Сравнительный анализ геномных характеристик у референтных штаммов Sinorhizobium meliloti - симбионтов люцерны

Сравнительный анализ геномных характеристик у референтных штаммов Sinorhizobium meliloti - симбионтов люцерны

Автор: Румянцева М.Л., Мунтян В.С., Черкасова М.Е., Андронов Е.Е., Саксаганская А.С., Дзюбенко Е.А., Дзюбенко Н.И., Симаров Б.В.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Генетические ресурсы, интрогрессия, иммунитет (к 130-летию со дня рождения Н.И. Вавилова)

Статья в выпуске: 5 т.52, 2017 года.

Бесплатный доступ

Растительно-микробное симбиотическое взаимодействие - это уникальная высокоспецифичная биологическая система фиксации атмосферного азота и его трансформации в соединения, доступные для живых организмов. Принципиально новым подходом может стать создание системы генетического мониторинга стабильности хозяйственно ценных штаммов симбионтов в микробиомах агроэкосистем. Сопоставление геномных характеристик симбиотически активных штаммов может позволить выявить функционально значимые маркерные последовательности и стать основой для создания такой системы. Симбиотически активные штаммы Sinorhizobium meliloti СХМ1-105 (СХМ1) и Rm1021 (Rm2011) применяются в качестве референтных в отечественных и зарубежных лабораториях, поскольку активно используются для разработки и/или адаптации широкого круга методов симбиогенетики. СХМ1-105 (СХМ1) и Rm1021 (Rm2011) получены на основе производственных штаммов 425а и SU47. Штамм 425а выделен из клубеньков люцерны в середине 1970-х годов в Алматинской области Казахстана, входящей в состав Среднеазиатского первичного центра происхождения культурных растений, описанного Н.И. Вавиловым. Штамм SU47 выделен из клубеньков люцерны в конце 1930-х годов в Австралии - вторичном центре разнообразия культурных растений. Геномы исходных штаммов, а также их производных состоят из хромосомы (SMc) и двух мегаплазмид (SMa, SMb) и не содержат криптических плазмид. У CXM1-105 в отличие от Rm1021 в геноме отсутствуют 508 белок-кодирующих открытых рамок считывания (open reading frame - ORF), из которых, как следует из данных, полученных с использованием ДНК-биочипов SM6kOligo, 242 локализованы на SMa, 121 - на SMb и 145 - на SMc. Это указывает на существенные структурные различия во всех трех репликонах референтных штаммов CXM1-105 и Rm1021. Хромосома СХМ1-105 (СХМ1) и 425а не содержит последовательностей фагового происхождения - так называемых геномных островов, описанных у Rm1021. Установлено, что 62 ORF геномных островов Rm1021 сходны или гомологичны таковым у представителей того же вида или рода, а также у филогенетически удаленных классов бактерий. Однако в структуре хромосомы СХМ1-105 имеются сайты для интеграции геномных островов (EU196757, EU196758 и EU196759), которые на 99-100 % гомологичны таковым у Rm1021 (Rm2011). Оценка распространенности штаммов S. meliloti, имевших типы хромосомы SMcRm1021 (наличие островов) или SMcСХМ1-105 (отсутствие островов) в природных популяциях показала превалирование первых в районе, относящемся к Среднеазиатскому генцентру, вторых - в зоне экстремально засоленных почв Приаралья (Р

Еще

Симбиоз, люцерна, референтные штаммы, молекулярно-генетический анализ, геномные острова, сайты для специфической интеграции, дополнительный геном

Короткий адрес: https://sciup.org/142213853

IDR: 142213853   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2017.5.928rus

Список литературы Сравнительный анализ геномных характеристик у референтных штаммов Sinorhizobium meliloti - симбионтов люцерны

