Биоразнообразие симбиозов, образуемых клубеньковыми бактериями Rhizobium leguminosarum c бобовыми растениями галегоидного комплекса

Биоразнообразие симбиозов, образуемых клубеньковыми бактериями Rhizobium leguminosarum c бобовыми растениями галегоидного комплекса

Автор: Онищук О.П., Курчак О.Н., Кимеклис А.К., Аксенова Т.С., Андронов Е.Е., Проворов Н.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Основы устойчивого земледелия

Статья в выпуске: 1 т.58, 2023 года.

Бесплатный доступ

Клубеньковые бактерии вида Rhizobium leguminosarum разделяют на два биовара (bv.), которые образуют N2-фиксирующие симбиозы с бобовыми растениями галегоидного комплекса, относящимися к трибам Fabeae (роды Lathyrus , Lens , Pisum , Vavilovia , Vicia , симбионт - R. leguminosarum bv. viciae ) и Trifolieae (род Trifolium , симбионт - R. leguminosarum bv. trifolii ) (J. Sprent с соавт., 2017). Ранее считалось, что перекрестная инокуляция между этими биоварами отсутствует или происходит редко, а сведения о контроле хозяйской специфичности R. legumin-osarum были ограничены взаимодействием между линиями гороха ( P. sativum ), имеющими разные аллели гена Sym2 , и штаммами bv. viciae , различающимися по наличию гена nod X (T.A. Lie, 1978). В настоящей работе впервые показано, что при переходе штаммов bv. viciae к симбиозу с эволюционно молодыми представителями трибы Fabeae (переход от А- к D-группе) происходит утрата бактериями способности формировать симбиоз с гетерологичным хозяином ( Trifolium ). Целью нашей работы был анализ изменчивости штаммов R. leguminosarum bv. viciae анцестральной (A) и эволюционно продвинутой (D) геномных групп по хозяйской специфичности и N2-фиксирующей активности, направленный на функциональную характеристику анцестральных элементов генома, которые были выявлены ранее при сравнительно-генетическом анализе штаммов, выделенных из различающихся по филогенетическому положению представителей трибы Fabeae . В соответствии с ранее предложенной методикой генотипирования штаммы относили к группе А в том случае, если они содержали гены nod X и fix W, не содержали хромосомной копии оперона fix NOPQ, а ген nod T находился за пределами nod -кластера. При отсутствии хотя бы одного из этих признаков штаммы относили к группе D (E. Chirak с соавт., 2019). Штаммы группы А выделены из реликтового бобового Vavilovia formosa , а также из дикорастущих афганских линий P. sativum , штаммы группы D - из культурных европейских линий P. sativum , а также из Vicia sativa и V. alpestris . В опытах по анализу перекрестной инокуляции двух биоваров вида R. leguminosarum использовали штаммы bv. viciae , выделенные из клубеньков Vavilovia formosa, Vicia sativa, V. subrotunda , европейских линий Pisum sativum , афганских линий P. sativum , а также штаммы bv. trifolii из клубеньков клевера ( Trifolium pratense, T. ambiguum, T. montanum ). При проведении микровегетационных опытов растения, инокулированные ризобиями, выращивали в гнотобиотических условиях на вермикулите. N2-фиксирующую активность определяли с помощью ацетиленового метода, основанного на использовании C2H2 в качестве субстрата для нитрогеназы. На основании полученных результатов были выявлены следующие симбиотические фенотипы: Fix+ - N2-фиксирующие (крупные, розовые) клубеньки; Fix- - не фиксирующие N2 (мелкие, белые, но морфологически нормальные) клубеньки; Fix+/- - не фиксирующие N2 клубеньки, сходные с Fix+ клубеньками (крупные, розовые); Ndv- - не фиксирующие N2, опухолеподобные клубеньки; Nod- - клубеньки отсутствовали. Оказалось, что 9 из 11 штаммов анцестральной группы образовали на клевере клубеньки фенотипа Fix-, 2 штамма - клубеньки фенотипа Ndv-. Среди 8 штаммов эволюционно продвинутой группы фенотипы Fix- и Ndv- выявлены соответственно у 4 и 2 штаммов, а 2 штамма не образовали на клевере клубеньков (Nod-), что указывало на сужение хозяйской специфичности ризобий в процессе коэволюции bv. viciae с растениями-хозяевами. Среди 6 штаммов ризобий клевера 4 штамма проявили способность к инокуляции вики с образованием Fix- клубеньков. В опытах по контролю за отсутствием контаминации ДНК выделяли из клубеньков с использованием набора NucleoSpinÔ Soil («Macherey-Nagel GmbH & Co. KG», Германия), фрагмент гена nod A амплифицировали с испол

