Сельскохозяйственная микробиология и симбиогенетика: синтез классических идей и конструирование высокопродуктивных агроценозов (обзор)

Сельскохозяйственная микробиология и симбиогенетика: синтез классических идей и конструирование высокопродуктивных агроценозов (обзор)

Автор: Проворов Н.А., Тихонович И.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Обзоры, проблемы, итоги

Статья в выпуске: 5 т.57, 2022 года.

Бесплатный доступ

Сельскохозяйственная микробиология (СХМ) - это дисциплина, изучающая прокариотические и эукариотические микроорганизмы, которые определяют функционирование основных компонентов агроценоза (растений, животных и почвы). Развитие СХМ основано на идеях и методах микробиологии, физиологии растений, почвоведения и генетики, направленных на изучение организации и эволюции биосистем, где микроорганизмы выполняют агрономически важные функции в тесном взаимодействии друг с другом и с высшими организмами. Переходя из окружающей среды в эндосимбиотические ниши растений или животных, микроорганизмы образуют с ними многокомпонентные комплексы - холобионты (E. Rosenberg с соавт., 2018). Они обладают собственными системами наследственности - симбиогеномами и хологеномами, которые служат предметом изучения симбиогенетики (И.А. Тихонович, Н.А. Проворов, 2012). Микроорганизмы, образующие симбиозы с растениями, выполняют важнейшие для них функции: трофические (фиксация N2, усвоение почвенных источников питания, в первую очередь фосфатов), защитные (биоконтроль фитопатогенов и фитофагов) и регуляторные (синтез фитогормонов, которые оптимизируют развитие растений и повышают устойчивость к неблагоприятным факторам среды). К наиболее изученным и важным для практики симбионтам растений относятся клубеньковые бактерии, или ризобии ( Rhizobiales ), - N2-фиксирующие микросимбионты бобовых, грибы арбускулярной микоризы ( Glomeromycota ) - фосфатмобилизующие симбионты (более 80 % видов) растений (A. Berruti с соавт., 2016,; ризосферные и эндофитные бактерии (например, Azospirillum , Bacillus , Pseudomonas ), стимулирующие развитие растений и определяющие их устойчивость к антагонистам (патогенам, вредителям) и стрессам (засухе, засолению, загрязнению почв ксенобиотиками или тяжелыми металлами) (M.A. Hassani с соавт., 2018). У животных трофические симбионты определяют усвоение растительной пищи (микробиота кишечника или рубца), синтез незаменимых метаболитов (кишечные и внутриклеточные симбионты) и фиксацию N2 (симбионты некоторых животных-фитофагов) (E. Rinninella с соавт., 2019). Изучение симбионтов растений и животных позволяет создавать микробные препараты, которые улучшают питание хозяев и их устойчивость к стрессам, а также повышают плодородие почв. В растениеводстве широко применяются препараты N2-фиксирующих и ростстимулирующих бактерий, которые позволяют резко снижать дозы экологически опасных азотных и фосфорных удобрений. Препараты микроорганизмов-антагонистов фитопатогенов - Pseudomonas, Bacillus (B.J. Lugtenberg c соавт., 2001; V.K. Chebotar с соавт., 2009), мышевидных грызунов - Salmonella enteritidis, Serratia plymuthica (A. Soenens, J. Imperial, 2019) и насекомых-фитофагов - Bacillus thuringiensis, Beauveria bassiana (A.V. McGuire, T.D. Northfield, 2020) используют для биоконтроля. Они также позволяют значительно снизить пестицидную нагрузку на агроценозы. СХМ вносит существенный вклад в изучение фундаментальных биологических процессов - генетических и молекулярных взаимодействий про- и эукариот, эволюции клетки и ее генома, а также формирования надорганизменных систем наследственности (I.A. Tikhonovich, N.A. Provorov, 2009). Разработаны методы симбиотической инженерии, направленной на конструирование высокопродуктивных биосистем сельскохозяйственного, природоохранного и медицинского назначения.

Еще

Сельскохозяйственная микробиология, симбиогенетика, симбиотическая азотфиксация, генетическая инженерия, биоконтроль патогенов и вредителей, микробиологические препараты, экологически устойчивое земледелие

Короткий адрес: https://sciup.org/142236357

IDR: 142236357   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2022.5.821rus

Список литературы Сельскохозяйственная микробиология и симбиогенетика: синтез классических идей и конструирование высокопродуктивных агроценозов (обзор)

  • Возняковская Ю.М. Микрофлора растений и урожай. М., 1969.
  • Кандыбин Н.В. Бактериальные средства борьбы с грызунами и вредными насекомыми: теория и практика. М., 1989.
  • Flor H.H. Genetics of pathogenicity in Melampsora lini. J. Agric. Res., 1946, 73: 335-357.
  • Nutman P.S. Genetic factors concerned in the symbiosis of clover and nodule bacteria. Nature, 1946, 157: 463-465 (doi: 10.1038/157463a0).
  • Лобашев М.Е. Генетика. Л., 1967.
  • Проворов Н.А., Воробьев Н.И. Генетические основы эволюции растительно-микробного симбиоза. СПб, 2012.
  • Rosenberg E., Zilber-Rosenberg I. The hologenome concept of evolution after 10 years. Microbi-ome, 2018, 6: 78 (doi: 10.1186/s40168-018-0457-9).
  • Тихонович И.А., Проворов Н.А. Сельскохозяйственная микробиология — основа экологически устойчивого агропроизводства: фундаментальные и прикладные аспекты. Сельскохозяйственная биология, 2011, 3: 3-9.
  • Проворов Н.А., Онищук О.П. Эволюционно-генетические основы симбиотической инженерии растений: мини-обзор. Сельскохозяйственная биология, 2018, 53(3): 464-474 (doi: 10.15389/agrobiology.2018.3.464rus).
  • Костычев С.П. Физиология растений. М.-Л., 1937.
  • Каратыгин И.В. Коэволюция грибов и растений. Труды Ботанического института РАН. Вып. 9. СПб, 1993.
  • Проворов Н.А., Штарк О.Ю. Направленная эволюция грибов и растений в системах симбиоза. Микология и фитопатология, 2014, 48(3): 151-160.
  • Израильский В.П., Рунов Е.В., Бернард В.В. Клубеньковые бактерии и нитрагин. М., 1933.
  • Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. М., 1972.
  • Доросинский Л.М. Клубеньковые бактерии и нитрагин. Л., 1970.
  • Проворов Н.А., Симаров Б.В. Генетический полиморфизм бобовых культур по способности к симбиозу с клубеньковыми бактериями. Генетика, 1992, 28(6): 5-14.
  • Provorov N.A., Tikhonovich I.A. Genetic resources for improving nitrogen fixation in legume-rhizobia symbiosis. Genetic Resources and Crop Evolution, 2003, 50(1): 89-99 (doi: 10.1023/A:1022957429160).
  • Онищук О.П., Воробьев Н.И., Проворов Н.А. Нодуляционная конкурентоспособность клубеньковых бактерий: генетический контроль и адаптивное значение. Прикладная биохимия и микробиология, 2017, 53(2): 127-135.
  • Carelli M., Gnocchi S., Fancelli S., Mengoni A., Paffetti D., Scotti C., Bazzicalupo M. Genetic diversity and dynamics of Sinorhizobium meliloti populations nodulating different alfalfa cultivars in Italian soils. Applied and Environmental Microbiology, 2000, 66(11): 4785-4789 (doi: 10.1128/AEM.66.11.4785-4789.2000).
  • Masson-Boivin C., Sachs J.L. Symbiotic nitrogen fixation by rhizobia-the roots of a success story. Curr. Opin. Plant Biol., 2018, 44: 7-15 (doi: 10.1016/j.pbi.2017.12.001).
  • 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(2): 303-314 (doi: 10.1007/BF02184269).
  • El Yahyaoui F., Küster H., Ben Amor B., Hohnjec N., Pühler A., Becker A., Gouzy J., Vernie T., Gough C., Niebel A., Godiard L., Gamas P. Expression profiling in Medicago truncatula identifies more than 750 genes differentially expressed during nodulation, including many potential regulators of the symbiotic program. Plant Physiology, 2004, 136(2): 3159-3176 (doi: 10.1104/pp.104.043612).
  • Awika H.O., Mishra A.K., Gill H., DiPiazza J., Avila C.A., Joshi V. Selection of nitrogen responsive root architectural traits in spinach using machine learning and genetic correlations. Sci. Rep., 2021, 11: 9536 (doi: 10.1038/s41598-021-87870-z).
  • Симаров Б.В., Аронштам А.А., Новикова Н.И., Шарыпова Л.А., Баженова О.В., Проворов Н.А. Генетические основы селекции клубеньковых бактерий. Л., 1990.
  • Simon R., Priefer U., Pühler A. A broad host range mobilization system for in vivo genetic engineering: transposon mutagenesis in gram negative bacteria. Nat. Biotechnol, 1983, 1(3): 784-791 (doi: 10.1038/nbt1183-784).
  • Sharypova L.A., Onishchuk O.P., Chesnokova O.N., Fomina-Eshenko 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).
  • Онищук О.П., Воробьев Н.И., Проворов Н.А., Симаров Б.В. Симбиотическая активность ризобий люцерны (Sinorhizobium meliloti) с генетическими модификациями системы транспорта дикарбоновых кислот. Экологическая генетика, 2009, 7(2): 3-10.
  • 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(11): 1273-1285.
  • Ferguson B.J., Indrasumunar A., Hayshi S., Lin H.M., Lin Y.H., Reid D.E. Gresshoff P.M. Molecular analysis of legume nodule development and autoregulation. Journal of Integrative Plant Biology, 2010, 52(1): 61-76 (doi: 10.1111/j.1744-7909.2010.00899.x).
  • Denison R.F., Kiers E.T. Lifestyle alternatives for rhizobia: mutualism, parasitism and foregoing symbiosis. FEMS Microbiology Letters, 2004, 237(2): 187-193 (doi: 10.1111/j.1574-6968.2004.tb09695.x).
  • Воробьев Н.И., Проворов Н.А. Моделирование эволюции бобово-ризобиального симбиоза в условиях экологической нестабильности. Экологическая генетика, 2013, 11(4): 73-85 (doi: 10.17816/ecogen11473-85).
  • Hassani M.A., Duran P., Hacquard S. Microbial interactions within the plant holobiont. Micro-biome, 2018. 6: 58 (doi: 10.1186/s40168-018-0445-0).
  • Лаптев Г.Ю., Йылдырым Е.А., Дуняшев Т.П., Ильина Л.А., Тюрина Д.Г., Филиппова В.А., Бражник Е.А., Тарлавин Н.В., Дубровин А.В., Новикова Н.И. Таксономические и функциональные особенности микробиоты рубца у дойных коров с диагнозом кетоз. Сельскохозяйственная биология, 2021, 56(2): 356-373 (doi: 10.15389/agrobiology.2021.2.356rus).
  • Лаптев Г.Ю., Йылдырым Е.А., Дуняшев Т.П., Ильина Л.А., Тюрина Д.Г., Филиппова В.А., Бражник Е.А., Тарлавин Н.В., Дубровин А.В., Новикова Н.И., Большаков В.Н., Пономарева Е.С. Биоразнообразие и метаболические функции микробиома рубца у молочных коров в разные физиологические периоды. Сельскохозяйственная биология, 2021, 56(4): 619640 (doi: 10.15389/agrobiology.2021.4.619rus).
  • Li W., Tapiainen T., Brinkac L., Lorenzi H.A., Moncera K., Tejesvi M.V., Salo J., Nelson K.E. Vertical transmission of gut microbiome and antimicrobial resistance genes in infants exposed to antibiotics at birth. The Journal of Infectious Diseases, 224(7): 1236-1246 (doi: 10.1093/infdis/jiaa155).
  • Воробьев Н.И., Егоров И.А., Кочиш И.И., Никонов И.Н., Ленкова Т.Н. Биосистемная самоорганизация и фрактальная структура частотно-таксономических профилей микро-биоты кишечника бройлеров под влиянием кормовых пробиотиков. Сельскохозяйственная биология, 2021, 56(2): 400-410 (doi: 10.15389/agrobiology.2021.2.400rus).
  • Tikhonovich I.A., Provorov N.A. From plant-microbe interactions to Symbiogenetics: a universal paradigm for the inter-species genetic integration. Annals of Applied Biology, 2009, 154(3): 341350 (doi: 10.1111/j.1744-7348.2008.00306.x).
  • Тихонович И.А., Проворов Н.А. Развитие подходов симбиогенетики для изучения изменчивости и наследственности надвидовых систем. Генетика, 2012, 48(4): 437-450.
  • Проворов Н.А., Тихонович И.А., Воробьев Н.И. Симбиоз и симбиогенез. СПб, 2018.
  • Provorov N.A. Genetic individuality and inter-species altruism: modelling of symbiogenesis using different types of symbiotic bacteria. Biologocal Communications, 2021, 66(1): 65-71 (doi: 10.21638/spbu03.2021.108).
  • Smith D.R., Keeling P.J. Mitochondrial and plastid genome architecture: reoccurring themes, but significant differences at the extremes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015, 112(33): 10177-10184.
  • Curatti L., Rubio L.M. Challenges to develop nitrogen-fixing cereals by direct nif-gene transfer. Plant Sci, 2014, 225: 130-137 (doi: 10.1016/j.plantsci.2014.06.003).
  • Burén S., Pratt K., Jiang X., Guo Y., Jimenez-Vicente E., Echavarri-Erasun C., Dean D.R., Saaem I., Gordon D.B., Voigt C.A., Rubio L.M. Biosynthesis of the nitrogenase active-site co-factor precursor NifB-co in Saccharomyces cerevisiae. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(50): 25078-25086 (doi: 10.1073/pnas.1904903116).
  • Tovar J., León-Avila G., Sánchez L.B., Sutak R., Tachezy J., van der Giezen M., Hernández M., Müller M., Lucocq J.M. Mitochondrial remnant organelles of Giardia function in iron-sulphur protein maturation. Nature, 2003, 426(6963): 172-176 (doi: 10.1038/nature01945).
  • Lugtenberg B.J.J., Dekkers L., Bloemberg G. Molecular determinants of rhizosphere colonization by Pseudomonas. Annual Review of Phytopathology, 39: 461-490 (doi: 10.1146/annurev.phyto.39.1.461).
  • Chebotar V.K., Makarova N.M., Shaposhnikov A.I., Kravchenko L.V. Antifungal and phytostim-ulating characteristics of Bacillus subtilis Ch-13 rhizospheric strain, producer of bioprepations. Appl. Biochem. Microbiol., 2009, 4: 419-423 (doi: 10.1134/S0003683809040127).
  • Soenens A., Imperial J. Biocontrol capabilities of the genus Serratia. Phytochemistry Reviews, 2019, 19: 577-587 (doi: 10.1007/s11101-019-09657-5).
  • McGuire1 A.V., Northfield T.D. Tropical occurrence and agricultural importance of Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae. Front. Sustain. Food Syst., 2020, 4: 6 (doi: 10.3389/fsufs.2020.00006).
  • Berruti A., Lumini E., Balestrini R., Bianciotto V. Arbuscular mycorrhizal fungi as natural bio-fertilizers: let's benefit from past successes. Frontiers in Microbiology, 2016, 6: 1559 (doi: 10.3389/fmicb.2015.01559).
  • Zavalin A., Chebotar V., Alferov A., Chernova L., Shcherbakova E., Chizhevskaya E. Nitrogen use by plants and nitrogen flows after application of standard and biomodified nitrogen fertilizers on barley. Biological Communications, 2021, 66(4): 4283-4289.
  • Rinninella E., Raoul P., Cintoni M., Franceschi F., Miggiano G.A.D., Gasbarrini A., Mele M.C. What is the healthy gut microbiota composition? A changing ecosystem across age, environment, diet and diseases. Microorganisms, 2019, 7(1): 14 (doi: 10.3390/microorganisms7010014).
  • Савельева Н.В., Бурлаковский М.С., Емельянов В.В., Лутова Л.А. Трансгенные растения-продуценты веществ медицинского и ветеринарного назначения. Экологическая генетика, 2015, 13(2): 77-99.
  • Green B.R. Chloroplast genomes of photosynthetic eukaryotes. The Plant Journal, 2011, 66(1): 34-44 (doi: 10.1111/j.1365-313X.2011.04541.x).
  • Serodio J., Cruz S., Cartaxana P., Calado R. Photophysiology of kleptoplasts: photosynthetic use of light by chloroplasts living in animal cells. Phil. Trans. R. Soc. B, 2014, 369(1640): 20130242 (doi: 10.1098/rstb.2013.0242).
  • Sevciková T., Horák A., Klimes V., Zbránková V., Demir-Hilton E., Sudek S., Jenkins J., Schmutz J., Pribyl P., Fousek J., Vlcek C., Lang B.F., Obornik M., Worden A.Z., Eliás M. Updating algal evolutionary relationships through plastid genome sequencing: did alveolate plastids emerge through endosymbiosis of an ochrophyte? Sci. Rep., 2015, 5: 10134 (doi: 10.1038/srep10134).
  • Вавилов Н.И. Селекция как наука. Общая селекция растений. М., 1934.
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp