 10.1104 / стр.110.163436

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ооно Р., Шмитт И., Спрент Дж. И. и Денисон Р. Ф. (2010). Множественное эволюционное происхождение признаков бобовых, приводящее к крайней дифференциации ризобий. New Phytol. 187, 508–520. DOI: 10.1111 / j.1469-8137.2010.03261.х

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Панкхерст, К. Э., и Биггс, Д. Р. (1980). Чувствительность Rhizobium к выбранным изофлавоноидам. Кан. J. Microbiol 26, 542–545. DOI: 10.1139 / m80-092

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Парниске М., Альборн Б. и Вернер Д. (1991). Изофлавоноид-индуцируемая устойчивость ризобий сои к фитоалексину глицеоллину. J. Bacteriol. 173, 3432–3439.DOI: 10.1128 / jb.173.11.3432-3439.1991

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Парниске, М., Шмидт, П., Кош, К., и Мюллер, П. (1994). Защитные реакции растений-хозяев с детерминированными клубеньками, индуцированные EPS-дефектными мутантами exob Bradyrhizobium japonicum . Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 7, 631–638. DOI: 10.1094 / MPMI-7-0631

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Парниске, М., Циммерманн, К., Креган, П. Б., и Вернер, Д. (1990). Гиперчувствительная реакция клубеньковых клеток на симбиоз Glycine sp./ Bradyrhizobium japonicum происходит на генотип-специфическом уровне. Plant Biol. 103, 143–148. DOI: 10.1111 / j.1438-8677.1990.tb00140.x

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Пек М.С., Фишер Р.Ф. и Лонг С.Р. (2006). Различные флавоноиды стимулируют связывание NodD1 с промоторами гена nod в Sinorhizobium meliloti . J. Bacteriol. 188, 5417–5427. DOI: 10.1128 / JB.00376-06

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Radutoiu, S., Madsen, L.H., Madsen, E.B., Felle, H.H., Umehara, Y., Grønlund, M., et al. (2003). Для распознавания растениями симбиотических бактерий необходимы две киназы, подобные рецептору LysM. Природа 425, 585–592. DOI: 10.1038 / nature02039

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Радутою, С., Мадсен, Л.Х., Мадсен, Э. Б., Юркевич, А., Фукаи, Э., Квистгаард, Э. М. и др. (2007). Домены LysM обеспечивают распознавание липохитин-олигосахаридов, а гены Nfr расширяют диапазон симбиотических хозяев. EMBO J. 26, 3923–3935. DOI: 10.1038 / sj.emboj.7601826

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Рейнхольд Б. Б., Чан С. Ю., Рубер Т. Л., Марра А., Уокер Г. К. и Рейнхольд В. Н. (1994). Подробная структурная характеристика сукциногликана, главного экзополисахарида Rhizobium meliloti Rm1021. J. Bacteriol. 176, 1997–2002. DOI: 10.1128 / jb.176.7.1997-2002.1994

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ростас К., Кондороси Э., Хорват Б., Симонситс А. и Кондороси А. (1986). Сохранение протяженных промоторных областей генов клубеньков у Rhizobium . Proc. Natl. Акад. Sci. США 83, 1757–1761. DOI: 10.1073 / pnas.83.6.1757

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Шоу, С.Л. и Лонг С. Р. (2003). Подавление Nod-фактором оттока реактивного кислорода в бобовых культурах-хозяевах. Plant Physiol. 132, 2196–2204. DOI: 10.1104 / стр.103.021113

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Skorupska, A., Janczarek, M., Marczak, M., Mazur, A., and Król, J. (2006). Ризобиальные экзополисахариды: генетический контроль и симбиотические функции. Microb. Cell Fact. 5: 7. DOI: 10.1186 / 1475-2859-5-7

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сото, м. Дж., Домингес-Феррерас, А., Перес-Мендоса, Д., Санхуан, Дж., И Оливарес, Дж. (2009). Мутуализм против патогенеза: компромисс между растениями и бактериями. Cell. Microbiol. 11, 381–388. DOI: 10.1111 / j.1462-5822.2009.01282.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Тан Ф., Ян С., Лю Дж. И Чжу Х. (2016). Rj4, ген, контролирующий специфичность клубеньков в соевых бобах, кодирует тауматин-подобный белок, но не тот, о котором сообщалось ранее. Plant Physiol. 170, 26–32. DOI: 10.1104 / стр.15.01661

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Телльстрём В., Усадель Б., Тимм О., Ститт М., Кюстер Х. и Нихаус К. (2007). Липополисахарид Sinorhizobium meliloti подавляет экспрессию ассоциированных с защитой генов в культурах клеток растения-хозяина Medicago truncatula . Plant Physiol. 143, 825–837. DOI: 10.1104 / стр.106.0

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Цукуи, Т., Эда, С., Канеко, Т., Сато, С., Окадзаки, С., Какизаки-Чиба, К., и др. (2013). Система секреции типа III Bradyrhizobium japonicum USDA122 обеспечивает симбиотическую несовместимость с растениями сои Rj2. Заявл. Environ. Microbiol. 79, 1048–1051. DOI: 10.1128 / AEM.03297-12

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Цурумару, Х., Хашимото, С., Окидзаки, К., Канесаки, Ю., Йошикава, Х., Ямакава, Т. (2015). Предполагаемый эффектор системы секреции типа III, кодируемый геном MA20_12780 в Bradyrhizobium japonicum Is-34, вызывает несовместимость с соевыми бобами с генотипом Rj4. Заявл. Environ. Microbiol. 81, 5812–5819. DOI: 10.1128 / AEM.00823-15

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ван де Велде, В., Зехиров, Г., Сатмари, А., Дебречени, М., Исихара, Х., Кевей, З. и др. (2010). Пептиды растений управляют терминальной дифференцировкой бактерий в симбиозе. Science 327, 1122–1126. DOI: 10.1126 / science.1184057

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ван, Д., Гриффитс, Дж., Старкер, К., Федорова, Э., Лимпенс, Э., Иванов, С. и др. (2010). Специфический для клубеньков секреторный путь белка, необходимый для азотфиксирующего симбиоза. Science 327, 1126–1129. DOI: 10.1126 / science.1184096

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ван Д., Ян С., Тан Ф. и Чжу Х. (2012). Специфика симбиоза в бобово-ризобиальном мутуализме. Cell Microbiol. 14, 334–342. DOI: 10.1111 / j.1462-5822.2011.01736

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ван, К., Лю, Дж., Ли, Х., Янг, С., Кёрмёци, П., Керест, А. и др. (2018). Богатые цистеином пептиды, специфичные для клубеньков, негативно регулируют азотфиксирующий симбиоз штамм-специфическим образом в Medicago truncatula . Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 31, 240–248. DOI: 10.1094 / MPMI-08-17-0207-R

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Wang, Q., Yang, S., Liu, J., Terecskei, K., Ábrahám, E., Gombár, A., et al. (2017). Секретируемый хозяином антимикробный пептид усиливает симбиотическую селективность в Medicago truncatula . Proc. Natl. Акад. Sci. США 114, 6854–6859. DOI: 10.1073 / pnas.1700715114

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ян, С., Тан, Ф., Гао, М., Кришнан, Х. Б. и Чжу, Х. (2010). Специфичность хозяина, контролируемая геном R, в симбиозе бобово-ризобийные. Proc. Natl. Акад. Sci. США 107, 18735–18740. DOI: 10.1073 / pnas.1011

    7

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Янг, С., Ван, К., Федорова, Э., Лю, Дж., Цинь, К., Чжэн, К., и др. (2017). Дискриминация микросимбионтов, опосредованная секретируемым хозяином пептидом в Medicago truncatula . Proc. Natl. Акад. Sci. США 114, 6848–6853. DOI: 10.1073 / pnas.1700460114

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ясуда, М., Мива, Х., Масуда, С., Такебаяси, Ю., Сакакибара, Х., и Окадзаки, С. (2016). Иммунитет, запускаемый эффектором, определяет несовместимость по генотипу хозяина в симбиозе бобово-ризобийные. Physiol растительных клеток. 57, 1791–1800. DOI: 10.1093 / pcp / pcw104

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Yu, J., Peñaloza-Vázquez, A., Chakrabarty, A.M, and Bender, C.L. (1999). Участие альгината экзополисахарида в вирулентности и эпифитной пригодности Pseudomonas syringae pv. syringae. Mol. Microbiol 33, 712–720. DOI: 10.1046 / j.1365-2958.1999.01516.x

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Жуков, В., Радутою С., Мадсен Л. Х., Рычагова Т., Овчинникова Е., Борисов А. и др. (2008). Ген киназы рецептора гороха Sym37 контролирует инициацию инфекции и развитие узелков. Mol. Взаимодействие с растительными микробами. 21, 1600–1608. DOI: 10.1094 / MPMI-21-12-1600

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Симбиоз корневых клубеньков у Lotus japonicus способствует формированию отличительных ризосферных, корневых и клубеньковых бактериальных сообществ.

    Значимость

    Бобовые известны как растения-первопроходцы, заселяющие маргинальные почвы, и как усилители питательного статуса культивируемых почв.Эта полезная активность объясняется их способностью вступать в симбиотические отношения с азотфиксирующими ризобиями. Мы выполнили анализ профилей сообщества Lotus japonicus дикого типа и мутантов, чтобы исследовать роль пути клубеньков в структуре связанной с корнями бактериальной микробиоты. Мы обнаружили, что несколько бактериальных отрядов были почти полностью истощены из мутантных корней и что неповрежденный симбиоз необходим для установления таксономически разнообразных и отличительных бактериальных сообществ в корне и ризосфере. Наши результаты предполагают, что бактериальное сообщество, связанное с симбиозом, а не только динитроген-связывающие ризобии, способствует росту бобовых и экологической результативности.

    Abstract

    Lotus japonicus на протяжении десятилетий использовался в качестве модельного бобового растения для изучения установления бинарных симбиотических отношений с азотфиксирующими ризобиями, которые запускают органогенез корневых клубеньков для аккомодации бактерий. Используя профилирование сообществ ампликонов гена 16S рРНК, мы показываем, что в Lotus отличительные клубеньковые и корневые сообщества устанавливаются путем параллельного, а не последовательного отбора бактерий из ризосферы и корневых компартментов.Сравнительный анализ генов дикого типа (WT) и симбиотических мутантов в генах рецептора 5 фактора Nod ( nfr5 ), начала клубенька ( nin ) и Lotus гистидинкиназы 1 ( lhk1 ) выявил ранее неожиданную роль пути клубеньков. в создании различных бактериальных сообществ в корне и ризосфере. Мы обнаружили, что потеря азотфиксирующего симбиоза резко меняет структуру сообщества в последних двух компартментах, затрагивая по крайней мере 14 бактериальных порядков.Дифференциальные фенотипы роста растений, наблюдаемые у WT и симбиотических мутантов в почве без добавок, сохранялись в условиях с добавлением азота, которые блокировали образование функциональных клубеньков у WT, тогда как мутанты с нарушенным симбиозом сохраняли измененную структуру сообщества в почве с добавлением азота. Это открытие является убедительным доказательством того, что связанный с корнями сдвиг сообщества у симбиотических мутантов является прямым следствием нарушения пути симбиоза, а не косвенным эффектом, возникающим в результате отмены симбиотической азотфиксации.Наши результаты предполагают роль бобовых растений-хозяев в выборе широкого таксономического ряда корневых бактерий, которые, помимо ризобий, вероятно, способствуют росту растений и экологической результативности.

    Переход от водного к наземному образу жизни в ходе эволюции растений потребовал формирования корней как органов для извлечения воды, макроэлементов и микроэлементов из почвы. Системы поглощения питательных веществ корнями обычно специфичны для доступных для растений форм питательных веществ, например, неорганического азота, такого как нитрат (NO 3 ) или неорганический ортофосфат (Pi) (1).Однако фосфор сам по себе богат почвой в водоемах, недоступных для растений, и, аналогичным образом, атмосферный диазот (N 2 ) присутствует в большом количестве в аэробной почве [78% (об. / Об.)], Но недоступен для растений. Живущие в почве микробы играют важную роль в солюбилизации и преобразовании минеральных питательных веществ в формы, доступные для корней, и подмножество этих микробов приобрело способность участвовать во взаимных взаимодействиях с корнями растений для обмена биодоступных макроэлементов из почвы на полученные из растений фотоассимиляты (2⇓ – 4).

    Здоровые бессимптомные растения живут в ассоциации с различными микробами, включая бактерии, грибы, вирусы и простейшие, которые в совокупности называются микробиотой растений (3, 5). Микробиота бактериальных корней таксономически структурирована и характеризуется совместным присутствием трех основных типов, включая Actinobacteria, Bacteroidetes и Proteobacteria, в разных типах почв и различных растениях-хозяевах (6, 7). Этот ассоциированный с корнями бактериальный комплекс в основном происходит из очень разнообразного бактериального биома почвы, окружающего корни, и быстро устанавливается в течение нескольких дней после прорастания семян (6, 8).Тип почвы является основным фактором диверсификации микробиоты бактериальных корней на низких таксономических рангах (т. Е. На уровне родов и видов), с меньшими вариациями, обнаруживаемыми на более высоком ранге филума (8⇓⇓ – 11). Однако считается, что корневые экссудаты играют важную роль в качестве сигналов для инициирования конкуренции между почвенными микробами и их дифференцированного размножения за колонизацию корней (3, 12). По оценкам, 17% фотосинтетически связанного углерода переносится в ризосферу, тонкий слой почвы, окружающей корень, через корневую экссудацию (13).Эти углеродные субстраты, вероятно, вносят вклад в сдвиги бактериального сообщества, которые часто обнаруживаются в ризосфере. Часть бактериальных таксонов, присутствующих в ризосфере, колонизирует корни либо в виде эпифитов на поверхности корня (ризоплан), либо в виде бактериальных эндофитов внутри корней (3, 8). В частности, представители Proteobacteria постоянно обнаруживают обогащенные в корневом и ризосферном компартментах, а диазотрофы в этом типе развивают способность устанавливать сложную форму взаимного взаимодействия с корнями растений, называемую симбиозом корневых клубеньков.В отличие от таксономически разнообразных бактериальных сообществ, связанных с корнями и ризосферой, которые включают сеть ассоциаций микроб-микроб и растение-микроб, симбиоз корневых клубеньков определяет высокоспецифичное бинарное взаимодействие растения-микроба, при котором совместимая азотфиксирующая почвенная бактерия выбирается хозяин для внутриклеточной инфекции, часто через растительные инфекционные нити и последующую аккомодацию и амплификацию внутри клубеньковых клеток.

    Десятилетия бактериальной и бобовой генетики позволили детально проанализировать регуляторные сети, стоящие за ступенчатой ​​симбиотической ассоциацией с диазотрофными Alphaproteobacteria.Двустороннее распознавание сигнала инициирует взаимодействие. Флавоноиды, секретируемые корнями, воспринимаются совместимыми почвенными бактериями, которые запускают производство и секрецию ризобиального симбиотического сигнала, фактора Nod. На стороне хозяина киназы рецептора лизинового мотива (LysM), такие как рецептор 1 фактора Nod (NFR1) и NFR5 в лотосе Lotus japonicus , специфически распознают и связывают совместимые факторы Nod (14, 15) и инициируют симбиотический сигнальный каскад. Зарождение узелков (NIN) было идентифицировано как ранний ключевой регулятор как органогенеза узелков, так и образования инфекционных нитей (16), тогда как сигнальные белки цитокининов с участием рецептора гистидинкиназы1 (LHK1) лотоса Lotus (17) контролируют развитие сигнальных событий из эпидермиса корня. в кору (18).Внутри узелков хозяином создается богатая углеродом среда с низким содержанием кислорода, позволяющая бактериям после эндоцитоза начать азотфиксацию (19). Симбиотическая азотфиксация перепрограммирует транскрипционный и метаболический ландшафт корня (20–23). Более того, этот процесс является повторяющимся и очень асинхронным, потому что ризобии из ризосферы повторяют инфекцию на вновь образованных, компетентных корневых волосках. Тем не менее, бобовый хозяин контролирует количество случаев инфицирования и зачатков клубеньков с помощью сигнала (ов) от побегов (24, 25).

    Симбиотическая азотфиксация позволяет бобовым растениям процветать в местообитаниях с ограниченной доступностью азота (26⇓ – 28). Благоприятный эффект этого симбиоза не ограничивается бобовыми культурами-хозяевами, но распространяется на последующие или одновременные посадки с небобовыми культурами, как показано на примере древних методов ведения сельского хозяйства с последовательностями посевов бобовых или системами промежуточного посева. Этот симбиоз, вероятно, включает в себя благотворное воздействие корней бобовых и связанных с ними микробов на состояние питания почвы, а также на почвенный биом.Однако механизмы, лежащие в основе этих симбиотических взаимодействий в контексте сообщества, и их влияние на сложные микробные сообщества, связанные с корнями, остаются в значительной степени неизвестными. Интеграция этих высокоспецифичных бинарных взаимодействий в контекст экологического сообщества имеет решающее значение для понимания эволюции симбиоза и эффективного использования инокулята ризобий в сельскохозяйственных системах.

    Здесь мы исследовали роль симбиотической азотфиксации на структуре корневой бактериальной микробиоты модельного бобового растения L.japonicus . Мы провели эксперименты по профилированию сообществ на основе гена 16S рРНК бактерий для растений дикого типа (WT), выращенных в естественной почве, и симбиотических мутантов, нарушенных на разных стадиях симбиотического процесса. Мы обнаружили, что интактный азотфиксирующий симбиоз у растений WT Lotus необходим для создания таксономически разнообразных и самобытных бактериальных сообществ в корневом и ризосферном компартментах. Это открытие повышает вероятность того, что влияние бобовых на продуктивность почвы в сельскохозяйственном и экологическом контексте опосредуется обогащением связанного с симбиозом бактериального сообщества, а не только ризобиями, связывающими динитрогены.

    Результаты

    Характеристика

    L. japonicus Микробиота корней, клубеньков и ризосферы.

    Мы разработали протокол фракционирования корней для растений L. japonicus возрастом 10 недель (образец Gifu, обозначенный WT), выращенных в трех партиях естественной кельнской почвы (10), чтобы учесть изменения от партии к партии и сезонные колебания. на месте отбора проб почвы (рис. 1 A и Материалы и методы ). Это фракционирование позволило нам сравнить структуру бактериальных сообществ, присутствующих в клубеньках, корнях без клубеньков (далее обозначаемых как «корневой отсек»), ризосфере и незасаженной почве ( Материалы и методы и SI Приложение , рис.S1). Вкратце, «ризосферный отсек» определяет частицы почвы, плотно приставшие к корням Lotus , которые были собраны после первого из двух последовательных этапов промывки. Макроскопически видимые узелки и инициалы узелков вырезали из корней с помощью скальпеля и обозначали «отсек узелков». Объединенные клубеньки и промытые корни без клубеньков отдельно подвергали обработке ультразвуком для истощения эпифитов и обогащения эндофитными бактериями. Обильное клубенькообразование (~ 20 клубеньков на растение) здоровых растений WT демонстрирует, что эта почва способствует образованию клубеньков и содержит Lotus -совместимых ризобий (рис.1 A , Врезка ). Мы подвергли в общей сложности 27 незасаженных образцов почвы, 73 образца ризосферы, 75 корней и 27 клубеньков амплификации гена 16S рРНК с помощью праймеров ПЦР, нацеленных на гипервариабельные области V5 – V7 (29) ( материалов и методов, ), и получили ∼1 M высококачественных считываний секвенирования (в среднем 4670 считываний на образец). После удаления низкокачественных считываний, химер и последовательностей, присвоенных органеллярной ДНК растительного происхождения, мы сгруппировали данные в 1834 операционных таксономических единиц (OTU) с 97% сходством последовательностей ( материалов и методов, и набор данных S1).

    Рис. 1.

    Изображения, изображающие L. japonicus WT ( A ) и мутантные растения с дефицитом клубенькового симбиоза lhk1 -1 ( B ), nfr5 -3 ( C ) и nin -2 ( D ) после сбора урожая. ( A и B , Вставки ) Для клубеньковых генотипов показаны узелки крупным планом. (Масштаб: 1 см.)

    Чтобы оценить влияние различных компартментов на сборку бактериальных сообществ, мы сравнили β-разнообразие (межвыборочное разнообразие) с использованием расстояний Брея – Кертиса и выполнили канонический анализ основных координат (CAP) (30) ( Материалы и методы, ).Этот анализ выявил четкую дифференциацию образцов, относящихся к корням, ризосфере, клубенькам и почвенным компартментам, что объясняет до 19,97% общей дисперсии данных (рис.2 A ; P <0,001), тогда как влияние партии почвы было сравнительно небольшим (8,01% дисперсии, P <0,001). Анализ α-разнообразия (внутривыборочного разнообразия) с использованием индекса Шеннона показал убывающий градиент сложности от почвенных бактериальных сообществ (наибольшее богатство) к ризосфере, корням и, наконец, микробиоте клубеньков ( SI Приложение , рис. .S2).

    Рис. 2.

    ( A ) График ограниченного PCoA расстояний Брея – Кертиса между образцами, включая только WT, ограниченный компартментом (19,97% дисперсии, P > 0,001; n = 94). ( B ) График ограниченного PCoA расстояний Брея – Кертиса, ограниченных генотипом (9,82% объясненной дисперсии, P <0,001; n = 164). Каждая точка соответствует разному образцу, окрашенному по отсекам, и каждый генотип хозяина представлен разной формой. Процент отклонения, указанный на каждой оси, соответствует доле от общего отклонения, объясненной прогнозом. Соответствующие графики неограниченного PCoA для каждой партии почвы показаны в приложении SI , рис. S3.

    Наше открытие сдвига бактериального сообщества в ризосфере Lotus по сравнению с основным резервуаром почвы согласуется с предыдущими отчетами по гороху WT (31), сою (32) и арахису (33), в которых аналогичное обогащение членов Burkholderiales, Flavobacteriales и Rhizobiales, тогда как информация о структуре сообщества корневой микробиоты недоступна для других бобовых культур.

    Параллельный отбор клубеньковых и корневых бактерий из ризосферного компартмента.

    Клубеньки бобовых представляют собой уникальную экологическую нишу, происходящую из дифференцированных кортикальных клеток корня, где как симбиотические, так и несимбиотические бактерии имеют возможность аккомодации и размножения. Лабораторные исследования с одиночными WT или мутантными симбиотическими штаммами продемонстрировали пошаговый контролируемый хозяином процесс колонизации, обеспечивающий отбор симбионтов (34). Напротив, мало что известно о степени или разнообразии колонизации клубеньков и корней несимбионтами (35).

    Мы воспользовались совместимой симбиотической ассоциацией между Lotus и ризобиями, присутствующими в кельнской почве, и провели анализ бактериального сообщества обедненных эпифитами функциональных клубеньков растений WT, выращенных в этой почве ( Материалы и методы ). Мы обнаружили, что клубеньки были заселены особенным бактериальным сообществом по сравнению с клубеньками, присутствующими в корне и ризосфере (рис. 2 A ). Лишь небольшое количество из 1834 OTU были идентифицированы как обогащенные конкрециями (12 красных кружков на рис.3 A ) с одним доминирующим представителем, классифицированным как принадлежащий к роду Mesorhizobium , подтверждая, что клубеньки также представляют собой высокоселективную бактериальную нишу для выращиваемых в почве растений Lotus . Важно отметить, что клубеньковые и корневые сообщества сходным образом расходились от ризосферы (разделение по второму компоненту; рис.2 A ), и обогащенные клубеньками OTU были обнаружены в аналогичных количествах в образцах корня и ризосферы (красные кружки на рис. А ).Эти находки предполагают параллельный, а не последовательный отбор бактериальных таксонов из комплекса ризосферы для обогащения в двух эндокомпартментах, скорее всего, через нити инфекции, индуцированной хозяином. Если бы был последовательный отбор, то можно было бы ожидать, что OTU, обогащенные конкрециями, будут более многочисленны в корне по сравнению с ризосферой. Таксономическое назначение на уровне порядка для всех OTU с относительной численностью (RA)> 5 ‰ показало, что в сообществе клубеньков Lotus преобладают бактерии, принадлежащие к отряду Rhizobiales (88.01% средний RA; Рис. 3 B ), что в основном связано с селективным обогащением членов Mesorhizobium (Рис. 3 C ). Этот анализ также выявил присутствие Burkholderiales, Flavobacteriales, Pseudomonadales и Actinobacteridae в обнаруживаемых количествах (> 1% RA; Рис. 3 B ), показывая, что клубеньки выращенных в почве Lotus колонизируются в первую очередь, но не исключительно. симбиотическими ризобиями.

    Рис. 3.

    ( A ) Тройной график, изображающий RA отсека всех OTU (> 5 ‰) для проб корня, ризосферы и клубеньков дикого растения ( n = 67) в трех партиях почвы (CAS8 – CAS10).CAS, Кельнская сельскохозяйственная почва. Каждая точка соответствует OTU. Его положение представляет собой RA по отношению к каждому отсеку, а его размер представляет собой среднее значение по всем трем отсекам. Цветные кружки представляют OTU, обогащенные в одном отделе по сравнению с другими (зеленый в корне, оранжевый в ризосфере и красный в образцах узелков), тогда как серые кружки представляют OTU, которые существенно не обогащены в конкретном отделении. ( B ) Ранговая диаграмма численности, изображающая RA, агрегированные до таксономического уровня порядка для наиболее распространенных таксонов, обнаруженных в образцах конкреций WT ( n = 21). ( C ) Сравнение численности Mesorhizobium и других родов Rhizobiales в корнях WT ( n = 48), мутантных корнях ( n = 100) и образцах клубеньков WT ( n = 21).

    Нарушение азотфиксирующего симбиоза резко меняет структуру бактериального сообщества в корневых и ризосферных отделах

    Lotus .

    Затем мы применили те же условия роста, протокол фракционирования и анализ бактериального сообщества к четырем симбиотическим мутантам Lotus ( nfr5 -2, nfr5 -3, nin -2 и lhk1- 1). ) для определения роли сигнального пути клубеньков в бактериальных сообществах.У мутантов nfr5 и nin процесс заражения либо не начинается, либо прекращается на стадии микроколонии соответственно, тогда как у растений lhk1 образуется большое количество инфекционных нитей корневых волосков, которые впоследствии не могут инфицировать корковые клетки (16, 18, 36). Подобно WT, симбиотические мутантные растения выглядели здоровыми, но были меньше и имели слегка бледно-зеленые листья (Рис. 1 B D ). За исключением случайных клубеньков на корнях lhk1 (18), клубеньки не были обнаружены на корневых системах nfr5 или nin (рис.1 B D ). Примечательно, что мы обнаружили, что сообщества, связанные с корнями и ризосферами каждого из четырех мутантов симбиоза, были похожи друг на друга, но значительно отличались от сообществ растений WT (Рис.2 B и SI Приложение , Рис. S3 ). Это разделение между образцами мутанта и дикого животного оказалось устойчивым, о чем свидетельствует неограниченный анализ главных координат (PCoA), выполненный независимо для каждой партии почвы ( SI Приложение , рис.S3). Кроме того, CAP, выполненный для всего набора данных, выявил заметное влияние генотипа хозяина на бактериальные сообщества, объясняя 9,82% дисперсии (рис. 2 B ).

    Узелки представляют собой структуры, происходящие от корней и закрепленные за якорем, и все же эти два органа являются хозяевами различных бактериальных скоплений (Рис. 2 A ). Как следствие, несмотря на тщательную подготовку корневых компартментов, сегменты корня WT могут содержать зарождающиеся скрытые в корне зачатки клубеньков, и, наоборот, образцы клубеньков могут быть загрязнены окружающей корневой тканью.Чтобы выяснить, мешают ли эти потенциальные ограничения нашего протокола выборки наблюдаемую дифференциацию сообщества, зависящую от генотипа хозяина, мы выполнили in silico истощение всех обогащенных клубеньками OTU из корневого набора данных WT и повторили PCoA и CAP ( SI, приложение , рис. . S4). Этот эксперимент выявил лишь незначительное сокращение доли дисперсии сообщества, объясняемой генотипом хозяина (9,82% против 9,72%), что указывает на то, что различия в ассоциациях, связанных с корнями, вызванные нарушением азотфиксирующего симбиоза, в значительной степени устойчивы к остаточное перекрестное загрязнение между двумя отсеками.

    Чтобы лучше понять, как путь клубеньков Lotus влияет на состав бактериального сообщества, мы определили OTU, которые специфически обогащены корнем и ризосферой WT или мутантов по сравнению с незаращенной почвой ( Materials and Methods ). В связи с тем, что бактериальные сообщества тестируемых мутантов симбиоза существенно не различаются между собой (рис.2 B ), мы выполнили наши анализы, используя объединенные образцы всех мутантных генотипов по всем партиям почвы (рис.4). Корневая микробиота Lotus WT характеризуется большим количеством обогащенных корнями OTU, в основном принадлежащих к Proteobacteria, Actinobacteria и Bacteroidetes (105 зеленых кружков на рис. 4, A и SI, приложение , рис. S12). Напротив, было обнаружено лишь небольшое количество OTU, специфически обогащенных в образцах ризосферы WT (8 оранжевых кружков на рис. 4 A ). По сравнению с WT, корни симбиотических мутантов резко обеднены обогащенными корнями OTU (28 зеленых кружков на рис.4 B ), тогда как количество обогащенных ризосферой ОТЕ увеличилось в 8 раз (68 оранжевых кружков на рис. 4 B ). Этот образец был воспроизведен, когда мы выполнили один и тот же анализ для каждой партии почвы и мутантного генотипа независимо ( SI Приложение , рис. S5 – S9).

    Рис. 4.

    Тройные графики, изображающие компартмент RA всех OTU (> 5 ‰) для образцов WT ( A ; WT; n = 73) и мутантных образцов ( B ; nfr5- 2, nfr5 -3, nin -2 и lhk1 -1; n = 118) по трем партиям грунта (CAS8 – CAS10).Каждая точка соответствует OTU. Его положение представляет собой RA по отношению к каждому отсеку, а его размер представляет собой среднее значение по всем трем отсекам. Цветные кружки представляют собой ОТЕ, обогащенные в одном отделении по сравнению с другими (зеленый в корне, оранжевый в ризосфере и коричневый в образцах корня). Агрегированные RA каждой группы обогащенных OTU (OTU, обогащенных корнем, ризосферой и почвой) в каждом отсеке для образцов WT ( C ; WT; n = 73) и мутантных образцов ( D ; nfr5 -2, nfr5 -3, nin -2, lhk1 -1; n = 118).В каждом отсеке отличие от 100% RA объясняется OTU, которые не имеют значительного обогащения в конкретном отсеке.

    Для дальнейшей характеристики сдвигов бактериального сообщества мы рассчитали отдельно для WT и симбиотических мутантных растений агрегированные RA OTU, которые специфически обогащены в одном компартменте. Как и ожидалось, этот расчет выявил уменьшение вклада обогащенных почвой OTU в образцах почвы, ризосферы и корней (69,40%, 17,03% и 2,40% среднего агрегированного RA, соответственно; темно-коричневые прямоугольные диаграммы на рис.4 C и D ) как в WT, так и в мутантных образцах. Это открытие предполагает, что нарушение пути симбиоза не влияет на способность Lotus исключать колонизацию большей частью обнаруживаемого бактериального почвенного биома и формирование характерной микробиоты, связанной с корнями, полностью дифференцированной от микробиоты, связанной с корнями, присутствующей в насыпной грунт. Мы наблюдали обратную картину для обогащенных корнями OTU в трех компартментах WT (графики в зеленой рамке на рис.4 С ). Резкое увеличение агрегированных RAs, с 8,76% в почве, до 35,72% в ризосфере и до 72,34% в корнях для образцов WT, было почти полностью устранено у мутантов (1,49%, 3,63% и 17,74% соответственно. ; графики в зеленой рамке на рис.4 D ). Напротив, агрегированные RAs специфичных для ризосферы OTU лишь немного выше в образцах ризосферы растений WT по сравнению с корнями и почвой, на которые влияет низкое количество специфичных для ризосферы OTU (графики оранжевой рамки на рис.4 С ). Однако RA значительно выше в образцах мутантной ризосферы по сравнению с другими компартментами (3,29% в образцах почвы, 22,09% в образцах ризосферы и 9,94% в образцах корней; графики оранжевой рамки на рис. 4 D ). Взятые вместе, эти данные подтверждают гипотезу о том, что путь симбиоза Lotus является ключевым компонентом для постепенного обогащения / отбора конкретных почвенных ОТЕ и создания полностью дифференцированной микробиоты в ризосфере и корневых компартментах.

    Путь симбиоза способствует дифференциации корней и ризосферы через множество бактериальных порядков.

    Мы проанализировали наблюдаемые сдвиги бактериального сообщества, расположив OTU в соответствии с их таксономией и продемонстрировав их обогащение в корне или ризосфере WT и симбиотических мутантов в наборе участков Манхэттена ( Материалы и методы, ). Результаты выявили неожиданно тонкие таксономические изменения, лежащие в основе сдвигов сообщества в компартментах, связанных с растениями (рис.5 A и B ). В то время как растения WT являются хозяевами обогащенных корнями OTU, принадлежащих к широкому диапазону бактериальных порядков, мутантные корни не могут обогатить ни один член порядков Flavobacteriales, Myxococcales, Pseudomonadales, Rhizobiales и Sphingomonadales выше порогового значения (уровень значимости с поправкой на ложное обнаружение P значений, α = 0,05; Материалы и методы ). Кроме того, поразительное обогащение более чем 15 Burkholderiales OTUs в корнях WT контрастирует с незначительным обогащением этого порядка у симбиотических мутантов.Однако мутантные корни сохраняют способность обогащать OTU, принадлежащие отрядам Actinobacteridae, Rhodospirilalles, Sphingobacteriales и Xanthomonadales (рис. 5 A и B ). Поразительно, но мы обнаружили почти обратную картину, когда рассматривали OTU, обогащенные ризосферой, у WT и мутантных растений: как количество, так и таксономическое разнообразие значительно обогащенных OTU резко увеличились у мутантов по сравнению с WT (Рис. D ).

    Рис. 5.

    Манхэттенские графики, показывающие обогащенные корнями OTU у WT ( A ) или у мутантов ( B ) по отношению к ризосфере и обогащенным ризосферой OTU у WT ( C ) или у мутантов ( D ) по отношению к корню. OTU, которые значительно обогащены (в том числе по отношению к почве), изображены полными кружками. Пунктирная линия соответствует порогу значимости значения P с поправкой на частоту ложного обнаружения (α = 0,05). Цвет каждой точки представляет различную таксономическую принадлежность OTU (уровень порядка), а размер соответствует их RA в соответствующих образцах [образцы корня WT ( A ), образцы мутантного корня ( B ), ризосфера WT образцы ( C ) и образцы мутантной ризосферы ( D )].Серые прямоугольники используются для обозначения различных таксономических групп (уровень порядка).

    Затем мы сравнили напрямую WT и мутанты, чтобы идентифицировать OTU, которые по-разному многочисленны в корне или ризосфере ( SI Приложение , Рис. S10 и S11). Мы обнаружили, что сдвиг сообщества, который разделяет генотипы хозяина (рис.2 B ), в значительной степени вызван многочисленными OTU, которые специфически обогащены ( n = 45) или истощены ( n = 15) в корнях WT по отношению к образцы мутантных корней ( SI Приложение , рис. S10 A ), принадлежащий как минимум 14 бактериальным отрядам ( SI Приложение , рис. S11 A и B ). Мы наблюдали параллельный эффект на OTU схожего таксономического профиля при сравнении образцов ризосферы по генотипам и идентифицировали многочисленные OTU, обогащенные ( n = 27) или обедненные ( n = 6) в ризосфере WT ( SI Приложение , Рис. S10 B и S11 C и D и набор данных S2).

    Затем мы проверили, обнаруживаются ли сложные сдвиги сообщества, наблюдаемые в таксономическом ранге порядка, на более высоком ранге филума.Интересно, что мы наблюдали четкие различия между образцами корней и ризосферы WT и мутантных растений Lotus для Proteobacteria (66,78% и 46,97% соответственно) и Bacteroidetes (14,57% и 38,10% соответственно), которые в значительной степени объяснялись вариациями в численность ОТЕ, принадлежащих к отрядам бактерий Rhizobiales, Burkholderiales и Flavobacteriales ( SI Приложение , рис. S10 – S12). Напротив, мы не обнаружили существенных различий между WT и мутантными корнями и ризосферами для актинобактерий (13.42% и 11,62% в среднем RA соответственно) и Firmicutes (~ 1% в среднем RA). Эти результаты показывают, что большие сдвиги, наблюдаемые между WT и мутантными растениями Lotus , влияют на корневые и ризосферные сообщества сходным образом, даже на более высоких таксономических уровнях ( SI Приложение , Рис. S10 – S12).

    Сопоставимые метаболические реакции, связанные с иммунитетом и симбиозом, у выращенных в почве WT и симбиотических мутантных корней.

    Обширные изменения структуры микробиоты корней в различных бактериальных порядках у мутантов-симбиозов побудили нас исследовать, проявляют ли мутантные корни измененные иммунные или связанные с симбиозом метаболические реакции, которые косвенно нарушают упорядоченное формирование микробиоты.Мы количественно определили относительные уровни транскриптов для панели защитных и симбиотических маркерных генов с использованием образцов ткани корня дикого типа и мутантных корней, которые были обработаны, как для профилирования сообщества генов 16S рРНК ( SI Приложение и набор данных S3). Анализ восьми генов, индуцированных во время защиты от патогенов в Lotus или, вероятно, представляющих Lotus ортологов маркерных генов Arabidopsis , показал, что WT и мутантные корни накапливают аналогичные уровни транскриптов, что свидетельствует о сопоставимом иммунном статусе, а не об индуцированной защите в мутанты ( SI Приложение , рис.S13 A ). Мы также проверили, различаются ли корни дикого типа и мутантные корни по уровням экспрессии генов, которые, как сообщается, вносят вклад в метаболическое состояние, установленное между хозяином и азотфиксирующим симбионтом (37-40). Мы обнаружили сравнимые уровни транскриптов Nodulin26 , Nodulin70 , транспортера сахарозы4 и Invertase1 в тестируемых генотипах, что свидетельствует о сходных метаболических ответах в корнях WT и мутантов ( SI Приложение , рис.S13 B ). С другой стороны, ранние симбиотические гены, такие как Nin , Peroxidase и Thaumatin , были индуцированы у мутантов WT или lhk1 и nin- 2, но не в корнях nfr5 -2, что указывает на то, что почва -растущие симбиотические мутанты сохраняют ранее описанный, постепенно нарушенный ответ корня на азотфиксирующие ризобии (16, 18, 22, 36) ( SI Приложение , рис. S13 C ). Прямые измерения общего содержания белка выявили сравнимые уровни у WT и симбиотических мутантов ( SI Приложение , рис.S14), в то время как количественная оценка уровней нитратов выявила значительные различия между nfr5 , nin и lhk1 или WT, что указывает на то, что регуляция поглощения нитратов, которая имеет известный ингибирующий эффект на клубеньки (41, 42), действует ниже по течению. из Nin ( SI Приложение , рис. S14). В совокупности эти результаты предполагают, что состояние достаточного количества азота достигается у всех протестированных генотипов, но что источник азота, N 2 или нитрат, может различаться между ними.

    L. japonicus и различные виды Brassicaceae образуют сильно разветвленные бактериальные сообщества, населяющие корни.

    Ранее мы показали, что Arabidopsis thaliana и три других вида Brassicaceae ( Cardamine hirsuta , Arabidopsis halleri и Arabidopsis lyrata ), выращенные в кельнской почве, собирают очень похожую корневую микробиоту, характеризующуюся лишь небольшими размерами. количественные различия профилей сообществ (29).Мы получили соответствующие необработанные считывания последовательности 16S и выполнили кластеризацию de novo OTU вместе с данными ампликона WT и симбиотических мутантов Lotus (рис. 6). PCoA расстояний Брея-Кертиса выявил четкое разделение образцов корня и почвы, но также и заметное различие между всеми образцами Lotus и Brassicaceae (рис. 6 A ), что указывает на то, что и WT, и растения Lotus нарушили симбиоз. содержат поразительно отличительную корневую микробиоту по сравнению с корневой микробиотой четырех протестированных видов Brassicaceae.Количественный анализ ОТЕ, обогащенных корнями WT L. japonicus и A. thaliana , выявил существенные и контрастирующие различия уже на уровне филума, что в первую очередь отражается в численности протеобактерий и актинобактерий (рис. 6 B ). Сходный ранговый анализ численности, выполненный на уровне порядка, выявил определенные таксономические линии, способствующие различиям между этими двумя видами растений; Rhizobiales, Caulobacterales, Rickettsiales и Sphingobacteriales были обнаружены в большем количестве в корнях Lotus , тогда как Burkholderiales, Actinomycetales, Myxococcales и Pseudomonadales были более многочисленными в корнях Arabidopsis (рис.6 С ).

    Рис. 6. График

    ( A ) PCoA расстояний Брея – Кертиса для образцов корня и почвы, показывающий четкое разделение между корнями всех генотипов Lotus (кружки) по сравнению с корнями Arabidopsis и родственных видов (полые формы) выращены на кельнской почве и секвенированы с использованием того же набора праймеров. RA, агрегированные по типу ( B, ) и таксономическим уровням порядка ( C, , 10 наиболее распространенных порядков), демонстрируют сравнение между A.thaliana ( n = 26) и L. japonicus образцов корней ( n = 74).

    Мутанты с нарушенным симбиозом поддерживают измененную структуру сообщества в почве с добавлением азота.

    Азотфиксирующий симбиоз чувствителен к азоту, и уже при концентрации 2 мМ KNO 3 в Lotus наблюдалось уменьшение клубеньков и инфицирования (42). Чтобы определить, были ли сдвиги сообществ, наблюдаемые в мутантных корнях Lotus и ризосфере, вызваны потенциально различным азотным статусом, мы провели аналогичный анализ сообществ с использованием растений, выращенных в кельнской почве (другая партия почвы) с добавлением 10 мМ KNO 3 .В этих условиях у симбиотических мутантов уже не было фенотипа бледных листьев, как это наблюдалось в почве без добавок ( SI Приложение , рис. S15), а у растений WT не образовывались функциональные клубеньки из-за их небольшого количества и небольшого и белого внешнего вида на концах. время сбора урожая. Несмотря на одинаковое содержание азота в корнях дикого типа и мутантных корнях ( SI, приложение , рис. S15), мы обнаружили, что дифференциальные фенотипы (рост и свежий вес), наблюдаемые в почве без добавок, сохранялись в условиях с добавлением азота ( SI, приложение , рис. .S15), что указывает на то, что интактный путь симбиоза способствует росту растений независимо от наличия функциональных клубеньков. Основываясь на сходных макроскопических фенотипах симбиотических мутантов в ответ на добавление азота, мы затем проанализировали состав бактериальных сообществ у WT и двух мутантов рецептора фактора Nod, nfr5 -2 и nfr5 -3. Примечательно, что PCoA выявил аналогичный сдвиг в сообществах корней и ризосферы мутантов по сравнению с соответствующими компартментами WT для растений, выращенных в почве с добавлением азота (21. 20% дисперсии, P <0,001; SI, приложение , рис. S16, A ), как и для необработанной почвы Кельна (21,80% отклонения, P <0,001; SI Приложение , рис. S16 B ). Наконец, не было обнаружено никаких заметных различий в составе почвенного биома между необсаженными образцами почвы с добавками азота и без них (набор данных S4). В совокупности эти результаты свидетельствуют о прямом влиянии нарушенного пути симбиоза на структуру сообщества, связанного с корнями, а не о косвенном эффекте, возникающем в результате отмены симбиотической азотфиксации.

    Обсуждение

    Здесь мы охарактеризовали корневую микробиоту модельного бобового растения L. japonicus , используя исследование ампликона 16S рРНК. Используя панель мутантов с нарушенным симбиозом, мы исследовали роль генов-хозяев с известными функциями в установлении высокоспецифичной и бинарной симбиотической ассоциации растений-микробов в контексте ассоциированного с корнями бактериального сообщества. Наше исследование показывает, что ключевые симбиотические гены играют важную роль в становлении таксономически структурированных бактериальных сообществ в корне и ризосфере L.japonicus (Рис. 4), что расширяет их роль за пределы восприятия и отбора азотфиксирующих ризобий для внутриклеточной аккомодации в узелках. Наблюдаемое воздействие отключения симбиоза в Lotus , по-видимому, отличается от аналогичных нарушений у насекомых и млекопитающих, где нарушение симбиоза в кишечнике приводит к накоплению патогенов и драматическим последствиям для здоровья хозяина (43–46). Симбиотические мутанты Lotus , выращенные в Кельне в почве, не показали никаких признаков заболевания или измененного иммунного ответа по сравнению с диким животным (рис.1 и SI Приложение , рис. S13). Однако остается возможным, что наблюдаемое снижение роста растений (рис. 1) приводит к снижению репродуктивной способности мутантных растений в естественной экосистеме.

    Генетическое нарушение пути клубеньков привело к истощению шести отрядов бактерий из корневого компартмента, включая два наиболее распространенных отряда, идентифицированных у WT, Flavobacteriales и Burkholderiales (рис. 5 A и B ). Таким образом, Rhizobium действует как бактериальный «центр» для корней Lotus по аналогии с патогеном оомицетов Albugo , который в значительной степени повлиял на микробиом филлосферы Arabidopsis после заражения (47).Два взаимоисключающих сценария могут объяснить наблюдаемый резкий сдвиг сообщества внутри корней: () кооперативные микробно-микробные взаимодействия между симбиотическими азотфиксирующими бактериями и подмножеством членов корневой микробиоты или ( ii ) прямое использование пути клубеньков. через почвенные бактерии, кроме клубеньковых ризобий, для проникновения и размножения внутри корней бобовых. Количественная оценка выбранных транскриптов в WT и мутантных корнях предоставила доказательства сходного иммунного статуса и метаболических реакций, специфичных для симбиоза, но, как и ожидалось, дифференциальная экспрессия симбиотических генов ( SI Приложение , рис.S13). Эти результаты подтверждают гипотезу о прямом, а не косвенном участии пути азотфиксирующего симбиоза в отборе конкретных бактериальных таксонов, отличных от клубеньковых ризобий.

    Благоприятная ассоциация с Burkholderiales обычна для бобовых. Например, известно, что родов Mimosa в Южной Америке и бобовые из подсемейства Papilionoideae в Южной Африке образуют древний и стабильный симбиоз с азотфиксирующими линиями Burkholderia внутри клубеньков (48⇓ – 50).Члены отряда Burkholderiales, которые сильно обеднены мутантами Lotus , также известны своей мощной активностью по стимулированию роста растений у небобовых растений (51). Включение бобовых культур в последовательность севооборотов в сельском хозяйстве обычно обогащает почву, но одна симбиотическая фиксация азота не может объяснить повышение урожайности последующих культур (26). Таким образом, наше исследование поднимает интригующую возможность того, что, помимо активности азотфиксирующих бактерий, избирательное обогащение других членов корневой микробиоты, связанных с симбиозом, влияет на биом почвы и, следовательно, биоудобрение почвы бобовыми культурами может включать гораздо более широкий таксономический диапазон, чем в настоящее время. мысль.

    Наш статистический анализ выявил серьезное влияние генотипа хозяина на микробиоту корней Lotus , что объясняет 9,82% дисперсии данных (рис. 2 B ). Этот эффект генотипа почти в два раза больше, чем эффект, выявленный при сравнении ассоциированных с корнями сообществ WT и мутантов A. thaliana с тяжелым иммунодефицитом (52) или между A. thaliana и тремя видами Brassicaceae, которые разошлись до 35 млн лет назад ( 29). Интересно, что сдвиги сообществ, обнаруженные в мутантных корнях nfr5 , nin и lhk1 , весьма сопоставимы (рис.2 В ). Это сходство, вероятно, связано с нашим строгим протоколом фракционирования корней (10, 11), истощающим как эпифиты, так и эпидермальные эндофиты. Однако мы не можем исключить различия между сообществами тестируемых мутантов, величина которых меньше, чем эффект, вызванный изменением партии почвы и техническим шумом, присутствующим в данных пиросеквенирования.

    Недавние исследования показали, что после получения микробиоты ассоциация бактерий, ассоциированных с корнями, остается устойчивой к серьезным изменениям в росте растений и взаимоотношениях источник-поглотитель (9, 11).Эта стабильность микробиоты также наблюдается здесь, где четкое разделение между корнем и ризосферой WT и нарушенных симбиозом растений Lotus сохраняется, когда растения выращивают в различных нитратных условиях ( SI Приложение , рис. S16). Последнее наблюдение также является убедительным доказательством того, что связанный с корнем сдвиг сообщества у симбиотических мутантов является прямым следствием нарушения пути симбиоза, а не косвенным эффектом, возникающим в результате отмены симбиотической азотфиксации.

    Предыдущие контролируемые эксперименты по коокуляции с Mesorhizobium loti и корневыми эндофитами показали, что Lotus может выборочно направлять эндофитные бактерии к зачаткам клубеньков через инфекции, индуцированные симбионтами, и что эндофиты и симбионты могут способствовать инфицированию хозяина друг друга (35 ). Эти эксперименты были сосредоточены на колонизации клубеньков и проводились с использованием системы гнотобиотических растений с ограниченным числом эндофитов. Наши данные о профилировании бактериального сообщества, полученные с помощью симбиотических мутантов, выращенных в почве, позволили протестировать вклад инфекции, зависящей от ниточно-зависимой колонизации корней естественными популяциями совместимых эндофитов, присутствующих в почве.Действительно, большое количество бактериальных таксонов, обедненных генотипами nfr5 , nin и lhk1 ( SI Приложение , рис. S11), предполагает, что потоки инфекции, остановленные в WT, могут способствовать колонизации корней эндофитами. Это открытие предполагает дополнительные функции генов-хозяев, активных в раннем симбиозе, для эффективной колонизации корней подмножеством корневой микробиоты. Наши данные профилирования сообщества также выявили отряды бактерий, обогащенные мутантными корнями; таким образом, их корневая колонизация происходит независимо от азотфиксирующего симбиоза.Эти эндофитные таксоны могут использовать альтернативные пути проникновения [то есть проникновение в трещину, которая происходит у основания появляющихся боковых корней и, вероятно, используется в качестве входного портала для корневых эндофитов у нелобовых растений (53–55)].

    Наше исследование показало, что рост Lotus в кельнской почве не мешал совместимости хозяин-симбионт, описанной ранее в моноассоциациях с растениями, выращенными в искусственных средах (56). Об этой высокой селективности свидетельствуют только 12 OTU, обогащенных конкрециями, среди всего 1834 OTU в нашем наборе данных и членов Mesorhizobium , представляющих наиболее распространенные таксоны (рис. 3 А ). Примечательно, что OTU, обогащенные клубеньками, имели сходные RA в корневом и ризосферном компартментах, что свидетельствует о связанном процессе (ах) отбора во всех трех компартментах. Более того, OTU, обогащенные клубеньками, были истощены из образцов мутантных корней, что подтверждает нашу гипотезу о том, что интактный симбиотический путь выбирает ризобии во время инфекции как в коре корня, так и в клубеньках. Интересно, что обогащенные клубеньками OTU Mesorhizobium были истощены как в мутантном корневом, так и в ризосферном компартментах, что указывает на то, что диффундирующие соединения, полученные из корней, продуцируемые WT, играют роль в обогащении симбионтов в почве, которая прилипает к поверхности корня бобовых.Таким образом, наши результаты подтверждают предыдущие наблюдения, что поддержание высоко симбиотических изолятов в почве является не только функцией высвобождения ризобий из разлагающихся клубеньков, но также зависит от постоянного селективного давления хозяина (57, 58). Вероятным сценарием этого обогащения является механизм положительной обратной связи, в котором инициируемая хозяином передача сигналов приводит к обогащению симбионтов в корне и ризосфере, гипотеза, которая подтверждается заметно похожими моделями, наблюдаемыми у растений, выращиваемых в условиях с добавлением азота, которые препятствуют азоту. фиксация.Флавоноиды, полученные из корней бобовых, являются кандидатами в диффузионные сигнальные молекулы в таком механизме обратной связи, поскольку было показано, что их профиль изменяется во время симбиоза корень-клубень (59, 60) и их широкое влияние на сообщества почвенных бактерий (61, 62), особенно на симбиотические ризобии. , был задокументирован (63, 64).

    Наш сравнительный анализ микробиоты корней L. japonicus и четырех видов Brassicaceae, выращенных на кельнской почве (29), выявил весьма своеобразный состав сообщества независимо от интактного или дисфункционального пути симбиоза (рис. 6). Lotus и Arabidopsis предки разошлись на ∼118 млн лет назад (65), и вскоре после их разделения произошли два основных эволюционных события: потеря симбиоза арбускулярной микоризы (AM) у Brassicaceae (66) и усиление предрасположенности к азотфиксации у предшественник бобовых (67). Таким образом, наши результаты предполагают, что заметная особенность корневой микробиоты, специфичной для Lotus , не регулируется эволюционировавшими функциями Nfr5 , Nin или Lhk1 , но, возможно, связана с потерей AM-симбиоза в организме человека. род Brassicaceae.Эту гипотезу можно проверить в будущих экспериментах с мутантами, влияющими на «общие гены симбиоза» Lotus , которые не могут установить симбиотические отношения с AM-грибами и клубеньковыми ризобиями (68–70).

    Материалы и методы

    Подробное описание методов, используемых в этом исследовании, можно найти в SI Приложение , Дополнительные материалы и методы .

    Почвы и растительный материал.

    Семена L. japonicus WT, экотип Gifu B-129 и соответствующие мутанты с дефицитом симбиоза ( nfr5 -2, nfr5 -3, lhk1 -1 и nin -2) были выращены партиями почвы, собранными в последовательные сезоны.Растения выращивали в теплице в условиях длинного дня (16-часовой фотопериод), поливали водопроводной водой (необязательно с добавлением 10 мМ KNO 3 ) и собирали урожай через 10 недель.

    Образец и подготовка библиотеки 16S.

    Промыли фрагменты корневой системы, отделили ризосферу, корень и клубеньки. Первая промывка, содержащая прилипший к корням слой почвы, определяла компартмент ризосферы. Узелки и видимые зачатки отделяли от корневых фрагментов клубеньковых генотипов (WT и lhk1 -1) с помощью скальпеля.Образцы корней и клубеньков обрабатывались ультразвуком. Экстракцию ДНК проводили с использованием набора FastDNA SPIN для почвы (MP Biomedicals). Для амплификации использовали штрих-кодовые праймеры, нацеленные на вариабельные области V5 – V7 бактериальных генов 16S рРНК (799F и 1193R) (10, 71). Ампликоны очищали (Qiagen), объединяли и подвергали 454 секвенированию.

    Анализ метаболитов.

    Содержание нитратов в корнях определяли методом ионной хроматографии, как описано ранее (72). Белки экстрагировали в 10 мМ Tris⋅HCl-буфере (pH 8) и определяли с помощью набора для анализа белков Bio-Rad с использованием BSA в качестве стандарта.

    Вычислительный анализ.

    Последовательности гена 16S рРНК были обработаны с использованием комбинации пользовательских скриптов, а также инструментов из конвейеров QIIME (73) и USEARCH (74) (готовые для QIIIME файлы картирования представлены в наборах данных S4 и S5). Полученная в результате таблица OTU использовалась во всех последующих статистических анализах дифференциально распространенных таксонов, а также при анализе α- и β-разнообразия. Индексы α-разнообразия были рассчитаны после подвыборки на глубину 1000 считываний. Показатели β-разнообразия рассчитывались по нормализованной таблице OTU.PCoA был выполнен путем классического многомерного масштабирования матриц расстояний β-разнообразия с использованием функции cmdscale. в R. CAP (30) был вычислен с использованием функции capscale , реализованной в веганской библиотеке R (75), путем ограничения переменной представляющих интерес и обусловливающих остальные факторы. Статистический анализ дифференциально обильных OTU был выполнен с использованием библиотеки edgeR (76) путем подгонки отрицательной биномиальной обобщенной линейной модели к OTU.

    Наличие кода.

    Все сценарии, необходимые для вычислительного анализа, выполняемого в этом исследовании, а также соответствующие необработанные данные секвенирования и промежуточные данные доступны на сайте www.mpipz.mpg.de/R_scripts.

    Благодарности

    Мы благодарим Дайану Куен и Бруно Хюттель (Центр генома Макса Планка, Кельн) за подготовку и секвенирование 454 библиотек, а также Ирен Клинкхаммер (Ботанический институт Кельн) за помощь в анализе нитратов. Мы благодарим Омри Финкеля, Джеффри Л. Дангла, Йенса Стаугарда, Лене Х.Мэдсену, Стигу У. Андерсену, Риохею Накано, Стефану Хаккарду и Торстену Тиргарту за ценные комментарии к рукописи. Эта работа была поддержана грантом Датского совета по независимым исследованиям 09-070023 и грантом Датского национального исследовательского фонда DNRF79 (для SR), а также Обществом Макса Планка, грантом Европейского исследовательского совета ROOTMICROBIOTA и программой «Кластер передового опыта в области наук о растениях» от Deutsche Forschungsgemeinschaft (PS-L.).

    Сноски

    • Автор: R.З., Р.Г.-О., П.С.-Л. и С.Р. спланированное исследование; Р.З., Р.Г.-О., Д.Б.Дж. и А.К. проведенное исследование; Р.З., Р.Г.-О., А.К., П.С.-Л. и С.Р. проанализированные данные; и Р.З., Р.Г.-О., П.С.-Л. и С.Р. написал газету.

    • Рецензенты: P.N.B., Duke University; и S.R.L., Стэнфордский университет.

    • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    • Размещение данных: Последовательность, описанная в этой статье, депонирована в Европейском архиве нуклеотидов (номер доступа.PRJEB15623).

    • Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1616564113/-/DCSupplemental.

    Доступен бесплатно в режиме онлайн через опцию открытого доступа PNAS.

    Регуляторы и регулирование развития клубеньков бобовых

    • Авторское право © 2000 Американское общество физиологов растений

    Азот — это питательные вещества, в которых растения нуждаются в наибольшем количестве, а в сельском хозяйстве наличие азота оказывает большое влияние как на урожайность, так и на качество продукции .В природе растения получают азот путем ассимиляции нитратов и аммония или из диазота через ассоциацию с азотфиксирующими бактериями. Симбиотическая азотфиксация, при которой растение является источником углерода для энергозависимого восстановления диазота и защищает чувствительный к кислороду фермент нитрогеназа, является одной из наиболее эффективных систем фиксации. Чтобы установить симбиоз, бактериальные микросимбионты получают доступ к отдельным растительным клеткам и размещаются в компартментах, окруженных растительной мембраной.В Gunnera sp. цианобактерия Nostoc sp. вторгается в уже существующие стволовые железы и образует азотфиксирующие гетероцисты в инфицированных клетках. В большинстве других симбиотических взаимодействий специализированный орган растения, корневой узелок, создается для обеспечения оптимальных условий для азотфиксирующих бактерий. Среди древесных видов растений, принадлежащих к восьми разным семействам, взаимодействие с грамположительными видами Frankia приводит к развитию клубеньков актиноризных корней.У бобовых культур грамотрицательные почвенные бактерии, принадлежащие к семейству Rhizobiaceae (здесь все вместе называются Rhizobium ), поражают ткань корня и вызывают образование клубеньков, фиксирующих азот. Почему у некоторых растений могут образовываться корневые клубеньки, неясно, но недавние филогенетические исследования, основанные на анализе последовательности ДНК, помещают все растения, участвующие в ризобиальном или актиноризном симбиозе, в одну и ту же линию и предполагают, что предрасположенность к клубеньку возникла только один раз (Soltis et al., 1995; Дойл, 1998).

    Связь между Rhizobium и бобовыми растениями избирательна. У отдельных видов ризобий есть отдельный диапазон хозяев, позволяющий клубеньковать конкретный набор бобовых растений. Например, Rhizobium leguminosarum bv viciae создает клубеньки на горохе и вике, а Bradyrhizobium japonicum — на соевых бобах. С другой стороны, исключительно широкий диапазон хозяев Rhizobium sp. NGR234 нодулирует 353 вида бобовых, представляющих 122 рода (Pueppke and Broughton, 1999).Различия как в инфекционных процессах, так и в органогенных программах отражаются в различиях в морфологии корневых клубеньков (Doyle, 1998), но в целом есть явное сходство в развитии, чего можно было бы ожидать от общего предка. Чтобы охватить большинство аспектов этого необычного симбиоза растения и прокариот, изучение клубеньков является многогранной областью исследований, направленной на понимание этого взаимодействия растений и микробов в рамках физиологических процессов и процессов развития, лежащих в основе инфекции и органогенеза.С этой точки зрения, это обновление Update основано на наблюдениях за различными взаимодействиями Rhizobium и бобовых. Следующие разделы посвящены контролю растений над формированием корневых клубеньковых органов и обрисовывают, как генетика растений и функциональная геномика меняют наше мышление. Ранний обмен сигналами, а также биосинтез и свойства сигнальных молекул бактериального фактора Nod были подробно рассмотрены (Dénarié et al., 1996; Spaink, 1996; Downie and Walker, 1999, и ссылки.в нем) и будет представлен только вкратце.

    ИСТОЛОГИЯ И РАЗРАБОТКА УЗЛОВ

    В наиболее изученных бобовых культурах заражение происходит через инфекционную нить, которая переносит бактерии через корневые волоски в кору корня и распределяет их по клеткам, которые становятся инфицированными клетками азотфиксирующего узелка (рис. 1). Корневая зона, подверженная инвазии, расположена за кончиком корня, где корневые волоски все еще растут и пригодны для инвазии. В ответ на прикрепленные бактерии корневые волоски деформируются и скручиваются, образуя карман, который обеспечивает место для инициации инфекции.Инфекционная нить представляет собой структуру растительного происхождения, возникающую в результате инвагинации плазматической мембраны, сопровождающейся внешним отложением материала клеточной стенки. Перед прохождением внутриклеточной «внутренней» прогрессирующей нити клетки коры корня дедифференцируются и повторно входят в клеточный цикл. Клетки коры, подготовленные для прохождения инфекционного нити, по-видимому, задерживаются в фазе G2, тогда как клетки, завершающие цикл, возобновляют деление, чтобы сформировать зачаток узелка. Позже в этом процессе формирование паттерна и дифференциация клеток определяют типы тканей и клеток. Бактерии эндоцитозируются в субпопуляцию клеток, где они дифференцируются в азотфиксирующие бактероиды, окруженные перибактероидной мембраной симбиосомы. В зрелом функциональном узелке пучки периферических сосудов связаны с сосудистой сетью корня, и основные типы тканей / клеток можно различить цитологически и, в некоторой степени, с помощью молекулярных маркеров. В детерминированных клубеньках, таких как соя, меристематическая активность прекращается рано, и клубеньки растут за счет расширения, придавая сферическую форму (рис.1). Следовательно, все стадии развития от завивки корневых волос до старения узелков проходят во времени. Неопределенные клубеньки, такие как горох, поддерживают активную меристему, откладывая клетки, которые впоследствии инфицируются. Это приводит к цилиндрической форме с этапами формирования органов, представленными вдоль продольной оси. Тип формирующегося клубенька определяется растением-хозяином.

    Рис.1.

    A, Целый узел развивающегося корневого узелка Lotus japonicus , пораженный двумя инфекционными потоками.Флуоресцентная микроскопия показывает аутофлуоресцентные клубеньковые клетки и бактерии Mesorhizobium loti , окрашенные на активность β-галактозидазы, экспрессируемую репортерным геном lacZ . Детерминированные корневые клубеньки L. japonicus образуются в результате деления клеток во внешней коре головного мозга, тогда как неопределенные клубеньки (например, гороха) образуются в результате делений клеток во внутренней коре. Условия или факторы, влияющие на возникновение или развитие узелка, перечислены справа и слева от корневого узелка.Если у отдельных видов бобовых были зарегистрированы разные реакции на фактор или состояние, это указывается следующим образом: +, положительный эффект; -, отрицательный эффект; или 0, отсутствие ответа. EPS, экзополисахариды; ЛПС, липополисахариды. B. Структура бактериального фактора LCO Nod. Ацетилированный фукозил синего цвета является результатом модификации NodZ и NolL LCO R. leguminosarum .

    ВЗАИМНЫЙ ОБМЕН СИГНАЛАМИ НАЧИНАЕТ ПРОЦЕСС

    Ранними сигналами растения-хозяина, секретируемыми в ризосферу, могут быть (изо) флавоноиды, стахидрины или альдоновые кислоты.Лучше всего изучены флавоноиды, которые в сочетании с ризобиальным активатором транскрипции NodD индуцируют экспрессию регулона гена nod . В свою очередь, продукты гена nod синтезируют и транспортируют фактор Nod (рис. 1B), главную раннюю сигнальную молекулу, воспринимаемую растением-хозяином. Гибкое взаимодействие с хостом обеспечивается несколькими механизмами. Альтернативные активаторы NodD , распознающие различные флавоноиды растений, обеспечивают расширенный круг хозяев в некоторых штаммах бактерий. B. japonicum даже имеет альтернативный двухкомпонентный регуляторный путь для активации своего регулона nod , а в Sinorhizobium meliloti nod экспрессия гена регулируется с помощью цепей положительного и отрицательного контроля.

    Нод-факторы низкие — M r β, 1-4-связанные N -ацетилглюкозаминовые соединения (Lerouge et al., 1990), обычно несущие жирную кислоту на невосстанавливающем сахаре и сульфурильную, фукозильную, маннозильную или арабинозильную группы на восстанавливающем конце сахар.Дополнительные замены включают производные карбамоила, глицерина и фукозила (Dénarié et al., 1996; Spaink, 1996). При очистке и применении в отсутствие бактерий эти липохитоолигосахариды (LCO) действуют как митогены или «морфогены» на некоторых корнях бобовых. Например, добавление наномолярных концентраций вызывает деформацию корневых волосков у большинства бобовых. У более чувствительных растений также развиваются преинфекционные нити (цитоплазматические мостики в G2-арестованных кортикальных клетках), деления кортикальных клеток и пустые клубеньковые структуры с анатомией, сопоставимой с клубеньками, индуцированными ризобиями (Dénarié et al., 1996; Spaink, 1996, и ссылки там). Эти ответы показывают, что некоторые бобовые кодируют все функции, необходимые для развития узелка после того, как процесс был запущен. Спонтанное развитие клубеньков на некоторых мутантах люцерны, выращенных аксенически, подтверждает эту идею.

    Штаммы Rhizobium , различающиеся репертуаром из генов nod , продуцируют LCO с различными структурными особенностями. Биологическая активность определяется длиной хитинового остова, структурой липида и набором других замен в олигосахаридном остове.Специфичность к хозяину, по крайней мере частично, является результатом двусторонней связи, при которой для возникновения клубеньков требуются активация растениями флавоноидами nod и восприятие растениями образующихся бактериальных сигнальных молекул LCO (рис. 2А). Например, R. leguminosarum bv viciae можно генетически модифицировать для получения ацетилфукозилированного LCO под контролем флавоноид-независимого активатора NodD (фиг. 1B и 2B). Этот модифицированный LCO теперь распознается L.japonicus , приводящее к клубеньку с помощью гена nod , дерегулированного штаммом R. leguminosarum (Bras et al., 2000).

    Рис.2.

    Схематическое изображение ранней коммуникации между бобовым хозяином и Rhizobium . Ответ: Симбиотическое развитие начинается только тогда, когда синтезируются, представляются и воспринимаются правильные сигнальные молекулы растений и бактерий. Б. Изменения генетического репертуара R. leguminosarum bv viciae приводят к синтезу различных LCO и изменению специфичности хозяина.Поэтапное добавление флавоноид-независимого активатора NodD плюс фукозилтрансфераза NodZ и ацетилтрансфераза NolL позволяет R. leguminosarum bv viciae образовывать клубеньки L. japonicus . -, Нет узловатости; +, медленная нодуляция; +++, клубеньки нормальные.

    СИГНАЛЬНОЕ РЕЛЕ В ВОСПРИЯТИИ НОД-ФАКТОРА

    Бактериальные сигналы LCO сначала воспринимаются эпидермальными клетками в зоне дифференцировки корневых волосков, но самые ранние реакции на Rhizobium или на добавление LCO в основном изучались в более развитых корневых волосках, выступающих с поверхности корня, где они легко доступны. для микроскопического и физиологического анализа.Используя сочетание электрофизиологии и флуоресцентной микроскопии с ионно-чувствительными красителями, было показано, что индуцированные LCO потоки ионов предшествуют деформации корневых волосков (рис. 3). Быстро индуцированный приток Ca 2+ и временная деполяризация плазматической мембраны, связанная с оттоками Cl и K + , происходят в течение нескольких секунд. Это сопровождается ощелачиванием цитоплазмы корневых волосков и через несколько минут колебания Ca 2+ (Ehrhardt et al., 1996; механизм см. Felle et al., 1998). Впоследствии наблюдается перестройка актиновых нитей и изменение направления роста кончиков корневых волосков. Хотя корневые волоски, которые остаются неинфицированными (или неспособными к ризобиальной инфекции), также могут реагировать, вполне вероятно, что эти быстрые физиологические изменения передаются по пути передачи сигнала, что приводит к активации генов, регулирующих клубенькообразование. Отсутствие колебания Ca 2+ у немодулирующего мутанта MN-NN1008 люцерны и перекрытие требований химической структуры LCO, необходимых для активности на растении и для выявления измененной физиологии корневых волосков, благоприятствует этой интерпретации.

    Рис.3.

    Ранние физиологические изменения, обнаруженные в корневых волосках после обработки LCO или посева ризобий. Порядок событий примерно соответствует времени изменений, но не указывает на причинно-следственную связь.

    Фармакологические эксперименты с использованием агонистов и антагонистов [например, мастопаран, коклюшный токсин, EGTA, 2,5-ди (трет-бутил) -1,4-бензогидрохинон и La 3+ ] возможных компонентов трансдукции сигнала предполагают участие малых тримерных GTPases вместе с фосфолипазой C и фосфоинозитидами ( Пингрет и др., 1998). Причинно-следственная связь между различными физиологическими изменениями теперь должна быть установлена ​​и связана с активацией последующих генов растений. Для этой работы полезными инструментами будут симбиотические мутанты растений, определяющие генетически разделимые ступени и гены, экспрессирующие корневые волоски. Интересно, что недавно клонированный ген LjCbp1 , кодирующий предполагаемый Ca 2+ -связывающий белок, экспрессируется LCO-зависимым образом в эпидермальных клетках корня (Webb et al., 2000).

    РЕЦЕПТОР ИСКЛЮЧИТЕЛЬНОГО УЗЛА

    Предпочтение растений определенным ризобиальным партнерам, а также низкие рабочие концентрации и структурная специфичность бактериальных сигналов LCO предполагают, что восприятие сигнала опосредуется рецептором растения.В настоящее время подлинный рецептор для связывания LCO и усиления бактериального сигнала не идентифицирован. Два сайта связывания (NFBS1 и NFBS2) были описаны в микросомальных фракциях корней люцерны и клеток тканевой культуры. NFBS1 имеет низкое сродство к субстрату, тогда как NFBS2 связывает LCO с более высоким сродством (Gressent et al., 1999). Оба сайта обладают специфичностью к LCO, но также будут связывать производные без замещения сульфурилом, необходимого для активности in vivo. Это несоответствие могло быть результатом того, что рецептор in vitro лишился субъединицы, добавляющей специфичность.

    Новый белок лектинового типа был недавно очищен из Dolichos biflorus , и было показано, что он связывает LCO с высоким сродством (Etzler et al., 1999). Этот лектин также обладает активностью апиразы (нуклеотидфосфогидролазы), что предполагает его функцию в начале пути передачи сигнала (фосфорилирования) и, таким образом, добавляет новый поворот в изучение лектинов. Ранее было показано, что экспрессия генов гороха или сои, кодирующих лектины семян с некаталитическими сайтами связывания сахара, расширяет диапазон хозяев клевера и лотоса corniculatus. Этот эффект был приписан способности лектина прикреплять достаточное количество бактерий к кончику корневого волоса до инфицирования или усиления вызванного LCO митогенного ответа, а не опосредованным LCO-связывающей / рецепторной функцией (van Rhijn et al. , 1998; Dıaz et al., 2000).