Еще

Клубеньковые бактерии, бобовые растения, симбиотическая n2-фиксация, хозяйская специфичность, биоразнообразие, геномные группы, эволюция симбиоза

Короткий адрес: https://sciup.org/142238097

IDR: 142238097   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2023.1.87rus

Список литературы Биоразнообразие симбиозов, образуемых клубеньковыми бактериями Rhizobium leguminosarum c бобовыми растениями галегоидного комплекса

  • Sprent J.I., Ardley J., James E.K. Biogeography of nodulated legumes and their nitrogen‐fixing symbionts. New Phytol., 2017, 215(1): 40-56 (doi: 10.1111/nph.14474).
  • Haag A.F., Arnold M.F., Myka K.K., Kerscher B., Dall'Angelo S., Zanda M., Mergaert P., Ferguson G.P. Molecular insights into bacteroid development during Rhizobium-legume symbiosis. FEMS Microbiology Reviews, 2013, 37(3): 364-383 (doi: 10.1111/1574-6976.12003).
  • Provorov N.A. The interdependence between taxonomy of legumes and specificity of their interaction with rhizobia in relation to evolution of the symbiosis. Symbiosis, 1994, 17: 183-200.
  • Кимеклис А.К., Кузнецова И.Г., Сазанова А.Л., Сафронова В.И., Белимов А.А., Онищук О.П., Курчак О.Н., Аксёнова Т.С., Пинаев А.Г., Мусаев А.М., Андронов Е.Е., Проворов Н.А. Дивергентная эволюция симбиотических бактерий: ризобии реликтового бобового Vavilovia formosa (Stev.) Fed. формируют обособленную группу в пределах вида Rhizobium leguminosarum bv. viciae. Генетика, 2018, 54(7): 851-855.
  • Kimeklis A.K., Chirak E.R., Kuznetsova I.G., Sazanova A.L., Safronova V.I., Belimov A.A., Onishchuk O.P., Kurchak O.N., Aksenova T.S., Pinaev A.G., Andronov E.E. Provorov N.A. Rhizobia isolated from the relict legume Vavilovia formosa represent a genetically specific group within Rhizobium leguminosarum bv. viciae. Genes, 2019, 10(12): 991 (doi: 10.3390/genes10120991).
  • Chirak E.R., Kimeklis A.K., Karasev E.S., Kopat V.V., Safronova V.I., Belimov A.A., Aksenova T.S., Kabilov M.R., Provorov N.A., Andronov E.E. Search for ancestral features in genomes of Rhizobium leguminosarum bv. viciae strains isolated from the relict legume Vavilovia formosa. Genes, 2019, 10(12): 990 (doi: 10.3390/genes10120990).
  • Vishnyakova M., Burlyaeva M., Akopian J., Murtazaliev R., Mikič A. Reviewing and updating the detected locations of beautiful vavilovia (Vavilovia formosa) on the Caucasus sensu stricto. Genet. Resour. Crop Evol., 2016, 63: 1085-1102 (doi: 10.1007/s10722-016-0440-x).
  • Lie T.A. Symbiotic specialization in pea plants: the requirement of specific Rhizobium strains for peas from Afghanistan. Ann. Appl. Biol., 1978, 88(3): 462-465.
  • Abicht H.K., Schärer M.A., Quade N., Ledermann R., Mohorko E., Capitani G., Hennecke H., Glockshuber R. How periplasmic thioredoxin TlpA reduces bacterial copper chaperone ScoI and cytochrome oxidase subunit II (CoxB) prior to metallation. The Journal of Biological Chemistry, 2014, 289(47): 32431-32444 (doi: 10.1074/jbc.M114.607127).
  • Копать В.В., Чирак Е.Р., Кимеклис А.К., Сафронова В.И., Белимов А.А., Кабилов М.Р., Андронов Е.Е., Проворов Н.А. Эволюция генов fixNOQP, кодирующих цитохромоксидазу с высоким сродством к кислороду, у ризобий и родственных им бактерий. Генетика, 2017, 53(7): 795-804 (doi: 10.7868/S0016675817070062).
  • Provorov N.A., Andronov E.E., Kimeklis A.K., Onishchuk O.P., Igolkina A.A., Karasev E.S. Microevolution, speciation and macroevolution in rhizobia: genomic mechanisms and selective patterns. Front. Plant Sci., 2022, 13: 1026943 (doi: 10.3389/fpls.2022.1026943).
  • Кимеклис А.К., Сафронова В.И., Кузнецова И.Г., Сазанова А.Л., Белимов А.А., Пинаев А.Г., Чижевская Е.П., Пухаев А.Р., Попов К.П., Андронов Е.Е., Проворов Н.А. Филогенетический анализ штаммов рода Rhizobium, выделенных из клубеньков Vavilovia formosa (Stev.) Fed. Сельскохозяйственная биология, 2015, 50(5): 655-664 (doi: 10.15389/agrobiology.2015.5.655rus).
  • Румянцева М.Л., Симаров Б.В., Онищук О.П., Андронов Е.Е., Чижевская Е.П., Белова В.С., Курчак О.Н., Мунтян А.Н., Румянцева Т.Б., Затовская Т.В. Биологическое разнообразие клубеньковых бактерий в экосистемах и агроценозах. Теоретические основы и методы /Под ред. М.Л. Румянцевой, Б.В. Симарова. СПб, 2011.
  • Лакин Г.Ф. Биометрия. М., 1990.
  • Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological statistics software package for education and data analysis. Palaeontologia Electronica, 2001, 4(1): 1-9.
  • Андронов Е.Е., Онищук О.П., Курчак О.Н., Проворов Н.А. Изменение популяционной структуры ризобий клевера (Rhizobium leguminosarum bv. trifolii) при переходе из почвы в клубеньковую нишу. Микробиология, 2014, 83(4): 500-508 (doi: 10.7868/S0026365614030033).
  • Проворов Н.А., Тихонович И.А. Реконструкция органеллогенеза. СПб, 2022.
  • Онищук О.П., Проворов Н.А., Воробьев Н.И., Симаров Б.В. Оценка фенотипического проявления бактериальных генов, контролирующих эффективность азотфиксирующего симбиоза с растениями. Сельскохозяйственная биология, 2011, 1: 32-42.
  • Cevallos M.A., Encarnacion S., Leija A., Mora Y., Mora J. Genetic and physiological characterization of a Rhizobium etli mutant strain unable to synthesize poly--hydroxybutyrate. Journal of Bacteriology, 1996, 178(6): 1646-1654 (doi: 10.1128/jb.178.6.1646-1654.1996).
  • Mandon K., Michel-Reydellet N., Encarnacion S., Kaminski P.A., Leija A., Cevallos M.A., Elmerich C., Mora J. Poly--hydroxybutyrate turnover in Azorhizobium caulinodans is required for growth and affects nifA expression. Journal of Bacteriology, 1998, 180(19): 5070-5076 (doi: 10.1128/JB.180.19.5070-5076.1998).
  • Затовская Т.В. Получение и анализ Tn5-мутантов Sinorhizobium meliloti с измененными поверхностными полисахаридами. Автореф. канд. дис. СПб, 2012.
  • Marroqui S., Zorreguieta A., Santamaria C., Temprano F., Soberon M., Megías M., Downie A.J. Enhanced symbiotic performance by Rhizobium tropici glycogen synthase mutants. Journal of Bacteriology, 2001, 183(3): 854–864 (doi: 10.1128/JB.183.3.854-864.2001).
  • Sharypova L.A., Onishchuk O.P., Chesnokova O.N., Fomina-Eshchenko J.G., Simarov B.V. Isolation and characterization of Rhizobium meliloti Tn5 mutants showing enhanced symbiotic effectiveness. Microbiology, 1994, 140(3): 463-470 (doi: 10.1099/00221287-140-3-463).
  • Юргель С.Н., Шарыпова Л.A., Симаров Б.В. Tn5 мутации Rhizobium meliloti, вызывающие повышение редокс-потенциала свободноживущих клеток и эффективность их симбиоза с люцерной. Генетика, 1998, 34(6): 737-741.
  • Sharypova L.A., Yurgel S.N., Keller M., Simarov B.V., Pühler A., Becker A. The eff-482 locus of Sinorhizobium meliloti CXM1-105 that influences symbiotic effectiveness consists of three genes encoding an endoglucanase, a transcriptional regulator and an adenylate cyclase. Mol. Gen. Genet., 1999, 261(6): 1032-1044 (doi: 10.1007/s004380051052).
  • Janczarek M., Jaroszuk-Ściseł J., Skorupska A. Multiple copies of rosR and pssA genes enhance exopolysaccharide production, symbiotic competitiveness and clover nodulation in Rhizobium leguminosarum bv. trifolii. Antonie van Leewenhoek, 2009, 96(4): 471-486 (doi: 10.1007/s10482-009-9362-3).
  • Van Dillewijn P., Soto M., Villadas P., Toro N. Construction and environmental release of a Sinorhizobium meliloti strain genetically modified to be more competitive for alfalfa nodulation. Applied and Environmental Microbiology, 2001, 67(9): 3860-3865 (doi: 10.1128/AEM.67.9.3860-3865.2001).
  • Mavingui P., Flores M., Romero D., Martinez-Romero E., Palacios R. Generation of Rhizobium strains with improved symbiotic properties by random DNA amplification (RDA). Nat. Biotechnol., 1997, 15: 564-569 (doi: 10.1038/nbt0697-564).
  • Sugawara M., Sadowsky M.J. Enhanced nodulation and nodule development by nolR mutants of Sinorhizobium medicae on specific Medicago host genotypes. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2014, 27(4): 328-335 (doi: 10.1094/MPMI-10-13-0312-R).
  • Ampomah O.Y., Jensen J.B., Bhuvaneswari T.W. Lack of tregalose catabolism in Sinorhizobium species increases their nodulation competitiveness on certain host genotypes. New Phytologist, 2008, 179(2): 495-504 (doi: 10.1111/j.1469-8137.2008.02460.x).
  • Frederix M., Edwards A., Swiderska A., Stanger S., Karunakaran R., Williams A., Abbruscato P., Sanchez-Contreras M., Poole P.S., Downie J.A. Mutation of praR in Rhizobium leguminosarum enhances root biofilms, improving nodulation competitiveness by increased expression of attachment proteins. Molecular Microbiology, 2014, 93(3): 464-478 (doi: 10.1111/mmi.12670).
  • Pellock B.J., Cheng H.-P., Walker G.C. Alfalfa root nodule invasion efficiency is dependent on Sinorhizobium meliloti polysaccharides. Journal of Bacteriology, 2000, 182(15): 4310-4318 (doi: 10.1128/JB.182.15.4310-4318.2000).
  • Аксенова Т.С., Чирак Е.Р., Онищук О.П., Курчак О.Н., Афонин А.М., Пинаев А.Г., Андронов Е.Е., Проворов Н.А. Выявление анцестральных характеристик г енома у Rhizobium leguminosarum bv. trifolii. Сельскохозяйственная биология, 2020, 55(3): 489-498 (doi: 10.15389/agrobiology.2020.3.489rus).
  • Говоров Л.И. Горох. В кн.: Культурная Флора СССР. Т. IV. Зерновые бобовые. М., 1937: 229-336.
  • Lukjanová E., Řepková J. Chromosome and genome diversity in the genus Trifolium (Fabaceae). Plants, 2021, 10(11): 2518 (doi: 10.3390/plants10112518).
  • Парийская А.Н. О специфичности клубеньковых бактерий. Усп. микробиол., 1975, 10: 189-200.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp