Адаптивная макроэволюция бобово-ризобиального симбиоза
Автор: Проворов Н.А.
Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology
Рубрика: Разнообразие и эволюция микробно-растительных систем
Статья в выпуске: 3 т.50, 2015 года.
Бесплатный доступ
Бобово-ризобиальный симбиоз (БРС) представляет собой уникальную модель эволюционной биологии, которая позволяет изучать соотношение адаптивной и прогрессивной эволюции в биосистемах, образуемых прокариотами и эукариотами. Макроэволюция БРС заключается в становлении системы компартментов для хостинга микросимбионтов, которые активируют развитие N 2-фиксирующих клубеньков специальными сигналами - липохито-олигосахаридными Nod-факторами. Эволюция БРС разделена на ряд этапов, связанных со становлением эндофитных клубеньковых ассоциаций (анцестральные формы ризобий, сохранившие характерную для их предков способность фиксировать СО 2 и N 2 в чистой культуре, занимают межклеточные пространства клубеньков); примитивного субклеточного симбиоза (ризобии, утратившие способность фиксировать СО 2, располагаются в инфекционных нитях, не проникая в растительные клетки); внутриклеточного мутуализма (ризобии, проникшие в растительные клетки, образуют неспециализированные симбиосомы, где фиксируют N 2, сохраняя репродуктивную активность); симбиоза альтруистического типа (ризобии в специализированных симбиосомах дифференцируются в бактероиды, которые необратимо утрачивают репродуктивную активность, что обеспечивает резкое повышение интенсивности N 2-фиксации). Эта эволюция происходит под действием индуцируемого в эндосимбиотических популяциях ризобий отбора, который может быть индивидуальным (дарвиновский, частотно-зависимый) или групповым (междемовый, родственный) в зависимости от структуры микробных популяций, определяемой механизмами инфицирования растений-хозяев. Под действием этого отбора возрастает сложность организации и целостность БРС, которые служат критериями его эволюционного прогресса, а также экологическая эффективность БРС -его влияние на репродуктивную активность партнеров. При этом взаимодействия бактерий и растений эволюционируют от плейотропного симбиоза (подвижное равновесие отношений мутуализма и антагонизма) к взаимной эксплуатации партнеров (их эквивалентный обмен продуктами N 2-фиксации и фотосинтеза) и далее к высокоэффективному мутуализму альтруистического типа (высокая интенсивность симбиотрофного питания растений азотом представляет собой следствие утраты жизнеспособности бактероидами). Характеристика процессов макро- и микроэволюции симбиоза открывает широкие перспективы для конструирования высокоэффективных форм БРС, включая создание «альтруистических» штаммов ризобий (у которых повышенная симбиотическая эффективность сочетается со сниженной выживаемостью вне растений), а также комбинирование альтернативных программ развития эффективного симбиоза (затратная и экономная), независимо возникших в разных группах бобовых.
Микробно-растительный симбиоз, эволюция, адаптация, естественный отбор, генетическое конструирование
Короткий адрес: https://sciup.org/142133593
IDR: 142133593 | DOI: 10.15389/agrobiology.2015.3.323rus
Список литературы Адаптивная макроэволюция бобово-ризобиального симбиоза
- Майр Э. Зоологический вид и эволюция. М., 1968.
- Тимофеев-Ресовский Н.В., Воронцов Н.Н., Яблоков А.В. Краткий очерк теории эволюции. М., 1977.
- Филипченко Ю.А. Эволюционная идея в биологии: исторический обзор эволюционных учений XIX века. М., 1977.
- Берг Л.С. Номогенез, или эволюция на основе закономерностей. В кн.: Труды по теории эволюции. Л., 1977: 95-338.
- Шмальгаузен И.И. Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии. М., 1982.
- Шмальгаузен И.И. Пути и закономерности эволюционного процесса. М., 1983.
- Проворов Н.А., Воробьев Н.И. Коэволюция партнеров и целостность симбиотических систем. Журнал общей биологии, 2012, 73: 21-36.
- Franche C., Lindström K., Elmerich C. Nitrogen-fixing bacteria associated with leguminous and non-leguminous plants. Plant and Soil, 2009, 321: 35-59 ( ) DOI: 10.1007/s11104-008-9833-8
- Saikia S.P., Jain V., Khetarpal S., Aravind S. Dinitrogen fixation activity of Azospirillum brasilense in maize (Zea mays). Current Sci., 2007, 93: 1296-1300.
- Giraud E., Moulin L., Vallenet D. et al. Legume symbioses: absence of nod genes in photosynthetic bradyrhizobia. Science, 2007, 316: 1307-1312 ( ) DOI: 10.1126/science.1139548
- Schardl C.L., Leuchtmann A., Chung K.R., Penny D., Siegel M.R. Co-evolution by common descent of fungal symbionts (Epichloë spp.) and grass hosts. Mol. Biol. Evol., 1997, 14: 133-143.
- Kaneko T., Minamisawa K., Isawa T., Nakatsukasa H., Mitsui H., Kawaharada Y., Nakamura Y., Watanabe A., Kawashima K., Ono A., Shimizu Y., Takahashi C., Minami C., Fujishiro T., Kohara M., Katoh M., Nakazaki N., Nakayama S., Yamada M., Tabata S., Sato S. Complete genomic structure of the cultivated rice endophyte Azospirillum sp. B510. DNA Res., 2010, 17: 37-50 () DOI: 10.1093/dnares/dsp026
- Brewin N.J. Plant cell wall remodeling in the Rhizobium-legume symbiosis. Crit. Rev. Plant. Sci., 2004, 23: 293-316 ( ) DOI: 10.1080/07352680490480734
- Hirsch A.M., Lum M.R., Downie J.A. What makes the rhizobia-legume symbiosis so special? Plant Physiol., 2001, 127: 1484-1492 ( ) DOI: 10.1104/pp.010866
- Воробьев Н.И., Проворов Н.А. Моделирование эволюции бобово-ризобиального симбиоза при мультиштаммовой конкуренции бактерий за инокуляцию симбиотических ниш. Экологическая генетика, 2008, 6: 3-11.
- Zilber-Rosenberg I., Rosenberg E. Role of microorganisms in the evolution of animals and plants: the hologenome theory of evolution. FEMS Microbiol. Rev., 2008, 32: 723-735 ( ) DOI: 10.1111/j.1574-6976.2008.00123.x
- Van de Velde W., Zehirov G., Szatmari A., Debreczeny M., Ishihara H., Kevei Z., Farkas A., Mikulass K., Tiricz H., Satiat-Jeunemaître B., Alunni B., Bourge M., Kucho K., Abe M., Kereszt A., Maroti G., Uchiumi T., Kondorosi E. Mergaert P. Plant peptides govern terminal differentiation of bacteria in symbiosis. Science, 2010, 327: 1122-1126 ( ) DOI: 10.1126/science.1184057
- Cheng J., Sibley C.D., Zaheer R., Finan T.M. A Sinorhizobium meliloti minE mutant has an altered morphology and exhibits defects in legume symbiosis. Microbiology, 2007, 153: 375-387 ( ) DOI: 10.1099/mic.0.2006/001362-0
- Ichige A., Walker G.C. Genetic analysis of the Rhizobium meliloti bacA gene: functional interchangeability with the Escherichia coli sbmA gene and phenotypes of mutants. J. Bacteriol., 1997, 179: 209-216.
- Maynard Smith J. Group selection and kin selection. Nature, 1964, 201: 1145-1147.
- Проворов Н.А., Воробьев Н.И. Эволюция полезных для растений признаков у азотфиксирующих бактерий: моделирование и конструирование систем межвидового альтруизма. Прикладная биохимия и микробиология, 2015, 51(4): 1-8 ( ) DOI: 10.7868/S0555109915040145
- Gurusamy C., Davis P.J., Bal A.K. Seasonal changes in perennial nodules of beach pea (Lathyrus maritimus Bigel.) with special reference to oleosomes. Int. J. Plant Sci., 2000, 161: 631-638.
- Sprent J.I. Nodulation in Legumes. Kew Royal Botanical Gardens, 2001.
- Проворов Н.А., Онищук О.П., Юргель С.Н., Курчак О.Н., Чижевская Е.П., Воробьев Н.И., Затовская Т.В., Симаров Б.В. Конструирование высокоэффективных симбиотических штаммов бактерий: эволюционные модели и генетические подходы. Генетика, 2014, 50: 1273-1285 ( ) DOI: 10.7868/S0016675814110113
- Метлицкая Е.Н., Проворов Н.А., Симаров Б.В., Райг Х.А. Создание популяций козлятника восточного, различающихся интенсивностью развития и продуктивностью, путем селекции растений по нитрогеназной активности. Доклады РАСХН, 1995, 6: 7-9.
- Barnes D.K., Heichel G.H., Vance C.P., Ellis W.R. A multiple-trait breeding program for improving the symbiosis for N2 fixation between Medicago sativa L. and Rhizobium meliloti. Plant and Soil, 1984, 32: 303-314.
- Проворов Н.А. Повышение эффективности симбиотической фиксации азота растениями: молекулярно-генетические подходы и эволюционные модели. Физиология растений, 2013, 60: 31-37 ( ) DOI: 10.7868/S0015330313010053