  • Мишустин Е.Н., Шильникова В.К. Клубеньковые бактерии и инокуляционный процесс. М., 1973.
  • Bianco C., Defez R. Soil bacteria support and protect plants against abiotic stresses. In: Abiotic stress in plants -mechanisms and adaptations/A. Shanker, B. Venkateswarlu (eds.), InTech, Croatia, 2011 ( ) DOI: 10.5772/23310
  • 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
  • Хотянович А.В. Методы культивирования азотфиксирующих бактерий, способы получения и применения препаратов на их основе. Л., 1991.
  • Микробиология/Под ред. Е.Н. Мишустина, В.Т. Емцева. М., 1987.
  • Саданов А.К., Гаврилова Н.Н., Дадонова Т.Н., Ратникова И.А. Критерии отбора штаммов клубеньковых бактерий в состав биопрепаратов для обогащения почвы биологическим азотом и повышения урожайности бобовых культур. Известия Национальной академии наук Республики Казахстан. Серия биологическая и медицинская, 2015, 1: 115-124.
  • Lopez-Guerrero M.G., Ormeno-Orrillo E., Acosta J.L., Mendoza-Vargas А., Rogel M.A., Ramirez M.A., Rosenblueth M., Martinez-Romero J., Martinez-Romero E. Rhizobial extrachromosomal replicon variability, stability and expression in natural niches. Plasmid, 2012, 68(3): 149-158 ( ) DOI: 10.1016/j.plasmid.2012.07.002
  • Kajic S., Hulak N., Sikora S. Environmental stress response and adaptation mechanisms in Rhizobia. Agriculturae Conspectus Scientificus, 2016, 81(1): 15-19.
  • Galardini M., Mengoni A., Brilli M., Pini F., Fioravanti A., Lucas S., Lapidus A., Cheng J.F., Goodwin L., Pitluck S., Land M., Hauser L., Woyke T., Mikhailova N., Ivanova N., Daligault H., Bruce D., Detter C., Tapia R., Han C., Teshima H., Mocali S., Bazzicalupo M., Biondi E.G. Exploring the symbiotic pangenome of the nitrogen-fixing bacterium Sinorhizobium meliloti. BMC Genomics, 2011, 12: 235 ( ) DOI: 10.1186/1471-2164-12-235
  • Schneiker-Bekel S., Wibberg D., Bekel T., Blom J., Linke B., Neuweger H., Stiens M., Vorhölter F.J., Weidner S., Goesmann A., Pühler A., Schlueter A. The complete genome sequence of the dominant Sinorhizobium meliloti field isolate SM11 extends the S. meliloti pan-genome. Journal of Biotechnology, 2011, 155(1): 20-33 ( ) DOI: 10.1016/j.jbiotec.2010.12.018
  • Иванов Л.А. Научное Земледелие России: итоги и перспективы. Земледелие, 2014, 3: 25-29.
  • Penttinen P., Terefework Z., Lindstroem K., Greco D., Auvinen P., Muntyan V., Roumiantseva M., De Lajudie P., Becker A. Divergent genes in potential inoculant Sinorhizobium strains are related to DNA replication, recombination, and repair. Journal of Basic Microbiology, 2016, 56(6): 680-685 ( ) DOI: 10.1002/jobm.201500592
  • Зарецкая А.Н. Метод трансформации как способ повышения активности клубеньковых бактерий люцерны. Микробиология, 1976, 45(5): 873-877.
  • Федоров С.Н. Получение мутантов клубеньковых бактерий люцерны с измененными симбиотическими свойствами под действием УФ-излучения. Автореф. канд. дис. Л., 1987.
  • Geddes B.A., Oresnik I.J. The mechanism of symbiotic nitrogen fixation. In: The mechanistic benefits of microbial symbionts/C.J. Hurst (ed.). Springer International Publishing, Switzerland, 2016 ( ) DOI: 10.1007/978-3-319-28068-4_4
  • Bolton J.L. Alfalfa: botany, cultivation and utilization. Interscience Publishers, NY, 1962.
  • Вавилов Н.И. Центры происхождения культурных растений. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, 1926, 16(2): 3-248.
  • Синская Е.Н. Историческая география культурной флоры. Л., 1969.
  • Дзюбенко Н.И., Дзюбенко Е.А. Гипотеза распространения люцерны желтой на северо-запад России вследствие антропогенных и исторических факторов. В сб.: Проблемы эволюции и систематики культурных растений. СПб, 2014: 19-20.
  • Захаров-Гезехус И.А. Николай Иванович Вавилов: в контексте эпохи. М., 2012.
  • Иванов А.И. Люцерна. М., 1980.
  • Eardly B.D., Materon L.A., Smith N.H., Johnson D.A., Rumbaugh M.D., Selander R.K. Genetic structure of natural populations of the nitrogen-fixing bacterium Rhizobium meliloti. Appl. Environ. Microbiol., 1990, 56(1): 187-194.
  • MacKinnon P.A., Robertson J.G., Scott D.J., Hale C.N. Legume inoculant usage in New Zealand. Journal of Experimental Agriculture, 1977, 5(1): 35-39 ( ) DOI: 10.1080/03015521.1977.10425930
  • Smith R.S., Thorne S., Randall R. Rhizobia inoculants for various leguminous species. Nitragin Brand Inoculants Technical Bulletin, 1988, Iss. 102: 8.
  • Keller M., Roxlau A., Weng W.M., Schmidt M., Quandt J., Niehaus K., Jording D., Arnold W., Puehler A. Molecular analysis of the Rhizobium meliloti mucR gene regulating the biosynthesis of the exopolysaccharides succinoglycan and galactoglucan. Mol. Plant-Microbe Interact., 1995, 8(2): 267-77 ( ) DOI: 10.1094/MPMI-8-0267
  • Bradic M., Sikora S., Redzepovic S., Stafa Z. Genetic identification and symbiotic efficiency of an indigenous Sinorhizobium meliloti field population. Food Technology and Biotechnology, 2003, 41(1): 69-75.
  • Троян Т.Н. Формирование эффективного бобово-ризобиального симбиоза и его роль. Автореф. канд. дис. Калининград, 2010.
  • Проворов Н.А. Специфичность взаимодействия клубеньковых бактерий с бобовыми растениями и эволюция бобово-ризобиального симбиоза. Сельскохозяйственная биология, 1985, 20(3): 34-46.
  • Terpolilli J.J., O'Hara G.W., Tiwari R.P., Dilworth M.J., Howieson J.G. The model legume Medicago truncatula A17 is poorly matched for N2 fixation with the sequenced microsymbiont Sinorhizobium meliloti 1021. New Phytologist, 2008, 179(1): 62-66 ( ) DOI: 10.1111/j.1469-8137.2008.02464.x
  • Sharypova L.A., Pretorius-Guth I.-M., Simarov B.V., Puehler A. Genetic improvement of Rhizobium strains. In: The nitrogen fixation and its research in China/G.F. Hong (ed.). Springer-Verlag, Berlin, 1992: 266-285 ( ) DOI: 10.1007/978-3-662-10385-2_13
  • Симаров Б.В., Аронштам А.А., Новикова Н.И., Баженова О.В., Проворов Н.А., Шарыпова Л.А. Генетические основы селекции клубеньковых бактерий/Под ред. Б.В. Симарова, А.А. Аронштама, Н.И. Новиковой. Л., 1990.
  • Selbitschka W., Arnold W., Jording D., Kosier B., Toro N, Puehler A. The insertion sequence element ISRm2011-2 belongs to the IS630-Tc1 family of transposable elements and is abundant in Rhizobium meliloti. Gene, 1995, 163(1): 59-64 ( ) DOI: 10.1016/0378-1119(95)00371-C
  • Roumiantseva M.L., Andronov E.E., Sharypova L.A., Dammann-Kalinowski T., Keller M., Young J.P., Simarov B.V. Diversity of Sinorhizobium meliloti from the Central Asian alfalfa gene center. Appl. Environ. Microbiol., 2002, 68(9): 4694-4697. ( ) DOI: 10.1128/AEM.68.9.4694-4697.2002
  • Pobigaylo N., Wetter D., Szymczak S., Schiller U., Kurtz S., Meyer F., Nattkemper T.W., Becker A. Construction of a large signature-tagged mini-Tn5 transposon library and its application to mutagenesis of Sinorhizobium meliloti. Appl. Environ. Microbiol., 2006, 72(6): 4329-4337 ( ) DOI: 10.1128/aem.03072-05
  • Serrania J., Johner T., Rupp O., Goesmann A., Becker A. Massive parallel insertion site sequencing of an arrayed Sinorhizobium meliloti signature-tagged mini-Tn5 transposon mutant library. J. Biotechnol., 2017, 257: 9-12 ( ) DOI: 10.1016/j.jbiotec.2017.02.019
  • Румянцева М.Л., Симаров Б.В., Онищук О.П., Андронов Е.Е., Чижев-ская 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.
  • 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.
  • Симаров Б.В., Шарыпова Л.А., Чеснокова О.Н., Онищук О.П., Кучко В.В. Анализ Tn5-мутантов Rhizobium meliloti с увеличенной симбиотической эффективностью. Генетика, 1990, 26(4): 630-635.
  • Sharypova L.A., Yurgel S.N., Simarov B.V., Keller M., Puehler A., Becker A. The eff-482 locus of Sinorhizobium meliloti CXM1-105 that influences symbiotic effectiveness consists of three genes encoding an endoglycanase, a transcriptional regulator and an adenylate cyclase. Mol. Gen. Genet., 1999, 261(6): 1032-1044 DOI: 10.1007/s004380051052
  • Чижевская Е.П., Кроль Е.А., Онищук О.П., Сагуленко Е.А., Фомина-Ещенко Ю.Г., Симаров Б.В., Шарыпова Л.А. Физическое и генетическое картирование мутаций симбиотической эффективности на мегаплазмиде-2 штаммам CXM1 Rhizobium meliloti. Генетика, 1998, 34(9): 1220-1227.
  • Румянцева М.Л., Мунтян В.С. Клубеньковые бактерии Sinorhizobium meliloti: солеустойчивость и ее генетическая детерминированность (обзор). Микробиология, 2015, 84(3): 263-280 ( ) DOI: 10.7868/S0026365615030179
  • Krol E., Becker A. Global transcriptional analysis of the phosphate starvation response in Sinorhizobium meliloti strains 1021 and 2011. Mol. Gen. Genet., 2004, 272(1): 1-17 ( ) DOI: 10.1007/s00438-004-1030-8
  • Sharypova L., Andronov E., Krol E., Becker A., Saal B., Wegener C. Untersuchungen der bakteriellen Diversität mittels Oligonukleotid-Microarrays. BioSpektrum, 2006, 12(1): 106-108.
  • Biondi E.G., Tatti E., Comparini D., Giuntini E., Mocali S., Giovannetti L., Bazzicalupo M., Mengoni A., Viti C. Metabolic capacity of Sinorhizobium (Ensifer) meliloti strains as determined by phenotype MicroArray analysis. Appl. Environ. Microbiol., 2009, 75(16): 5396-404 ( ) DOI: 10.1128/aem.00196-09
  • Румянцева М.Л. Генетические ресурсы клубеньковых бактерий (обзор). Генетика, 2009, 45(9): 1157-1172.
  • Белова-Мунтян В.С., Симаров Б.В., Румянцева М.Л. Мозаичность генома альфа-протеобактерий. Мат. VII Московского межд. конгр. «Биотехнология: состояние и перспективы развития». М., 2013, т. 2: 363-364.
  • Саксаганская А.С., Субботина А.Р., Черкасова М.Е., Мунтян В.С., Румянцева М.Л. Полиморфизм nod и bet групп генов у штаммов Sinorhizobium meliloti. Тез. докл. IX Межд. науч. конф. «Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты». Минск, 2015: 48-49.
  • 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
  • Langille M.G., Hsiao W.W., Brinkman F.S. Detecting genomic islands using bioinformatics approaches. Nature Rev. Microbiol., 2010, 8(5): 373-382 ( ) DOI: 10.1038/nrmicro2350
  • Hudson C.M., Lau B.Y., Williams K.P. Islander: a database of precisely mapped genomic islands in tRNA and tmRNA genes. Nucl. Acids Res., 2015, 43: 48-53 ( ) DOI: 10.1093/nar/gku1072
  • Румянцева М.Л. Популяционная геномика мутуалистического симбионта семейства Fabaceae на примере клубеньковых бактерий Sinorhizobium meliloti. Тез. докл. Всерос. конф. «50 лет ВОГиС: успехи и перспективы». М., 2016: 52.
  • Мунтян В.С., Черкасова М.Е., Андронов Е.Е., Симаров Б.В., Румянцева М.Л. Встречаемость островов в геномах природных штаммов Sinorhizobium meliloti. Генетика, 2016, 52(8): 1126-1133 ( ) DOI: 10.7868/S0016675816080105
  • Ferrieres L., Francez-Charlot A., Gouzy J. Rouille S., Kahn D. FixJ-regulated genes evolved through promoter duplication in Sinorhizobium meliloti. Microbiology, 2004, 150(7): 2335-2345 ( ) DOI: 10.1099/mic.0.27081-0
  • Martinez-Hidalgo P., Hirsch A.M. The nodule microbiome: N2-fixing rhizobia do not live alone. Phytobiomes, 2017, 1(2): 70-82.
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp