Разнообразие и эволюция микробно-растительных систем. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Адаптивная макроэволюция бобово-ризобиального симбиоза
Статья научная
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.
Бесплатно
Статья научная
Клубеньковые бактерии (ризобии) - грамотрицательные почвенные микроорганизмы, вступающие во внутриклеточный симбиоз с бобовыми растениями и обеспечивающие фиксацию атмосферного азота. Для понимания эволюции специфических растительно-микробных взаимодействий особое значение имеют симбиотические системы с участием эндемичных или реликтовых видов. Цель нашей работы состояла в создании представительной коллекции штаммов-микросимбионтов эндемичных бобовых растений Байкальского региона, а также в оценке их биоразнообразия. Мы изучили таксономическое положение 69 штаммов, выделенных из корневых клубеньков чины низкой ( Lathyrus humilis ), горошка байкальского ( Vicia baicalensis ), астрагала монгольского ( Astragalus mongholicus ) и остролодочника лесного ( Oxytropis sylvatica ). Для первичной оценки внутривидового разнообразия штаммов проводили RFLP-анализ последовательности между генами 16S- и 23S-рРНК (ITS-региона). По его результатам исследуемые изоляты были разделены на 33 группы с идентичным набором фрагментов ДНК. Видовую принадлежность штаммов определяли методом секвенирования гена 16S-рРНК ( rrs ). Анализ его последовательности показал, что 23 штамма принадлежали к родам Rhizobium и Mesorhizobium и формировали 3 статистически достоверно различающихся кластера с уровнем поддержки более 95 %. Для уточнения таксономического положения клубеньковых бактерий рода Bosea использовали метод секвенирования более вариабельного ITS-региона. Филогенетический анализ показал значительное генетическое разнообразие микросимбионтов изученных растений. Ризобиальные изоляты принадлежали к 5 родам: Rhizobium (сем. Rhizobiaceae ), Mesorhizobium и Phyllobacterium (сем. Phyllobacteriaceae ), Bosea и Tardiphaga (сем. Bradyrhizobiaceae ). Кроме этого, были получены изоляты, не относящиеся к клубеньковым бактериям и принадлежащие родам Herbiconiux, Leifsonia, Burkholderia и Stenotrophomonas. Известно, что некоторые виды этих родов могут присутствовать в клубеньках бобовых растений, а также быть обитателями ризосферы и филосферы различных представителей флоры. Присутствие нетипичных ризобиальных микросимбионтов в клубеньках изученных растений может свидетельствовать об активно происходящих процессах формирования взаимоотношений между партнерами в бобово-ризобиальных системах Байкальского региона.
Бесплатно
Метод экспресс-оценки алюмотолерантности у гороха посевного ( Pisum sativum L.)
Статья научная
Сельскохозяйственные культуры существенно различаются по устойчивости к кислым почвам, при этом многие зернобобовые, включая горох посевной ( Pisum sativum L.), относят к чувствительным или среднечувствительным культурам по сравнению с зерновыми. Основным фактором, определяющим фитотоксичность кислых почв, служит повышенная концентрация подвижных ионов алюминия в почвенном растворе. Аккумуляция алюминия в тканях корня нарушает процессы деления клеток, инициации и роста боковых корней, снабжения растения минеральными веществами и водой. В лабораторных условиях устойчивость растений к алюминию оценивается по степени повреждения корней алюминием с помощью красителей (гематоксилин, эриохромцианин R) и способности корней восстанавливать рост после токсического действия этого металла. Представляемое исследование посвящено разработке экспресс-оценки алюмотолерантности специально для гороха. Предложенный метод заключается в следующем: семена проращивали в фитотроне в питательном растворе в течение 3 сут (освещенность 7000 лк, температура 19 °С ночью и 21 °С днем, фотопериод 16 ч); обрабатывали токсичной концентрацией хлорида алюминия (3 мг Al/л) в течение 24 ч; инкубировали проростки в питательном растворе без алюминия в течение 2 сут и окрашивали корни 0,1 % раствором эриохромцианина R в течение 10 мин. Зона повреждения тканей корней алюминием окрашивалась в фиолетовый цвет. Устойчивость растений к алюминию определяли по длине отрастания кончика корня после воздействия токсиканта. С использованием 19 образцов гороха разного происхождения и хозяйственного направления из коллекции Всероссийского НИИ растениеводства им. Н.В. Вавилова (коллекция ВИР) показано, что горох имеет высокую вариабельность по алюмотолерантности. Образцы с минимальной (1,0¸1,5 мм) длиной отрастания корня (к-2759, к-3654 и к-3283) характеризовались интенсивной фиолетовой окраской обработанного алюминием участка корня, а образцы с максимальной (14,0¸14,5 мм) длиной отрастания корня (к-4376, к-9504 и к-7307) имели слабое, но детектируемое окрашивание. Предлагаемый метод позволяет идентифицировать контрастные по устойчивости к алюминию генотипы, обладает высокой воспроизводимостью и может быть применен для скрининга и изучения внутривидовой изменчивости растений гороха по указанному признаку на самых ранних этапах вегетации.
Бесплатно
Статья научная
Ведомственная коллекция полезных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения (ВКСМ) поддерживает 37 штаммов Bacillus thuringiensis, обладающих выраженной энтомоцидной активностью и используемых для производства препаратов фитозащитного действия (битоксибациллин, бактокулицид, бацикол). Эффективность производимых биопрепаратов зависит от качества микробного материала. Контроль за чистотой и аутентичностью коммерческих штаммов может осуществляться с помощью их молекулярно-гене-тической паспортизации. В настоящее время наиболее эффективной технологией доскональной генетической характеристики штаммов микроорганизмов считается полногеномное секвенирование. Однако, несмотря на несомненную востребованность полногеномного секвенирования для паспортизации коммерческих штаммов, ее широкое применение ограничивается значительной трудозатратностью и себестоимостью. Поэтому для удешевления анализа и сокращения сроков его выполнения необходима разработка экспресс-методов высокопроизводительного секвенирования. Одним из решений может быть анализ не всего генома, а наиболее таксономически и функционально значимых генетических локусов (так называемого референт-комплекса). Целью нашей работы стало выявление референт-комплексов у 10 штаммов B. thuringiensis разных серотипов. После проведения высокопроизводительного пиросеквенирования штаммов и получения полногеномных последовательностей был проведен их сравнительный анализ и найдены наиболее дивергентные генетические локусы, определяющие уникальность штаммов. Использовали программу BioNumerics («Applied Maths», США); для построения дендрограмм, отражающих филогенетическое родство между исследуемыми штаммами, суммы последовательностей отобранных генов «домашнего хозяйства» и отдельно генов вирулентности обрабатывали с помощью программы MEGA v. 5.0 (метод Neighbour-Joining). В результате были отобраны 10 генов «домашнего хозяйства» ( glpT, glpF, pyrE, purF, purH, pta, gyrB, ftsA, panC и isd ), а также 8 генов вирулентности ( hblA, hblC, hblD, nheA, nheC, capA, capC и inA ). Для каждого штамма сконструированы два референт-комплекса, представляющих собой сумму последовательностей отобранных локусов «домашнего хозяйства» и отдельно генов вирулентности. Общий размер референт-комплексов составлял соответственно 11809 и 10094 п.н. Полученные результаты будут использованы в дальнейшей работе для создания системы праймеров с целью проведения мультиплексного анализа референт-комплексов в условиях высокопроизводительного секвенирования и разработки экспресс-метода генетической паспортизации коммерческих штаммов B. thuringiensis.
Бесплатно
Статья научная
Важнейшие признаки клубеньковых бактерий (ризобий), по которым проводится отбор хозяйственно ценных штаммов, - симбиотическая эффективность (способность повышать массу инокулированных растений-хозяев благодаря интенсивной фиксации молекулярного азота) и конкурентоспособность (способность инокулировать растения в присутствии других штаммов этого же вида ризобий). С помощью ПЦР-анализа штаммов ризобий люцерны ( Sinorhizobium meliloti ) различного происхождения мы впервые показали полиморфизм природных популяций по генам Smc03879, или phbA («негативный регулятор эффективного симбиоза», кодирует синтез поли-b-гидроксибутирата), и Sma0907, или cmp-107 (участвует в конкуренции за образование клубеньков). В популяции, обитающей в бедной солончаковой почве (Уральская область, Казахстан), ген phbA выявлен у 100 % штаммов, тогда как в популяции из богатой черноземной почвы Тернопольской области Украины - лишь у 82,2 % штаммов. Еще более низкая встречаемость гена phbA (30,8 %) характерна для штаммов из клубеньков люцерны, собранных в Тернопольской области. Наблюдаемый полиморфизм может отражать низкую адаптивную значимость конверсии С-соединений в поли-b-гидроксибутират для штаммов ризобий из Тернопольской области по сравнению со штаммами из Уральской области. Участие гена phbA в контроле симбиотической эффективности подтверждается тем, что для гена nifH, который кодирует структуру малой субъединицы нитрогеназы, но не влияет на интенсивность ее синтеза, различий в показателях популяционного полиморфизма между штаммами двух популяций выявлено не было. Отсутствие во всех изученных популяциях полиморфизма по гену Smb21375, или eff-798, может быть связано с тем, что кодируемый им АВС-транспортер необходим для переноса в бактериальную клетку широкого спектра питательных веществ, получаемых как от растения-хозяина, так и из почвы. Высокая встречаемость эффективных симбионтов среди штаммов, лишенных гена phbA, указывает на возможность использования молекулярных зондов, содержащих этот ген, для отбора практически значимых генотипов ризобий, способных обеспечивать растения-хозяина значительными количествами фиксированного азота.
Бесплатно