    Вопрос о природе и локализации рецептора фактора Nod все еще открыт, оставляя место для альтернативных моделей (Hirsch, 1992; Ardourel et al., 1994; Schultze and Kondorosi, 1998).Интригующие результаты исследований с бактериальными мутантами, неспецифическими LCO и хитин-олигомерами предполагают механизм восприятия с использованием двух рецепторов разной строгости или рецептора со сложным взаимодействием с субстратом. Простые производные LCO ( O -ацетилированные олигосахариды хитина) могут, например, индуцировать деления кортикальных клеток после микротаргетинга на корни Vicia и у сои, временную индукцию раннего гена нодулина Enod40 можно получить с незамещенным пентамером хитина. .Это указывает на иерархию ответов растений, требующих различной специфичности LCO для выполнения, и можно предусмотреть механизм, при котором на транспорт LCO, локализацию и рецепторное сродство могут влиять растительные хитиназы или гликозилгидролазы.

    Разрыв клеточного деления и образование инфекционной нити, наблюдаемый, например, у мутантов sym5 гороха и sym4 сладкого клевера, может служить подтверждением модели с двумя рецепторами, но обилие обычно невосприимчивых мутантов растений указывает на то, что общие шаги или интерактивные пути являются вовлеченный.Будущее клонирование на основе карт локусов, которые, как считается, участвуют в восприятии LCO, например, Sym2 из гороха и Sym5 из L. japonicus , вероятно, прояснят некоторые вопросы, а также могут объяснить, почему инфекции только наблюдается при наличии бактерий.

    ПЕРЕКРЕСТНЫЙ РАЗГОВОР РАЗВИТИЯ: ПРОВЕРКИ И СБАЛАНСЫ

    Развитие функциональных корневых клубеньков зависит от синхронной активации определенных наборов генов у обоих симбионтов. Характерный для стадий арест, наблюдаемый как у ризобиальных, так и у растительных мутантов, указывает на то, что процессы сильно скоординированы, но информация о «позднем» обмене сигналами несколько скудна. Однако продолжающаяся экспрессия генов nod в бактериях, содержащихся внутри инфекционных потоков, и локализация интернализованных иммунореактивных LCO в клетках созревающих корневых клубеньков указывают на связь с ранней передачей сигналов LCO. После эндоцитоза синтез LCO снижается в бактероидах. Таким образом, эндоцитоз и бактериальная дифференцировка, по-видимому, отмечают сдвиг в коммуникации между растением и ризобиями.

    Известно, что бактериальные поверхностные полисахариды участвуют в инфекционном процессе.В некоторых симбиотических взаимодействиях ризобиальные мутанты, дефицитные по экзо- или липополисахаридам (EPS I, EPS II и LPS), являются дефектными в процессе инфекции и могут вызывать усиленные защитные реакции хозяина, что свидетельствует о том, что поверхностные полисахариды защищают бактерии. Однако мутанты EPS частично спасаются путем экзогенного применения пикомолярных концентраций низких — M r полисахаридных фракций EPS I или EPS II, что позволяет предположить, что они действуют как сигнальные молекулы (González et al., 1996).

    Секретируемые белки также участвуют в передаче сигналов. Штаммы R. leguminosarum bv viciae выделяют NodO, белок, который, как было показано, образует ионные каналы, транспортирующие Ca 2+ , in vitro. In vivo NodO-опосредованное усиление прогрессирования инфекции и клубеньков наблюдалось у частично совместимых хозяев гороха. Штамм NGR234 имеет систему секреции белка III типа, известную от патогенных бактерий, как экспорт белковых факторов патогенности. Мутации, предотвращающие секрецию белков NGR234 NolX и y4xl (функции неизвестны), изменяют паттерн клубеньков у некоторых, но не у всех бобовых хозяев, подразумевая, что аспекты передачи сигналов белков являются общими между патогенами и симбионтами (Viprey et al., 1998). Будет интересно определить цели этих «поздних» сигналов и рассмотреть возможность положительной роли в развитии клубеньков, а также в предотвращении защиты.

    ВТОРИЧНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ ЧЕРЕЗ ФИТОГОРМОНЫ

    Большая часть архитектуры растений формируется постэмбриональным развитием, и изменения относительных концентраций гормонов под влиянием биотических и абиотических факторов сильно влияют на судьбу развития клеток и органов. Формирование корневых клубеньков не является исключением, и несколько линий доказательств предполагают роль фитогормонов во вторичной передаче сигналов.Инкубация с ингибиторами транспорта ауксина приводит к развитию пустых клубенько-подобных структур на корнях некоторых бобовых и экспрессии генов, таких как Enod12 , Enod40 и Enod2 , которые обычно экспрессируются на ранних этапах органогенеза корневых клубеньков ( Фанг и Хирш, 1998). Используя чувствительный к ауксину репортерный ген, было показано, что Rhizobium или внешнее добавление LCO приводит к быстрому временному и локальному ингибированию транспорта акропетального ауксина в корнях клевера (Mathesius et al., 1998). Это указывает на то, что измененный гормональный баланс следует за первичным сигналом LCO в месте инициации клубеньков, возможно, сенсибилизируя клетки для деления. Флавоноиды могут действовать как вторичные эффекторы в этом процессе, потому что фенилпропаноидный путь активируется во время нодуляции, и сообщалось о флавоноидном ингибировании транспорта ауксина.

    Для люцерны: поступающий извне цитокинин частично имитирует применение Nod-фактора. Продолжительное местное воздействие путем экспрессии гена биосинтеза цитокининов tzs в Nod Rhizobium привело к развитию свободных от бактерий клубенько-подобных структур.В Sesbania и люцерне LCO-отвечающие гены Enod12 и Enod40 , а также ген Enod2 все активируются цитокинином, и в этих корнях активируются деления клеток. Таким образом, цитокинин и LCO могут быть частью или влиять на передачу одного и того же сигнала во время клубеньков.

    Хотя есть различия в ответах бобовых, экзогенное применение этилена обычно отрицательно влияет на клубенькообразование, а агенты, ингибирующие биосинтез или восприятие этилена [1-α- (2-аминоэтоксивинил) -глицин и Ag + ], увеличивают клубенькообразование. Резкое увеличение числа стойких инфекций и числа узелков, развивающихся у мутанта Medicago truncatula , нечувствительного к этилену серп , показывает, что этилен участвует в локальной регуляции инфекции (Penmetsa and Cook, 1997). Однако сравнимый нечувствительный к этилену мутант сои не пострадал в клубеньке, что иллюстрирует трудности этих гормональных исследований без твердого знания задействованных механизмов (Schmidt et al., 1999). Люцерна имеет неопределенные клубеньки, а соя — определенные.Можно предположить, что опосредованный этиленом переход от неопределенных узелков к определенным, наблюдаемый на Sesbania , является еще одним проявлением дифференциальной реакции в двух типах узлов. В корнях гороха клубеньки развиваются преимущественно напротив полюсов протоксилемы. Локализация транскриптов АСС-оксидазы (и путем экстраполяции этилена) в клетках между полюсами протоксилемы в сочетании с градиентом уридинового «стел-фактора» от полюсов может предоставить позиционную информацию для этого позиционирования.

    КОНТРОЛЬ И АВТОРЕГУЛИРОВАНИЕ НОДУЛЯЦИИ АЗОТА

    Успешное клубенькообразование происходит в условиях ограничения азота, когда часть событий инвазии прогрессирует в функциональные узелки. Даже в оптимальных условиях большинство инфекционных потоков задерживается в слоях клеток гиподермального корня, а фактическое количество клубеньков ограничивается растением. Механизм ауторегуляции позволяет делениям корковых клеток в более старых зачатках клубеньков системно подавлять очаги деления молодых клеток (Caetano-Anolles and Gresshoff, 1991).Гиперодулирующие мутанты, развивающие избыточные узелки, избегают ауторегуляции и лишены нормального подавления нитратов, что указывает на то, что нитрат проявляет свой преимущественно локальный эффект через ауторегуляторный путь. В одном сообщении предполагалось, что этилен может участвовать в подавлении нитратов у люцерны, но данные по гороху не подтверждают роль этилена. Модель, предсказывающая перенос соединения, полученного из клубеньков, к побегу и возвращение ингибитора была сформулирована на основе экспериментов по прививке, демонстрирующих контроль генотипа побега фенотипа корня (Caetano-Anolles and Gresshoff, 1991). Идентичность этих соединений пока неизвестна, но как нитраты, так и ауторегуляция действуют независимо от питательных эффектов как таковых. Недавняя характеристика мутанта с гипернодуляцией har1 из Lotus указывает на то, что регуляция количества клубеньков интегрирована в механизмы, контролирующие развитие боковых корней (Wopereis et al., 2000).

    МНОЖЕСТВО ГЕНОВ АКТИВИРУЕТСЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НОДУЛЯ

    Формирование нового органа требует контролируемой во времени и пространстве активности генов и генных продуктов, участвующих в органогенном процессе.Используя биохимические или молекулярные методы, многие белки (называемые нодулинами) были обнаружены на повышенных уровнях в корневых узелках, и многие гены были сильно индуцированы в определенных типах клеток или тканях узелков. Самые ранние экспрессируемые гены, такие как Enod12 , Rip1 и LjCbp1 , активны в корневых волосках, тогда как гены, кодирующие белки, необходимые для физиологии и биохимии зрелого активного клубенька, как правило, сильно индуцируются непосредственно перед началом азотфиксации. . Леггемоглобин, участвующий в кислородной защите нитрогеназы, является классическим примером этого класса «поздних» нодулинов.Сложность регуляции генов во время клубеньков также иллюстрируется семейством генов leghemoglobin, некоторые члены которого уже экспрессируются в корневых волосках и примордиальных клетках (Cvitanich et al., 2000). Из исследований индуцированных генов до сих пор выявлен только ген Enod40 , играющий регулирующую роль в инициации клубеньков. Было предложено, что Enod40 кодирует небольшой пептид из 12-13 аминокислот (Franssen, 1998) и 3′-РНК, предложенную для контроля эффективности трансляции или локализации.В соответствии с регулирующей ролью, Enod40 транскрипционно активируется в клетках перицикла корня в течение нескольких часов после инокуляции или применения LCO и до деления кортикальных клеток.

    С появлением многочисленных последовательностей меток экспрессируемой последовательности (EST), доступных в настоящее время для различных бобовых, появится всеобъемлющее представление о генах, активных в корневых клубеньках, и, вероятно, изменится концепция нодулина. Полный обзор генов (EST) уже возможен только с помощью инструментов биоинформатики, поэтому читатели могут обращаться к базам данных и веб-страницам для доступа и анализа этой информации (www.kazusa.or.jp/en/plant/lotus/EST/,www.mbio.aau.dk/∼chp/, www.bio-SRL8.stanford.edu, http: //212.6.137.235/agowa/ и www. ncgr.org/research/mgi).

    ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НОДУЛИНОВЫХ ГЕНОВ

    Задача состоит в том, чтобы определить функцию генов из перечня EST и предоставить подробный анализ ключевых генов, управляющих образованием и функцией узелков. Хотя сходство с известными генами поможет, объем этой задачи ясен из настоящего короткого списка, показывающего нодулины, изученные с помощью молекулярной генетики (Таблица I).К сожалению, оказалось, что методы нокаута генов трудно применять на растениях, а функциональные исследования бобовых культур часто основываются на смысловых / антисмысловых исследованиях в отсутствие нулевого фенотипа. Например, некоторые растения, сверхэкспрессирующие кДНК Enod40 , демонстрировали ускоренную нодуляцию, тогда как другие линии, демонстрирующие ко-супрессию эндогенного гена Enod40 , развили модифицированные клубеньки или меньшее их количество (Charon et al., 1999). Исследования с геном Enod12 были менее сложными.В потомстве, разделяющем нулевые аллели, было обнаружено, что отсутствие Enod12 не влияло на развитие или функцию узелков. Либо ген был необязательным, либо избыточность компенсирует нулевой аллель. Недавняя демонстрация того, что интерференция двухцепочечной РНК может избирательно снижать активность генов у арабидопсиса (Chuang and Meyerowitz, 2000), может в будущем сделать более эффективными плантационные исследования функции генов у бобовых.

    Таблица I.

    Список генов и белков, проанализированных в planta для определения роли в развитии или функции корневых клубеньков

    ГЕНЕТИКА БАВОХ УЛУЧШИТ АНАЛИЗ РЕГУЛИРУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ

    Регуляторные механизмы, контролирующие развитие клубеньков, до сих пор рассматривались с помощью исследований ранней передачи сигналов или регуляции промоторов гена нодулина. Концептуально эти исследования начинаются на обоих концах процесса развития, стремясь встретиться между ними. Чтобы заполнить этот пробел, в настоящее время набирает силу генетический подход, предлагающий более прямую идентификацию центральных игроков и сборку путей из исследований эпистаза. Потенциальный вклад генетики растений в идентификацию генов и функциональный анализ был недавно продемонстрирован путем выделения гена начала клубенька L. japonicus ( Nin ) из симбиотического локуса, помеченного транспозоном кукурузы Ac (Schauser et al., 1999). Симбиотические мутанты известны у сои и гороха в течение многих лет, но Nin — это первый генетически определенный симбиотический локус, охарактеризованный на молекулярном уровне, и пример преимуществ, предлагаемых модельными бобовыми культурами. Фенотипически мутанты и не образуют клубеньков. Деления корковых клеток, первый шаг к образованию зачатков клубеньков, по-видимому, не инициируются. Подобно растениям дикого типа, мутанты и демонстрируют деформацию корневых волосков после инокуляции, указывая на то, что восприятие сигнала LCO является функциональным.Эти наблюдения указывают на функцию Nin на стыке передачи сигнала и активации гена. Присутствие предполагаемых доменов факторов транскрипции в белке NIN, а также региональное сходство с белком минус доминирование (Mid), контролирующим гаметогенез у Chlamydomonas , подтверждают эту идею.

    Рисунок 4 показывает структуру белка NIN и очерчивает рабочую модель роли Nin . На основе одного мутанта этого явно недостаточно, но сила модели заключается в поднятых вопросах.Является ли NIN центральным регулятором связывания ДНК или скромным коактиватором транскрипции, и если да, то какие гены активируются? Каковы ближайшие партнеры по апстриму, и активирован ли сам Nin ? Чтобы подойти к таким вопросам, необходимо тщательное исследование посттрансляционной регуляции NIN с помощью предсказанных трансмембранных доменов и идентификация первых клеток, экспрессирующих активный белок. Ключи также могут исходить из пространственно-временных паттернов экспрессии. Наблюдаемая экспрессия Nin в неинфицированных корнях позволяет проверить, играет ли NIN роль выше или ниже LCO-индуцированного импульса ауксина, используя ауксин-чувствительный репортер (Mathesius et al., 1998). Учитывая совпадение экспрессии и предполагаемых функций, NIN может взаимодействовать с продуктом гена Enod40 . Отсутствие наблюдаемых клеточных делений у мутантов nin поместило бы Nin выше Enod40 , предполагая, что в противном случае эндогенная экспрессия Enod40 будет индуцировать пролиферацию клеток. Однако следует проверить эффект экспрессии Enod40 в корнях мутантов и . В конечном итоге упорядочение Nin и симбиотических локусов, представленных в мутантных коллекциях, по пути (ам) вышестоящих и нижележащих акторов предоставит бесценную информацию.

    Рис.4.

    Структура белка NIN и рабочая модель для роли на ранних этапах инициации корневых клубеньков. A. LCO-зависимая деформация корневых волосков, наблюдаемая у мутантов nin , вместе с очевидным отсутствием деления клеток во внешней коре головного мозга, помещают ген Nin в сигнальную трансдукцию или активацию гена ниже восприятия LCO. Домены в NIN имеют сходство с доменами факторов транскрипции, предполагая функцию активации генов, необходимых для инициации клубеньков.Чтобы объяснить отсутствие образования инфекционных нитей у мутантов и , предполагается, что для этого процесса необходим вторичный положительный сигнал. Этот сигнал может в то же время подавлять дальнейшую деформацию корневых волосков, что объясняет чрезмерную реакцию корневых волосков у мутантов nin (Schauser et al., 1999). B. Настоящее разрешение событий во время образования клубеньков предсказывает, что гормональные изменения, Enod40 и Nin участвуют примерно на одной и той же стадии развития.Вертикальная штриховка, Предполагаемые трансмембранные домены; черные, кислые домены активации; серый, предполагаемый домен связывания / димеризации ДНК.

    ПРОМОУТЕРЫ НОДУЛИН: СОХРАНЕНИЕ НОРМАТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

    В попытке раскрыть регуляторный каскад управляющих генов, активируемых во время развития клубеньков, и в то же время описать предполагаемые мишени для путей передачи сигнала, были охарактеризованы промоторные области генов нодулина, экспрессирующиеся на ранних и поздних стадиях развития.Наиболее подробно анализировались промоторы из генов N23 сои и леггемоглобина lbc3 (Stougaard et al., 1990) вместе с Sesbania Srglb3 (Szczyglowski et al., 1994). Несколько цис-действующих регуляторных последовательностей были выделены с помощью делеций, гибридных промоторов и точечных мутаций промоторов, слитых с репортерными генами. Тип и локализация цис-действующих элементов в промоторах леггемоглобина были удивительно похожими, как показано на примере промотора lbc3 на Фигуре 5.Промотор lbc3 имеет сильный положительный элемент (энхансер), слабо положительный элемент (WPE) и органоспецифический элемент, содержащий высококонсервативный бокс AAAGAT-taTTGT-CTCTT в области промотора 2 kb (Ramlov et al. ., 1993; Szczyglowski et al., 1994).

    Рис.5.

    Схематическое изображение цис-действующих промоторных элементов и ДНК-связывающих белков промоторов сои lbc3 и гороха Enod12B . Сильный положительный элемент (SPE) lbc3 содержит три полусайта инвертированного повтора ( invXY ), предположительно взаимодействующих с транс-факторами, тогда как WPE имеет два сайта связывания для общего трансактиватора NAT2.Высококонсервативные области, важные для функции промотора, расположены в органоспецифических элементах (OSE) и негативных элементах (NE). Три белка, Cys-богатый polycomb-подобный белок (CPP1), клубеньковый гомеодомен-подобный (NDX) и леггемоглобин-связывающий фактор (LBF) связываются в еще не определенных сайтах минимального промотора -280. В промоторе Enod12B короткого положительного элемента, связывающего белок ENBP1, достаточно для тканеспецифической экспрессии LCO.

    Транс-действующие белки, связывающиеся с этими элементами ДНК или поблизости от них, были идентифицированы либо с помощью исследований прямого связывания с использованием задержки в геле, либо с помощью юго-западной гибридизации.Два высокомобильных белка группы I (NAT1, LAT1) были обнаружены в клубеньках и листьях. Аналогичный белок клубеньков NAT2 связывается с AT-богатыми последовательностями, граничащими с lbc3 WPE сои, и активирует минимальный промотор lbc3 в клубеньках, а также промотор rbcs-8B табака в листьях. Следовательно, NAT2 — это общий трансактиватор. Другой соевый белок, CPP1, связывающийся с минимальным промотором -280 lbc3 , содержит два богатых Cys домена, присутствующих в поликомб-белках, таких как Drosophila Ez (Cvitanich et al., 2000). Белки Polycomb обычно ограничивают экспрессию онтогенетических регуляторов, и есть некоторая поддержка негативной регуляции экспрессии lbc3 с помощью CPP1 (Cvitanich et al., 2000). Дополнительные транс-факторы lbc3 , анализируемые в настоящее время на функциональных уровнях, представляют собой гомеобоксоподобные белки и связанные с патогенезом белки-активаторы (рис. 5).

    Ранний промотор нодулина гороха из Enod12B был проанализирован аналогичным подходом. Было обнаружено, что короткой промоторной области -139 достаточно как для экспрессии клубеньков, так и для активации в LCO-индуцированных зачатках и взаимодействия с белком раннего нодулин-связывающего белка (ENBP1).Когда мутантные мотивы сайта связывания анализировали на связывание ENBP1 in vitro и in vivo, была обнаружена корреляция между связыванием и активностью промотора (Hansen et al., 1999), но ENBP1 не ограничивал экспрессию Enod12 в трансгенных растениях. Белок ENBP1 содержит типичные АТ-крючки, которые, как было показано, необходимы для связывания промотора, и домен цинкового пальца. Промоторы гена MsEnod40-1 и MsEnod12A отвечают на LCO и цитокинины, но о четко определенных регуляторных элементах ДНК, действующих в контролируемой фитогормоном экспрессии генов, не сообщалось (Bauer et al., 1996; Фанг и Хирш, 1998). Дополнительный анализ промотора может в конечном итоге установить прямую связь между физиологией фитогормона и экспрессией генов во время органогенеза клубеньков.

    ПЕРСПЕКТИВЫ И ВЫВОДЫ

    Описание молекул фактора LCO Nod и их морфогенного воздействия на корни бобовых подняло возможность более общей роли в качестве до сих пор не открытого класса эндогенных регуляторов роста растений. Сейчас, 10 лет спустя, все еще остается открытым вопрос, является ли индукция узелков специализированным эффектом или уникальным событием.LCO, подобные соединениям, синтезируемым Rhizobium , остаются неописанными в растениях, и доказательства их существования являются косвенными. В качестве недавнего примера, исследование активности промотора гороха Enod12 в рисе пришло к выводу, что механизм восприятия LCO функционирует у однодольных растений. (Reddy et al., 1998; дополнительные наблюдения см. В Spaink, 1996). Arabidopsis, который предоставил новые убедительные доказательства роли брассиностероидов в развитии растений, хранит необычное молчание в отношении LCO.О генах, сходных с бактериальными генами nod , до сих пор не сообщалось в программе секвенирования генома Arabidopsis, хотя ген со сходством с nodC был обнаружен у Xenopus (Spaink, 1996; Schultze and Kondorosi, 1998). Арабидопсис может по-прежнему вносить свой вклад, но нам, возможно, также придется дождаться характеристики рецептора (ов) LCO бобовых и пути (путей) передачи сигнала, прежде чем этот вопрос будет успешно решен на небобовых культурах. Беспорядочное взаимодействие микоризы с растением — еще одна возможность приблизиться к симбиотическим функциям и генам с более общей ролью.У некоторых мутантных растений, не вызывающих клубеньков, также нарушена микоризная колонизация. Это, вместе с экспрессией Enod12 , Enod40 и Enod2 в корнях, колонизированных микоризой, указывает на перекрытия в программах, управляющих эндосимбиозом. В этом более широком контексте сравнительный геномный анализ симбиотических генов должен существенно улучшить понимание развития растений. Взяв в качестве примера Nin , несколько не охарактеризованных генов Arabidopsis, подобных гену Nin , можно идентифицировать по последовательности генома, и функциональный анализ этих генов у Arabidopsis теперь является очевидной задачей.Этот анализ впоследствии может быть использован для определения функции Nin и его паралогов в развитии и клубеньке бобовых.

    С появлением новых инструментов функциональной геномики в модельных бобовых, анализ вклада растений в симбиоз будет набирать скорость. Мечение транспозонов и Т-ДНК вместе с клонированием симбиотических локусов на основе карт — это подходы, обязательные для идентификации новых генов в системе регуляции корневых клубеньков. Комбинация информации о последовательности, полученной с помощью секвенирования EST и анализа экспрессии с использованием микрочипов или ДНК-чипов, предоставит информацию о глобальной активности генов в различных условиях, улучшит характеристику мутантов и позволит идентифицировать участники пути по данным совместной экспрессии.Протеомика дополнит этот анализ и внесет вклад в биохимию. В ближайшие годы механизмы будут добавлены ко многим подробным и тщательным описательным исследованиям прошлого. Функциональная и сравнительная геномика будет играть важную роль в выяснении передачи сигналов, регуляции генов и функции генов в симбиозе. При более всестороннем понимании симбиоза бобовых, возникает загадочный вопрос, почему только Parasponia andersonii ( Ulmacea ) среди небобовых растений образует клубеньки с Rhizobium , и столь же интригующий вопрос о генетических различиях между бобовыми и другими растениями. можно было подойти.

    БЛАГОДАРНОСТИ

    Я благодарен коллегам, которые щедро предоставили оттиски или препринты для этой статьи. Приношу свои извинения многим коллегам, чьи публикации я не смог ни включить, ни процитировать. Я благодарю доктора Лейфа Шаузера за изображения, использованные на рисунках 1 и 2, и сотрудников Лаборатории экспрессии генов за комментарии к рукописи.

    • Получено 3 мая 2000 г.
    • Принято 22 июня 2000 г.

    Что такое установки для фиксации азота

    Азот для растений жизненно важен для успеха сада.Без достаточного количества азота растения потерпят неудачу и не смогут расти. В мире много азота, но большая часть азота в мире — это газ, и большинство растений не могут использовать азот в качестве газа. Большинство растений должны полагаться на добавление азота в почву, чтобы иметь возможность использовать его. Однако есть несколько растений, которые любят газообразный азот; они способны извлекать азот из воздуха и хранить его в своих корнях. Их называют азотфиксирующими растениями.

    Как растения фиксируют азот?

    Азотфиксирующие установки не извлекают азот из воздуха самостоятельно.Им действительно нужна помощь обычных бактерий под названием Rhizobium. Бактерии заражают бобовые растения, такие как горох и фасоль, и используют растения, чтобы помочь им извлекать азот из воздуха. Бактерии преобразуют этот газообразный азот и затем хранят его в корнях растения.

    Когда растение накапливает азот в корнях, на корне образуется комок, называемый азотным клубеньком. Это безвредно для растения, но очень полезно для вашего сада.

    Как азотные конкреции повышают содержание азота в почве

    Когда бобовые и другие азотфиксирующие растения и бактерии работают вместе, чтобы накапливать азот, они создают зеленый склад в вашем саду.Во время роста они выделяют очень мало азота в почву, но когда они заканчивают расти и умирают, их разложение высвобождает накопленный азот и увеличивает общее количество азота в почве. Их смерть позже делает азот доступным для растений.

    Как использовать растения для фиксации азота в вашем саду

    Азот для растений необходим для вашего сада, но его сложно добавить без химической помощи, что нежелательно для некоторых садоводов. В этом случае полезны азотфиксирующие растения.Попробуйте посадить озимые покровные культуры бобовых, например клевер или озимый горох. Весной вы можете просто обработать грядки под растениями.

    По мере разложения этих растений они будут повышать общее содержание азота в почве и делать азот доступным для растений, которые не могут получать азот из воздуха.

    Ваш сад станет более зеленым и пышным благодаря растениям, фиксирующим азот, и их полезным симбиотическим отношениям с бактериями.

    Две системы отрицательной регуляции симбиоза корневых клубеньков: как сбалансированы преимущества и затраты симбиотика? | Физиология растений и клетки

    Аннотация

    Симбиоз корневых клубеньков — одно из наиболее охарактеризованных мутуалистических взаимоотношений симбиоза растений и микробов, при котором в основном бобовые виды могут получать источники азота, закрепленные азотфиксирующими ризобиями, путем образования симбиотических корневых клубеньков органов.Чтобы управлять этим симбиотическим процессом, растениям необходимо обеспечивать источники углерода, которые следует использовать для их роста. Следовательно, во время симбиоза корневых клубеньков необходимо поддерживать баланс между преимуществами получения источников азота и затратами на потерю источников углерода. У растений сформировалось по крайней мере две негативные регуляторные системы симбиоза корневых клубеньков. Одна из стратегий включает регулирование количества клубеньков в ответ на ризобиальную инфекцию. Для этой регуляции системная передача сигналов на большие расстояния между корнями и побегами, называемая ауторегуляцией клубеньков, играет ключевую роль.Другая стратегия включает регулирование симбиоза корневых клубеньков в ответ на нитраты, наиболее распространенную форму азотных питательных веществ в почве. Недавние исследования показывают, что передача сигналов на большие расстояния является общей между двумя стратегиями, где NIN и NRSYM1, два паралогичных фактора транскрипции RWP-RK, могут активировать продукцию связанных с клубеньями CLE пептидов в ответ на разные входные данные. Здесь мы даем обзор такого прогресса в нашем понимании молекулярных механизмов, имеющих отношение к контролю симбиотического баланса, включая их биологическое значение.

    Введение

    Корневой узелок — это боковой орган, образующийся на корнях бобовых во время взаимодействия с азотфиксирующими бактериями, вместе называемыми ризобиями. Населяющие клубеньки эндосимбиотические ризобии поставляют растениям-хозяевам аммиак, превращенный из атмосферного диазота. И наоборот, растения-хозяева потребляют продукты фотосинтеза в качестве источника энергии для развития клубеньков и фиксации азота. С точки зрения растений, чрезмерный симбиоз, другими словами чрезмерное образование клубеньков, может быть вредным для роста растений, поскольку в этой ситуации растения теряют источники углерода, которые должны использоваться для их роста.Следовательно, во время симбиоза бобовых — Rhizobium необходимо поддерживать баланс между преимуществами получения источников азота и затратами на потерю источников углерода. В этом обзоре мы суммируем недавние исследования, относящиеся к механизму, участвующему в контроле такого симбиотического баланса.

    Обмен сигналами на большие расстояния между ризобиальной инфекцией и ответом на нитраты

    Чтобы сбалансировать преимущества и затраты, связанные с симбиозом корневых клубеньков, растения разработали по крайней мере две системы отрицательной регуляции клубеньков.Одна из стратегий включает регулирование количества клубеньков в ответ на ризобиальную инфекцию посредством ауторегуляции клубеньков (AON), что в настоящее время понимается как системный процесс передачи сигналов дальнего действия между корнями и побегами (рис. 1A; Caetano-Anolles and Gresshoff 1991, Oka -Кира и Кавагути 2006, Сузаки и др. 2015, Окамото и др. 2016). Механизм AON в значительной степени консервативен среди бобовых видов, и компоненты AON были идентифицированы в исследованиях Lotus japonicus , Medicago truncatula и Glycine max (соя) (Searle et al.2003, Schnabel et al. 2005 г., Мортье и др. 2010 г., Reid et al. 2011 г., Мортье и др. 2012 г., Reid et al. 2013 г., Suzaki et al. 2015) . В L. japonicus ризобиальная инфекция индуцирует продукцию трех пептидов, принадлежащих к семейству CLAVATA3 / EMBRYO SURROUNDING REGION (CLE), а именно CLE-ROOT SIGNAL 1 (CLE-RS1), -RS2 и -RS3, в корни (Okamoto et al. 2009, Nishida et al. 2016). Фактор транскрипции RWP-RK NODULE INCEPTION (NIN) участвует в активации генов CLE-RS1 и -RS2 при ризобиальной инфекции (Soyano et al.2014). Получающиеся в результате пептиды CLE-RS1 / 2, предположительно полученные из корней мобильных сигналов, отрицательно влияют на нодуляцию, возможно, через взаимодействие с действующей на побеги лейциновой рецептор-подобной киназой (LRR-RLK), названной HYPERNODULATION ABERRANT ROOT FORMATION 1 (HAR1) предполагается, что он образует рецепторный комплекс с другим LRR-RLK, KLAVIER (KLV), и белком LRR-RL, LjCLV2 (Wopereis et al. 2000, Kawaguchi et al. 2002, Krusell et al. 2002, Nishimura et al. 2002, Миядзава и др. 2010, Крузелл и др.2011 г., Окамото и др. 2013). В результате индуцируется выработка вторичных сигналов, происходящих от побегов, и эти сигналы транспортируются вниз к корню, чтобы блокировать дальнейшее развитие клубеньков. Показано, что ризобиальная инфекция индуцирует экспрессию ISOPENTENYL TRANSFERASE 3 ( LjIPT3 ) в побегах в зависимости от HAR1 и ; этот ген кодирует фермент, участвующий в пути биосинтеза цитокининов (Sasaki et al. 2014). Зависимая от ризобий индукция IPT3 в побеге была недавно подтверждена у M.truncatula (Азарахш и др., 2018). Более того, в L. japonicus цитокинин, нанесенный из семядолей, может транспортироваться к корням и впоследствии ингибировать клубенькообразование (Sasaki et al. 2014). TOO MUCH LOVE ( TML ), кодирующий предполагаемый белок F-box, по-видимому, необходим для опосредованной цитокинином негативной регуляции клубеньков (Magori et al. 2009, Takahara et al. 2013, Sasaki et al. 2014).

    Другая стратегия включает регуляцию симбиоза корневых клубеньков в ответ на нитраты.В среде с достаточным содержанием нитратов нитраты влияют на плейотропные фазы клубеньков (Streeter and Wong 1988, Nishida and Suzaki 2018, Nishida et al. 2018). Это означает, что у растений есть механизм для контроля каждого шага клубеньков в ответ на доступность нитратов. В дополнение к их фенотипам с гиперклубеньками, мутации в ключевых LRR-RLK, участвующих в AON, сохраняют образование клубеньков даже в присутствии высокой концентрации нитратов (Carroll et al. 1985, Wopereis et al. 2000, Oka-Kira et al. 2005, Schnabel et al.2005, Магори и др. 2009 г.). Более того, экспрессия генов CLE-RS2 и CLE-RS3 индуцируется не только ризобиальной инфекцией, но и применением нитратов (Okamoto et al. 2009, Nishida et al. 2016). Эти наблюдения предполагают, что механизм индуцированного нитратами контроля клубеньков имеет общие элементы с AON (Okamoto et al. 2009, Okamoto and Kawaguchi 2015). Недавно был идентифицирован L. japonicus NITRATE UNRESPONSIVE SYMBIOSIS 1 ( NRSYM1 ), кодирующий фактор транскрипции NIN-LIKE PROTEIN (NLP), как ключевой регулятор, вовлеченный в плейотропный контроль симбиоза корневых клубеньков нитратами (Nishida et al.2018). У небобовых Arabidopsis NLP6 и NLP7 играют ключевую роль в качестве главного регулятора нитратного ответа (Marchive et al.2013, Liu et al.2017, Nishida and Suzaki 2018). Поскольку NRSYM1 также необходим для нитратного ответа в несимбиотических условиях (Nishida et al. 2018), фундаментальная роль, относящаяся к общему нитратному ответу, по-видимому, сохраняется в L. japonicus . В отличие от мутантов AON, мутанты nrsym1 образуют нормальное количество клубеньков и проявляют толерантность к нескольким процессам, связанным с нитратами, включая ризобиальную инфекцию, количество клубеньков, рост клубеньков и активность азотфиксации (Carroll et al.1985, Wopereis et al. 2000, Ока-Кира и др. 2005 г., Schnabel et al. 2005, Магори и др. 2009 г., Нишида и др. 2018). NRSYM1 непосредственно регулирует экспрессию CLE-RS2 в ответ на нитрат, а сигнальный путь NRSYM1 → CLE-RS2, как полагают, контролирует количество узелков посредством передачи сигналов ниже по течению, аналогично тому, как у AON (рис. 1A; Nishida et al. ). Таким образом, сигнальный путь CLE-пептиды → HAR1 является общим для ризобиальной инфекции и нитратных ответов. В первом случае NIN активирует CLE-RS1 / 2 (Soyano et al.2014), а в последнем NRSYM1 активирует CLE-RS2 (Nishida et al. 2018).

    Влияние двух систем отрицательной регуляции нодуляции на контроль симбиотического баланса

    Что касается контроля связанного с питанием симбиотического баланса, возможно, что бобовые культуры дикого типа (WT) могут соответствующим образом контролировать энергию, связанную с симбиозом корневых клубеньков, используя два метода отрицательной регуляции, описанные выше. В L. japonicus NRSYM1, вероятно, регулирует баланс между доступностью азота из почвы и источниками углерода, потребляемыми во время симбиоза в условиях достаточного количества нитратов (Nishida et al.2018). При таком контроле может иметь значение наклон баланса для получения внешнего азота, а не для поддержания равновесия. Мутанты nrsym1 , которые не могут изменять наклон, образуют зрелые клубеньки в нитрат-достаточных условиях. Следовательно, растения nrsym1 , по-видимому, не могут сэкономить на затратах, связанных с клубенькообразованием. Фактически, их рост хуже, чем у WT (рис. 1B, Nishida et al. 2018). Система AON обеспечивает еще один баланс для поддержания источников азота, полученных в результате симбиоза, и источников углерода, потребляемых в симбиозе (Oka-Kira and Kawaguchi 2006, Kouchi et al.2010). В этом случае может быть важно поддерживать равновесие. Мутанты AON, такие как har1 , обнаруживают ограниченный рост растений из-за гипернодуляции, где негативная регуляция клубеньков в ответ на ризобиальную инфекцию неэффективна (Wopereis et al. 2000, Oka-Kira et al. 2005, Magori et al. 2009). Поскольку AON дополнительно участвует в подавлении числа клубеньков нитратом, в условиях достаточного количества нитратов мутация har1 вызывает чрезмерное образование незрелых клубеньков, тем самым замедляя рост растений (рис.1B; Nishida et al. 2018). Двойные мутанты nrsym1 har1 , у которых одновременно нарушены две негативные регуляции, обнаруживают избыточное образование зрелых клубеньков и обнаруживают более серьезные дефекты по сравнению с каждым одиночным мутантом (Fig. 1B). Это наблюдение демонстрирует важность регулирования двух балансов для регулирования симбиоза и роста растений в среде с достаточным содержанием нитратов.

    Рис. 1

    (A) Модель системной и локальной негативных регуляторных систем симбиоза корневых клубеньков в ответ на ризобиальную инфекцию или нитрат в L.japonicus . Для отрицательной регуляции количества клубеньков два фактора транскрипции RWP-RK-типа, LjNIN и NRSYM1, активируют продукцию связанных с клубеньками пептидов LjCLE в корне; LjNIN индуцирует экспрессию CLE-RS1 / 2 в ответ на ризобиальную инфекцию, а NRSYM1 активирует экспрессию CLE-RS2 в ответ на нитрат. Нисходящий сигнальный путь, вероятно, будет совместно использоваться двумя разными входами. Полученный из побегов цитокинин может ингибировать инициацию клубеньков, вероятно, за счет подавления LjNIN , действующего как положительный регулятор органогенеза клубеньков TML-зависимым образом.Учитывая, что CLE-RS3 , экспрессия которого индуцируется не только ризобиальной инфекцией, но и обработкой нитратами, обладает способностью отрицательно регулировать нодуляцию, CLE-RS3 может быть прямым геном-мишенью как LjNIN, так и NRSYM1. Помимо контроля количества клубеньков, NRSYM1 регулирует ризобиальную инфекцию, рост клубеньков и активность азотфиксации посредством регуляции транскрипции неидентифицированных генов-мишеней в ответ на нитраты. Эти действия NRSYM1 могут происходить локально в корне.Эта модель основана на ранее предложенной (Nishida et al. 2018). (B) Влияние NRSYM1- и / или HAR1-опосредованного симбиотического баланса на рост и клубенькообразование растений. Показаны побеги [42 дня после инокуляции (dai)] и клубеньки (21 день) WT, мутантов nrsym1-1 , мутантов har1-7 и двойных мутантов nrsym1-1 har1-7 . Растения выращивали в присутствии 10 мМ KNO 3 и инокулировали ризобиями. Масштабная линейка = 1 мм. — -, дальнейшее уменьшение; -, снижение; +, нормальный; ++, превышение.(C) Схематическое изображение, показывающее время индукции связанного с нодуляцией гена LjCLE после ризобиальной инфекции. Схематично показано время индукции CLE-RS1 , CLE-RS2 и CLE-RS3 ризобиальной инфекцией. Более глубокие цвета указывают на более высокий уровень относительной индукции.

    Рис. 1

    (A) Модель системной и локальной негативных регуляторных систем симбиоза корневых клубеньков в ответ на ризобиальную инфекцию или нитрат в L.japonicus . Для отрицательной регуляции количества клубеньков два фактора транскрипции RWP-RK-типа, LjNIN и NRSYM1, активируют продукцию связанных с клубеньками пептидов LjCLE в корне; LjNIN индуцирует экспрессию CLE-RS1 / 2 в ответ на ризобиальную инфекцию, а NRSYM1 активирует экспрессию CLE-RS2 в ответ на нитрат. Нисходящий сигнальный путь, вероятно, будет совместно использоваться двумя разными входами. Полученный из побегов цитокинин может ингибировать инициацию клубеньков, вероятно, за счет подавления LjNIN , действующего как положительный регулятор органогенеза клубеньков TML-зависимым образом.Учитывая, что CLE-RS3 , экспрессия которого индуцируется не только ризобиальной инфекцией, но и обработкой нитратами, обладает способностью отрицательно регулировать нодуляцию, CLE-RS3 может быть прямым геном-мишенью как LjNIN, так и NRSYM1. Помимо контроля количества клубеньков, NRSYM1 регулирует ризобиальную инфекцию, рост клубеньков и активность азотфиксации посредством регуляции транскрипции неидентифицированных генов-мишеней в ответ на нитраты. Эти действия NRSYM1 могут происходить локально в корне.Эта модель основана на ранее предложенной (Nishida et al. 2018). (B) Влияние NRSYM1- и / или HAR1-опосредованного симбиотического баланса на рост и клубенькообразование растений. Показаны побеги [42 дня после инокуляции (dai)] и клубеньки (21 день) WT, мутантов nrsym1-1 , мутантов har1-7 и двойных мутантов nrsym1-1 har1-7 . Растения выращивали в присутствии 10 мМ KNO 3 и инокулировали ризобиями. Масштабная линейка = 1 мм. — -, дальнейшее уменьшение; -, снижение; +, нормальный; ++, превышение.(C) Схематическое изображение, показывающее время индукции связанного с нодуляцией гена LjCLE после ризобиальной инфекции. Схематично показано время индукции CLE-RS1 , CLE-RS2 и CLE-RS3 ризобиальной инфекцией. Более глубокие цвета указывают на более высокий уровень относительной индукции.

    Перспективы изучения двух систем отрицательного регулирования нодуляции

    Было показано, что

    NRSYM1 регулирует плейотропные фазы симбиоза корневых клубеньков в ответ на нитрат (Nishida et al.2018). Хотя было показано, что NRSYM1 регулирует индуцированный нитратами контроль количества клубеньков посредством сигнального модуля CLE-RS2 → HAR1, гены, непосредственно нацеленные на NRSYM1 в других индуцированных нитратами регуляторных процессах, таких как ризобиальная инфекция, рост клубеньков и азотфиксация, остаются неизвестный. Таким образом, чтобы понять индуцированный нитратами плейотропный контроль симбиоза корневых клубеньков, будущие исследования должны быть направлены на идентификацию генов-мишеней NRSYM1, отличных от CLE-RS2 во время контроля таких процессов.Поскольку показано, что NLP связываются с нитрат-чувствительным цис -элементом (NRE) у Arabidopsis и L. japonicus (Konishi and Yanagisawa 2013, Suzuki et al.2013, Nishida et al.2018), присутствие NRE может быть ключом к идентификации генов-мишеней NRSYM1.

    Эксперимент с раздвоенным корнем с использованием L. japonicus подтвердил, что системная передача сигналов AON занимает примерно 3 дня после инокуляции, чтобы ингибировать образование клубеньков (Suzuki et al. 2008). Напротив, достаточное подавление роста клубеньков и активности азотфиксации наблюдается в течение 1 дня после обработки нитратами (Fujikake et al.2003, Cabeza et al. 2014 г., Сайто и др. 2014). На основе этой быстрой реакции последние два процесса могут регулироваться локально в корне. В отношении сои результаты экспериментов с раздвоенным корнем и двухслойным горшком предполагают, что как системные, так и местные механизмы контролируют каждый аспект симбиоза корневых клубеньков при внесении нитратов (Cho and Harper 1991, Yashima et al. 2003, Jeudy et al.2010) . Например, рост клубеньков и активность азотфиксации как системно, так и локально контролируются нитратами, хотя местное действие имеет более сильные эффекты, чем системное действие (Yashima et al.2003 г., Jeudy et al. 2010).

    В текущей модели AON, хотя экспрессия CLE-RS1 / 2 быстро и временно индуцируется в ответ на ризобиальную инфекцию, AON, по-видимому, поддерживает количество узелков после относительно более слабой индукции экспрессии CLE-RS1 / 2 (Окамото и др., 2009 г., Нишида и др., 2016 г.). Вероятно, что неидентифицированные факторы способствуют контролю количества клубеньков на более поздних стадиях клубеньков. Время индукции CLE-RS3 после инокуляции ризобиями медленнее, чем у CLE-RS1 / 2 (рис.1С; Nishida et al. 2016). Таким образом, можно предположить, что недавно идентифицированный ген CLE играет роль в AON на более поздних стадиях клубеньков. Действительно, исторический эксперимент по хирургическому удалению зрелых узелков показал, что ингибирование клубеньков может происходить на более поздних стадиях клубеньков (Nutman 1952). Кроме того, у L. japonicus некоторые так называемые мутанты Fix , которые имеют нефункциональные узелки с точки зрения азотфиксации, имеют тенденцию образовывать повышенное количество узелков (Suganuma et al.2003, Krusell et al. 2005 г., Małolepszy et al. 2015). Эти наблюдения предполагают, что механизм может быть задействован в контроле количества клубеньков на более поздней стадии клубеньков, что может быть связано с мониторингом азотфиксирующей активности в клубеньках. Выяснение этого момента может дать новое представление об исследованиях AON. Более того, хотя AON является одной из хорошо охарактеризованных форм передачи сигналов на большие расстояния у растений, в настоящее время, по-видимому, нет убедительного объяснения того, почему нодуляция должна контролироваться передачей сигналов между корнями и побегами.Учитывая, что источник углерода расходуется для управления симбиотическими процессами, есть вероятность, что контроль поглощения азота через клубеньки необходимо контролировать на уровне всего растения с учетом углеродного статуса в побегах. В качестве альтернативы, использование передачи сигналов от корня к побегу на большом расстоянии может позволить растениям быстро и эффективно реагировать на колебания питательной среды, такой как нитраты. Уточнение этого момента будет способствовать более глубокому пониманию передачи сигналов на большие расстояния у растений.

    До сих пор мы описали механизм в среде, достаточной для нитратов. Нитраты обычно распределяются в почве неравномерно, и у растений выработался системный механизм передачи сигналов дальнего действия, посредством которого азотное голодание в части корня приводит к увеличению поглощения нитратов в богатых нитратами зонах корня (Zhang et al. 1999, Gansel). и др. 2001 г., Руффель и др. 2008 г., Руффель и др. 2011 г.). У Arabidopsis подвижные пептиды от корней к побегам, принадлежащие к семейству С-КОНЦЕЧНО-ЗАКОДИРОВАННЫХ ПЕПТИДОВ (CEP), индуцируются в корнях, испытывающих нехватку азота, и они принимаются двумя LRR-RLK, CEP-РЕЦЕПТОРОМ 1 (CEPR1) и CEPR2, в побеге. (Табата и др.2014 г., Окамото и др. 2016). Затем в листьях индуцируется продукция полипептидов, специфичных для флоэмы, CEP DOWNSTREAM 1 (CEPD1) и CEPD2, и они транспортируются от побега к корню через флоэму, что приводит к индукции экспрессии NITRATE TRANSPORTER 2.1 в листьях. зоны, богатые нитратами, для поглощения нитратов (Ohkubo et al., 2017). Хотя взаимосвязь между передачей сигналов CEP и накоплением нитратов у бобовых в значительной степени неизвестна, сообщалось, что M. truncatula COMPACT ROOT ARCHITECTURE 2 ( CRA2 ), который кодирует LRR-RLK, ортологичный CEPR1, действует как положительный регулятор в нодуляция (Huault et al.2014). Эксперименты по взаимной прививке с использованием мутантов WT и cra2 показали, что фенотип с низкой нодуляцией возникает только тогда, когда растения cra2 используются в качестве привоя (Huault et al. 2014). Кроме того, пептид MtCEP1 может способствовать клубеньку CRA2-зависимым образом (Mohd-Radzman et al. 2016). В то время как симбиоз корневых клубеньков развивается в среде с дефицитом азота, неизвестно, каким образом передача сигналов, связанная с дефицитом нитратов, активирует симбиоз корневых клубеньков. Недавно было показано, что AtNLP6 / 7 подавляет экспрессию гена клеточного цикла CYCLINB1; 1 и контролируют рост меристемы корня в условиях дефицита азота (Guan et al.2017). Это говорит о том, что AtNLP6 / 7 функционирует как в условиях достаточного количества нитратов, так и в условиях недостаточности. Кроме того, NIN, который принадлежит к тому же семейству NLP, что и NRSYM1, выполняет двойную роль в регуляции клубеньков; NIN действует как положительный регулятор органогенеза клубеньков и как отрицательный регулятор, подавляющий клубеньки (Schauser et al. 1999, Marsh et al. 2007, Soyano et al. 2013, Soyano et al. 2014, Yoro et al. 2014). Следовательно, возможно, стоит изучить возможность того, что NRSYM1 положительно регулирует симбиоз корневых клубеньков при определенных условиях, например, в среде с дефицитом азота.Исследования влияния NRSYM1 во время дефицита нитратов будут включать изучение потенциального взаимодействия между передачей сигналов NRSYM1 и CEP.

    Благодарности

    Мы благодарим Масаёси Кавагути и Такаши Сояно за их критическое прочтение рукописи.

    Финансирование

    Эта работа была поддержана Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT) / Японским обществом содействия науке (JSPS) KAKENHI [16H01457 и 18H04773 to T.С.]; Японское агентство науки и технологий (JST) ERATO [JPMJER1502 to T.S] и JSPS [Grant-in-Aid for Research Fellows (17J02948 to H.N.)].

    Раскрытие информации

    Авторы не заявляют о конфликте интересов.

    Список литературы

    Azarakhsh

    M.

    ,

    Lebedeva

    MA

    ,

    Lutova

    LA

    (

    2018

    )

    Идентификация и анализ экспрессии генов изопентенилтрансферазы Medicago truncatula ( IPT s), вовлеченных в локальные и системный контроль нодуляции

    .

    Фронт. Plant Sci.

    9

    :

    304

    .

    Cabeza

    R.

    ,

    Koester

    B.

    ,

    Liese

    R.

    ,

    Lingner

    A.

    ,

    Baumgarten

    V.

    ,

    Dirks

    J.

    , et al. al. (

    2014

    )

    Анализ транскриптома с секвенированием РНК позволяет по-новому взглянуть на молекулярные аспекты влияния нитратов на активность клубеньков Medicago truncatula

    .

    Физиология растений

    .

    164

    :

    400

    411

    .

    Caetano-Anolles

    G.

    ,

    Gresshoff

    P.M.

    (

    1991

    )

    Генетический контроль клубеньков растений

    .

    Annu. Rev. Microbiol.

    45

    :

    345

    382

    .

    Кэрролл

    B.J.

    ,

    McNeil

    D.L.

    ,

    Gresshoff

    P.M.

    (

    1985

    )

    Выделение и свойства сои [ Glycine max (L.) Merr.] Мутанты, образующие клубеньки в присутствии высоких концентраций нитратов

    .

    Proc. Natl. Акад. Sci. США

    82

    :

    4162

    4166

    .

    Чо

    M.-J.

    ,

    Harper

    J.E.

    (

    1991

    )

    Влияние локализованного внесения нитратов на концентрацию изофлавоноидов и клубенькообразование в системах раздвоенных корней у растений сои дикого типа и мутантных клубеньков

    .

    Физиология растений

    .

    95

    :

    1106

    1112

    .

    Fujikake

    H.

    ,

    Yamazaki

    A.

    ,

    Ohtake

    N.

    ,

    Sueyoshi

    K.

    ,

    Matsuhashi

    S.

    ,

    Ito

    T.

    и др. al. (

    2003

    )

    Быстрое и обратимое ингибирование роста клубеньков корня сои нитратами включает уменьшение поступления сахарозы в клубеньки

    .

    J. Exp. Бот

    .

    54

    :

    1379

    1388

    .

    Gansel

    X.

    ,

    Muños

    S.

    ,

    Tillard

    P.

    ,

    Gojon

    A.

    (

    2001

    )

    Дифференциальное регулирование NO3 и Nh5 + гены-переносчики AtNrt2.1 и AtAmt1.1 в Arabidopsis : связь с дистанционным и местным контролем по статусу N растения

    .

    Завод J

    .

    26

    :

    143

    155

    .

    Гуань

    P.

    ,

    Ripoll

    J.-J.

    ,

    Wang

    R.

    ,

    Vuong

    L.

    ,

    Bailey-Steinitz

    L.J.

    ,

    Ye

    D.

    и др. (

    2017

    )

    Взаимодействующие факторы транскрипции TCP и NLP контролируют реакцию растений на доступность нитратов

    .

    Proc. Natl. Акад. Sci. США

    114

    :

    2419

    2424

    .

    Huault

    E.

    ,

    Laffont

    C.

    ,

    Wen

    J.

    ,

    Mysore

    K.S.

    ,

    Ratet

    P.

    ,

    Duc

    G.

    и др. (

    2014

    )

    Локальная и системная регуляция архитектуры корневой системы растений и симбиотическая нодуляция рецептор-подобной киназой

    .

    PLoS Genet.

    10

    :

    e1004891.

    Jeudy

    C.

    ,

    Ruffel

    S.

    ,

    Freixes

    S.

    ,

    Tillard

    P.

    ,

    Santoni

    A.L.

    ,

    Morel

    S.

    и др. (

    2010

    )

    Адаптация Medicago truncatula к ограничению азота модулируется посредством местных и системных реакций развития клубеньков

    .

    Новый Фитол

    .

    185

    :

    817

    828

    .

    Кавагути

    М.

    ,

    Имаидзуми-Анраку

    H.

    ,

    Koiwa

    H.

    ,

    Niwa

    S.

    ,

    Ikuta

    A.

    ,

    Syono

    K.

    и др. (

    2002

    )

    Корневые, корневые волоски и симбиотические мутанты модельного бобового растения Lotus japonicus

    .

    Мол. Взаимодействие с растительными микробами.

    15

    :

    17

    26

    .

    Konishi

    M.

    ,

    Yanagisawa

    S.

    (

    2013

    )

    Arabidopsis NIN-подобные факторы транскрипции играют центральную роль в передаче сигналов нитратов

    .

    Nat. Commun.

    4

    :

    1617.

    Kouchi

    H.

    ,

    Imaizumi-Anraku

    H.

    ,

    Hayashi

    M.

    ,

    Hakoyama

    T.

    ,

    Nakagawa

    T.

    ,

    Умехара

    Ю.

    и др. (

    2010

    )

    Сколько гороха в стручке? Гены бобовых, ответственные за мутуалистические симбиозы под землей

    .

    Физиология растительных клеток

    .

    51

    :

    1381

    1397

    .

    Krusell

    L.

    ,

    Krause

    K.

    ,

    Ott

    T.

    ,

    Desbrosses

    G.

    ,

    Krämer

    U.

    ,

    Sato

    S.

    и др. al. (

    2005

    )

    Транспортер сульфата SST1 имеет решающее значение для симбиотической фиксации азота в корневых клубеньках Lotus japonicus

    .

    Растительная ячейка

    17

    :

    1625

    1636

    .

    Крузелл

    Л.

    ,

    Madsen

    L.H.

    ,

    Sato

    S.

    ,

    Aubert

    G.

    ,

    Genua

    A.

    ,

    Szczyglowski

    K.

    и др. (

    2002

    )

    Контроль развития корней и клубеньков побегами опосредуется рецептор-подобной киназой

    .

    Природа

    420

    :

    422

    426

    .

    Krusell

    L.

    ,

    Sato

    N.

    ,

    Fukuhara

    I.

    ,

    Кох

    B.E.V.

    ,

    Grossmann

    C.

    ,

    Okamoto

    S.

    и др. (

    2011

    )

    Гены Clavata2 гороха и Lotus japonicus влияют на ауторегуляцию клубеньков

    .

    Plant J.

    65

    :

    861

    871

    .

    Лю

    K.H.

    ,

    Niu

    Y.

    ,

    Konishi

    M.

    ,

    Wu

    Y.

    ,

    Du

    H.

    ,

    Sun Chung

    H.

    и др. (

    2017

    )

    Открытие передачи сигналов нитрат-CPK-NLP в центральных сетях роста питательных веществ

    .

    Природа

    545

    :

    311

    316

    .

    Magori

    S.

    ,

    Oka-Kira

    E.

    ,

    Shibata

    S.

    ,

    Umehara

    Y.

    ,

    Kouchi

    H.

    ,

    Hase

    Y.

    и др. (

    2009

    )

    TOO MUCH LOVE , корневой регулятор, связанный с удаленным контролем нодуляции в Lotus japonicus

    .

    Мол. Растительный Микроб Взаимодействовать

    .

    22

    :

    259

    268

    .

    Małolepszy

    A.

    ,

    Urbański

    D.F.

    ,

    Джеймс

    E.K.

    ,

    Сандалии

    N.

    ,

    Isono

    E.

    ,

    Stougaard

    J.

    и др. (

    2015

    )

    Деубиквитинирующий фермент AMSh2 необходим для ризобиальной инфекции и органогенеза клубеньков в Lotus japonicus

    .

    Plant J.

    83

    :

    719

    731

    .

    Marchive

    C.

    ,

    Roudier

    F.

    ,

    Castaings

    L.

    ,

    Bréhaut

    V.

    ,

    Blondet

    E.

    ,

    Colot

    V.

    и др. (

    2013

    )

    Сохранение в ядре фактора транскрипции NLP7 управляет ранним ответом на нитраты у растений

    .

    Nat. Commun.

    4

    :

    1713.

    Марш

    J.F.

    ,

    Rakocevic

    A.

    ,

    Mitra

    R.M.

    ,

    Brocard

    L.

    ,

    Sun

    J.

    ,

    Eschstruth

    A.

    и др. (

    2007

    )

    Medicago truncatula NIN важен для независимого от ризобий органогенеза клубеньков, индуцированного аутоактивной кальций / кальмодулин-зависимой протеинкиназой

    .

    Физиология растений

    .

    144

    :

    324

    335

    .

    Miyazawa

    H.

    ,

    Oka-Kira

    E.

    ,

    Sato

    N.

    ,

    Takahashi

    H.

    ,

    Wu

    G.-J.

    ,

    Sato

    S.

    и др. (

    2010

    )

    Рецептороподобная киназа KLAVIER опосредует системную регуляцию клубеньков и развитие несимбиотических побегов у Lotus japonicus

    .

    Разработка

    137

    :

    4317

    4325

    .

    Mohd-Radzman

    NA

    ,

    Laffont

    C.

    ,

    Ivanovici

    A.

    ,

    Patel

    N.

    ,

    Reid

    D.

    ,

    Stougaard

    J.

    , и другие. (

    2016

    )

    Различные пути действуют ниже CEP пептидного рецептора CRA2, чтобы регулировать развитие бокового корня и клубеньков

    .

    Физиология растений

    .

    171

    :

    2536

    .

    Mortier

    V.

    ,

    Den Herder

    G.

    ,

    Whitford

    R.

    ,

    Van de Velde

    W.

    ,

    Rombauts

    S.

    ,

    D’Haeseleer

    K.

    и др. (

    2010

    )

    Контроль пептидов CLE Medicago truncatula Нодуляция локально и системно

    .

    Физиология растений

    .

    153

    :

    222

    237

    .

    Мортье

    V.

    ,

    Кобуры

    M.

    ,

    Goormachtig

    S.

    (

    2012

    )

    Никогда не бывает слишком много? Как бобовые контролируют количество клубеньков

    .

    Среда растительных клеток.

    35

    :

    245

    258

    .

    Nishida

    H.

    ,

    Handa

    Y.

    ,

    Tanaka

    S.

    ,

    Suzaki

    T.

    ,

    Kawaguchi

    M.

    (

    2016

    )

    Экспрессия гена CLE-RS3 подавляет нодуляцию корня у Lotus japonicus

    .

    J. Plant Res.

    129

    :

    909

    919

    .

    Nishida

    H.

    ,

    Suzaki

    T.

    (

    2018

    )

    Нитрат-опосредованный контроль симбиоза корневых клубеньков

    .

    Curr. Opin. Plant Biol.

    44

    :

    129

    136

    .

    Nishida

    H.

    ,

    Tanaka

    S.

    ,

    Handa

    Y.

    ,

    Ito

    M.

    ,

    Sakamoto

    Y.

    ,

    Matsunaga

    S.

    , et al. al. (

    2018

    )

    NIN-LIKE PROTEIN опосредует индуцированный нитратами контроль симбиоза корневых клубеньков у Lotus japonicus

    .

    Nat. Commun.

    9

    :

    499

    .

    Нисимура

    р.

    ,

    Hayashi

    M.

    ,

    Wu

    G.J.

    ,

    Kouchi

    H.

    ,

    Imaizumi-Anraku

    H.

    ,

    Murakami

    Y.

    и др. (

    2002

    )

    HAR1 обеспечивает системную регуляцию развития симбиотических органов

    .

    Природа

    420

    :

    426

    429

    .

    Nutman

    П.С.

    (

    1952

    )

    Исследования по физиологии образования узелков.III. Опыты по удалению кончиков корней и узелков

    .

    Ann. Бот

    .

    16

    :

    79

    103

    .

    Окубо

    Ю.

    ,

    Танака

    М.

    ,

    Табата

    Р.

    ,

    Огава-Охниши

    М.

    ,

    Мацубаяси

    Ю.

    (

    2017

    )

    Стрельба -корневые мобильные полипептиды, участвующие в системной регуляции усвоения азота

    .

    Nat.Растения

    3

    :

    17029.

    Ока-Кира

    E.

    ,

    Кавагути

    M.

    (

    2006

    )

    Передача сигналов на большие расстояния для контроля номера корневых клубеньков

    .

    Curr. Opin. Plant Biol.

    9

    :

    496

    502

    .

    Ока-Кира

    E.

    ,

    Tateno

    K.

    ,

    Miura

    K.-I.

    ,

    Хага

    Т.

    ,

    Хаяши

    М.

    ,

    Харада

    К.

    и др. (

    2005

    )

    klavier ( klv ), новый мутант с гипернодуляцией Lotus japonicus , пораженный организацией сосудистой ткани и индукцией цветков

    .

    Завод J

    .

    44

    :

    505

    515

    .

    Okamoto

    S.

    ,

    Kawaguchi

    M.

    (

    2015

    )

    Shoot HAR1 опосредует ингибирование образования клубеньков нитратами в Lotus japonicus

    .

    Завод Сигнал. Behav.

    10

    :

    e1000138

    .

    Okamoto

    S.

    ,

    Ohnishi

    E.

    ,

    Sato

    S.

    ,

    Takahashi

    H.

    ,

    Nakazono

    M.

    ,

    Tabata

    S.

    , et al. al. (

    2009

    )

    Nod-фактор / нитрат-индуцированные CLE гены, которые управляют HAR1-опосредованной системной регуляцией нодуляции

    .

    Физиология растительных клеток

    .

    50

    :

    67

    77

    .

    Окамото

    S.

    ,

    Shinohara

    H.

    ,

    Mori

    T.

    ,

    Matsubayashi

    Y.

    ,

    Kawaguchi

    M.

    (

    2013

    )

    Корневой производный Гликопептиды CLE контролируют образование клубеньков путем прямого связывания с киназой

    рецептора HAR1.

    Nat. Commun.

    4

    :

    2191.

    Окамото

    S.

    ,

    Табата

    R.

    ,

    Matsubayashi

    Y.

    (

    2016

    )

    Передача пептидов на большие расстояния, необходимая для гомеостаза питательных веществ в растениях

    .

    Curr. Opin. Завод Биол

    .

    34

    :

    35

    40

    .

    Рейд

    D.E.

    ,

    Ferguson

    B.J.

    ,

    Hayashi

    S.

    ,

    Lin

    Y.H.

    ,

    Gresshoff

    P.М.

    (

    2011

    )

    Молекулярные механизмы, контролирующие ауторегуляцию клубеньков бобовых

    .

    Ann. Бот.

    108

    :

    789

    795

    .

    Рейд

    D.E.

    ,

    Li

    D.

    ,

    Ferguson

    B.J.

    ,

    Gresshoff

    P.M.

    (

    2013

    )

    Структурно-функциональный анализ сигнального пептида Gm RIC1 и домена CLE, необходимых для контроля клубеньков у сои

    .

    J. Exp. Бот.

    64

    :

    1575

    1585

    .

    Ruffel

    S.

    ,

    Freixes

    S.

    ,

    Balzergue

    S.

    ,

    Tillard

    P.

    ,

    Jeudy

    C.

    ,

    Martin-Magniette

    M.L.

    и др. (

    2008

    )

    Системная передача сигналов об азотном статусе растений запускает специфические ответы транскриптома в зависимости от источника азота в Medicago truncatula

    .

    Физиология растений

    .

    146

    :

    2020

    2035

    .

    Ruffel

    S.

    ,

    Krouk

    G.

    ,

    Ristova

    D.

    ,

    Shasha

    D.

    ,

    Birnbaum

    K.D.

    ,

    Коруцци

    G.M.

    (

    2011

    )

    Азотная экономика корневого кормления: транзитивное закрытие реле нитрат-цитокинин и отчетливая системная передача сигналов N vs.спрос

    .

    Proc. Natl. Акад. Sci. США

    108

    :

    18524 ​​

    18529

    .

    Сайто

    A.

    ,

    Танабата

    S.

    ,

    Tanabata

    T.

    ,

    Tajima

    S.

    ,

    Ueno

    M.

    ,

    Ishikawa

    S.

    , et al. al. (

    2014

    )

    Влияние нитратов на рост клубеньков и корней сои ( Glycine max (L.) Merr.)

    .

    Внутр. J. Mol. Sci.

    15

    :

    4464

    4480

    .

    Sasaki

    T.

    ,

    Suzaki

    T.

    ,

    Soyano

    T.

    ,

    Kojima

    M.

    ,

    Sakakibara

    H.

    ,

    Kawaguchi

    M.

    (

    2014

    )

    Цитокинины побегов системно регулируют клубенькование корня

    .

    Nat. Commun.

    5

    :

    4983.

    Schauser

    L.

    ,

    Roussis

    A.

    ,

    Stiller

    J.

    ,

    Stougaard

    J.

    (

    1999

    )

    Регулятор растений, контролирующий развитие симбиотических корневых клубеньков

    .

    Природа

    402

    :

    191

    195

    .

    Schnabel

    E.

    ,

    Journet

    E.-P.

    ,

    Carvalho-Niebel

    D.F.

    ,

    Дык

    г.

    ,

    Фруголи

    Дж.

    (

    2005

    )

    Ген Medicago truncatula SUNN кодирует CLV1 -подобную рецепторную киназу с богатыми лейцином повторами, которая регулирует количество клубеньков и длину корня

    .

    Plant Mol. Биол.

    58

    :

    809

    822

    .

    Серл

    I.R.

    ,

    Мужчины

    А.Е.

    ,

    Лания

    Т.С.

    ,

    Бузас

    Д.М.

    ,

    Iturbe-Ormaetxe

    I.

    ,

    Кэрролл

    B.J.

    и др. (

    2003

    )

    Передача сигналов на большие расстояния при нодуляции, направляемой CLAVATA1-подобной рецепторной киназой

    .

    Наука

    299

    :

    109

    112

    .

    Soyano

    T.

    ,

    Hirakawa

    H.

    ,

    Sato

    S.

    ,

    Hayashi

    M.

    ,

    Kawaguchi

    M.

    (

    2014

    )

    NODULE INCEPTION создает длинная петля отрицательной обратной связи, участвующая в гомеостатической регуляции продукции клубеньковых органов

    .

    Proc. Natl. Акад. Sci. США

    111

    :

    14607

    14612

    .

    Soyano

    T.

    ,

    Kouchi

    H.

    ,

    Hirota

    A.

    ,

    Hayashi

    M.

    (

    2013

    )

    NODULE INCEPTION непосредственно нацелены на гены субъединицы NF-Y для регулирования основных процессов развития корневых клубеньков у Lotus japonicus

    .

    PLoS Genet.

    9

    :

    e1003352

    .

    Streeter

    J.

    ,

    Wong

    P.P.

    (

    1988

    )

    Ингибирование образования клубеньков бобовых и фиксация N 2 нитратом

    .

    Crit. Rev. Plant Sci

    .

    7

    :

    1

    23

    .

    Suganuma

    N.

    ,

    Nakamura

    Y.

    ,

    Yamamoto

    M.

    ,

    Ohta

    T.

    ,

    Koiwa

    H.

    ,

    Akao

    S.

    и др. (

    2003

    )

    Ген Lotus japonicus Sen1 контролирует дифференцировку ризобий в азотфиксирующие бактероиды в клубеньках

    .

    Мол. Genet. Геномика

    269

    :

    312

    320

    .

    Suzaki

    T.

    ,

    Yoro

    E.

    ,

    Kawaguchi

    M.

    (

    2015

    )

    Бобовые растения: изобретатели корневых клубеньков для размещения симбиотических бактерий

    .

    Внутр. Rev. Cell Mol. Биол.

    316

    :

    111

    158

    .

    Suzuki

    A.

    ,

    Hara

    H.

    ,

    Kinoue

    T.

    ,

    Abe

    M.

    ,

    Uchiumi

    T.

    ,

    Kucho

    K.-I.

    и др. (

    2008

    )

    Исследование ауторегуляции клубеньков с раздельным корнем у модельных бобовых Lotus japonicus

    .

    J. Plant Res.

    121

    :

    245

    249

    .

    Suzuki

    W.

    ,

    Konishi

    M.

    ,

    Yanagisawa

    S.

    (

    2013

    )

    Эволюционные события, необходимые для появления симбиотической азотфиксации у бобовых, могут включать потерю нитратов. реактивность фактора транскрипции NIN

    .

    Завод Сигнал. Поведение

    .

    8

    :

    e25975.

    Табата

    р.

    ,

    Сумида

    K.

    ,

    Yoshii

    T.

    ,

    Ohyama

    K.

    ,

    Shinohara

    H.

    ,

    Matsubayashi

    Y.

    (

    2014

    )

    Восприятие Пептиды, происходящие из корней с помощью LRR-RK побегов, опосредуют системную передачу сигналов N-потребности

    .

    Наука

    346

    :

    343

    346

    .

    Такахара

    М.

    ,

    Магори

    С.

    ,

    Сояно

    Т.

    ,

    Okamoto

    S.

    ,

    Yoshida

    C.

    ,

    Yano

    K.

    и др. (

    2013

    )

    TOO MUCH LOVE, новый белок F-бокса, содержащий повторы келча, участвует в регуляции на больших расстояниях симбиоза

    бобовых — ризобий .

    Физиология растительных клеток

    .

    54

    :

    433

    447

    .

    Wopereis

    J.

    ,

    Pajuelo

    E.

    ,

    Dazzo

    F.B.

    ,

    Jiang

    Q.

    ,

    Gresshoff

    P.M.

    ,

    De Bruijn

    F.J.

    и др. (

    2000

    )

    Мутант короткого корня Lotus japonicus с резко измененным симбиотическим фенотипом

    .

    Plant J.

    23

    :

    97

    114

    .

    Яшима

    H.

    ,

    Fujikake

    H.

    ,

    Sato

    T.

    ,

    Ohtake

    N.

    ,

    Sueyoshi

    K.

    ,

    Ohyama

    T.

    (

    2003

    )

    Системные и местные эффекты длительного применения нитратов на рост клубеньков и фиксацию N 2 в сое ( Glycine max [L.] Merr.)

    .

    Почвоведение. Завод Нутр

    .

    49

    :

    825

    834

    .

    Йоро

    E.

    ,

    Suzaki

    T.

    ,

    Toyokura

    K.

    ,

    Miyazawa

    H.

    ,

    Fukaki

    H.

    ,

    Kawaguchi

    M.

    (

    2014

    )

    Положительный регулятор органогенеза клубеньков, NODULE INCEPTION, действует как негативный регулятор ризобиальной инфекции в Lotus japonicus

    .

    Plant Physiol.

    165

    :

    747

    758

    .

    Чжан

    Х.

    ,

    Дженнингс

    А.

    ,

    Барлоу

    P.W.

    ,

    Форде

    Б.G.

    (

    1999

    )

    Двойные пути регуляции ветвления корней нитратами

    .

    Proc. Natl. Акад. Sci. США

    96

    :

    6529

    6534

    .
    Разное

    Leave a Comment

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *