Сигнальное взаимодействие бобовых с ризобиями и специфичность

13-03-2014, 02:42
Взаимодействия бобовых с ризобиями являются высоко специфичными: каждый вид растений обладает определенным спектром симбионтов, каждый штамм ризобий — фиксированным кругом хозяев. При этом выявляются два контрастных типа симбиотической специфичности — широкая и узкая (табл. 11.5). При узкой специфичности перекрестная инокуляция ограничена бобовыми из одного рода или из нескольких близких родов, относящихся к одной трибе (что соответствует выделяемому у патогенов взаимодействию по типу монофагии). При широкой специфичности перекрестная инокуляция возможна между бобовыми из разных триб или даже подсемейств, а иногда может включать и небобовое растение Parasponia, сем. Ulmaceae (что соответствует полифагии).
За последние 20 лет в молекулярном изучении механизмов специфичности достигнут большой прогресс. Основной результат этих работ заключается в выявлении связи специфичности с молекулярными процессами узнавания и сигнального обмена партнеров.
Сигнальное взаимодействие бобовых с ризобиями и специфичность

Узнавание. Специфичность бобово-ризобиального симбиоза зависит в первую очередь от адекватного узнавания сигналов, продуцируемых партнерами. Конститутивно синтезируемые растениями флавоноиды воздействуют на бактериальный белок NodD, который активирует промоторы генов вирулентности (nod/nol/noe), кодирующих синтез липо-хито-олигосахаридных Nod-факторов (НФ) — сигналов, уникальных для этого симбиоза (рис. 11.5). НФ состоят из 3-6 остатков N-ацетилглюкозамина и жирнокислотной (ацильной) цепи (16-20 атомов С). Лишь некоторые гены (nodABC), кодирующие коровую часть структуры НФ — ацилированную олигохитиновую цепь, являются универсальными для всех ризобий («общие» nod-гены). Большинство генов клубенькообразования являются специфичными по отношению к хозяину: они отвечают за взаимодействие определенного вида или штамма ризобий с конкретными видами или сортами растений.
Сигнальное взаимодействие бобовых с ризобиями и специфичность

Широкий и узкий типы специфичности (табл. 11.5) определяются в первую очередь структурой ацильной цепи. Узкая специфичность связана с присутствием необычных полиненасыщенных цепей (2—4 двойные связи C=C), их синтез и присоединение к НФ определяются особыми генами (nodEF). Широкая специфичность определяется насыщенными или моно-ненасыщенными ацильными цепями, формируемыми в обычном метаболизме жирных кислот. Это различие показывает, что широкая специфичность является эволюционно более древней, чем узкая. Действительно, узкий тип специфичности связан с адаптацией ризобий к эволюционно продвинутым «галегоидным» бобовым умеренных широт и был результатом включения в систему симбиоза генов nodEF. В то же время, у бобовых, произрастающих в тропиках, где это семейство возникло и где обитает около 90 % его современных представителей, выявляется как широкая, так и узкая симбиотическая специфичность.
Более тонкая дифференциация специфичности связана с химическими модификациями олиго-хитинового скелета НФ (рис. 11.5А). Например, сульфатирование положения R5 на нередуцирующем конце, определяемое генами nodP, nodQ, nodH необходимо для взаимодействия S. meliloti с люцерной, тогда как ацетилирование, кодируемое геном nodX, необходимо для инокуляции штаммами R. leguminosarum bv. viceae «Афганских» линий гороха. Интересно отметить, что при взаимодействии ризобии с этими линиями ген nodX может быть функционально замещен геном nodZ, контролирующим иную химическую модификацию (фукозилирование вместо ацетилирования), что говорит о поливариантности растительных рецепторов, узнающих НФ. Ранние сигнальные взаимодействия контролируются по механизму «ген-на-ген», характерному для фитопатогенных отношений, и более того, НФ напоминают хитин-подобные элиситоры грибных патогенов, вызывающие у растений реакцию гиперчувствительности.
Сигнальный диалог. Гены ризобий, вовлеченные в синтез НФ, представляют лишь первую часть пути передачи сигнальной информации, которая определяет специфичность симбиоза (рис. 11.6). Этот путь продолжается уже в растительном организме, обеспечивая его адекватную реакцию на проникновение микросимбионтов. Анализ передачи сигнала in planta основан на реакциях, которые наблюдаются в корнях бобовых при действии очищенных НФ и входят в подпрограммы инфицирования и гистогенеза клубеньков.
Сигнальное взаимодействие бобовых с ризобиями и специфичность

Инфицирование корней ризобиями начинается при очень низких концентрациях НФ: 10в-8 - 10в-12 М. При этом наблюдают деполяризацию мембран корневых волосков, модификации ионных потоков, проявляемые как регулярные колебания внутриклеточных концентраций ионов Ca2+, а также индукцию движения цитоплазмы, изменения структуры цитоскелета и реинициацию роста корневого волоска. При развитии недетерминированных клубеньков НФ вызывают формирование преинфекционных нитей — цитоплазматических структур, благодаря которым обеспечивается прохождение ИН сквозь кортикальные клетки.
Индукция гистогенеза клубенька начинается с перехода клеток кортекса из GO в G1 фазу митотического цикла, что приводит к де-дифференцировке клеток и формированию клубенькового примордия, который затем преобразуется в меристему клубенька. У некоторых бобовых (люцерна) очищенные НФ индуцирует формирование примордиев и даже клубенек-подобных структур. Очевидно, что геномы растений кодируют основную часть программы клубенькообразования, а НФ играют роль триггеров, ее запускающих.
НФ вызывают локальные и системные ответы растений, которые представляют собой компоненты единого сигнального каскада, кодируемые продуктами Sym-генов. Однако крупные размеры геномов культурных бобовых, у которых эти гены были изначально выявлены (горох, соя), а также трудности в проведении генетической трансформации, затрудняют молекулярный анализ Sym-генов у этих растений. Поэтому сейчас для идентификации Sym-генов используют в основном модельные бобовые (Lotus japonicus, Medicago lruncatula), которые обладают относительно небольшими геномами (470-500 млн пар нуклеотидов) и доступны для трансформации препаратами экзогенной ДНК.
Молекулярная идентификация Sym-генов бобовых позволила провести предварительную реконструкцию сигнального каскада, который связывает широкий спектр процессов, начиная с рецепции НФ и заканчивая системной регуляцией образования клубеньков (рис. 11.7). Многие из идентифицированных генов вовлечены и в другой мутуалистический симбиоз, арбускулярную микоризу, которая имеет общие эволюционные корни с азотфиксирующим клубеньковым симбиозом.
Сигнальное взаимодействие бобовых с ризобиями и специфичность

Важную стадию симбиотического взаимодействия представляет собой прикрепление ризобий к корням и формирование микро-колоний на корневых волосках. Этому прикреплению предшествует быстрое движение ризобий по направлению к корням (оно связано с хемотаксисом на экскретируемые флавоноиды, органические кислоты и сахара) и опосредовано связыванием с поверхностными лектинами, которое может быть весьма специфичным. Перенос гена лектина гороха Psl в корни клевера посредством агробактериальной трансформации может придавать растению-реципиенту способность формировать клубеньки с ризобиями, специфичными для растения-донора, т. е. со штаммами R. leguminosarum bv. viceae, которые на обычном клевере клубеньков не образуют. Связывание ризобий с лектинами может вносить существенный вклад в определение хозяйской специфичности, о чем говорит участие лектин-подобных растительных компонентов в рецепции НФ, а также участие бактериальных экзополисахаридов в контроле специфичности.
Защитные реакции. Ранние стадии взаимодействия, на которых осуществляется узнавание, сигнальные и инфекционные процессы, включают диалог ризобий с факторами, обеспечивающими гомеостаз растительного организма. Многие из них характерны для защиты растений от патогенов, о чем говорит участие в клубенькообразовании:
1) индукторов nod-генов, сходных с флавоноидными фитоалексинами;
2) хитиназо-подобных белков, участвующих в процессинге НФ;
3) рецептор-подобных протеин-киназ, которые широко вовлечены в защитные процессы;
4) ранних нодулинов, многие из которых имеют близких гомологов среди цистеин-богатых патоген-регулируемых белков;
5) экстенсинов, накапливающихся в инфекционных нитях;
6) активных форм кислорода, образуемых в тканях клубенька.
Даже из этого, далеко не полного списка видно, что ответ растений на внедрение ризобий напоминает реакцию гиперчувствительности при внедрении несовместимых патогенов. Однако в случае бобово-ризобиального симбиоза эти реакции направлены не на уничтожение или инактивацию микросимбионтов, а на их адекватное размещение и регуляцию поведения в многоклеточном растительном организме. Например, активные формы кислорода могут обеспечивать связывание гликопротеинов растений, необходимое для роста ИН в тканях корня.
Co стороны ризобий, взаимодействие контролируется факторами, имеющими гомологов у патогенных бактерий и выделяемыми через системы белковой секреции 3-го типа. Структурное и функциональное родство НФ с элиситорами патогенов определяет отмеченное выше сходство развития клубенька и реакции гиперчувствительности. Это сходство позволяет предположить, что НФ обеспечивают мимикрию ризобиями более древних грибных симбионтов растений, которые синтезировали при симбиозе хитин-подобные молекулы. При этом специфичные модификации НФ позволяют хозяину отличать эти сигналы от элиситоров — олигомеров хитина и таким образом вызывать адекватные модификации защитных ответов.
Для того чтобы избежать гипериндукции защитных реакций хозяина, ризобии синтезируют ряд супрессоров, благодаря которым эти реакции не достигают полного развития. Важную роль в диалоге с защитными системами играют поверхностные экзополисахариды (ЭПС) и липополисахариды (ЛПС) бактерий. Мутации, нарушающие синтез ЭПС1 (кислый ЭПС или сукциноглюкан) у ризобий люцерны S. meliloti приводят к формированию не фиксирующих азот «пустых» (InrNod+) псевдо-клубеньков, не содержащих бактерий. Этот фенотип связан с высокой активностью защитных реакций, которые исключают бактерии из тканей развивающегося клубенька. Интересно отметить, что инокуляция растений смесью невирулентных мутантов, один из которых лишен НФ, а другой лишен ЭПС1, приводит к развитию нормальных по структуре клубеньков, в которых оба типа мутантов превращаются в N2-фиксирующие бактероиды.
Системный контроль симбиоза. Важнейшая симбиотическая функция хозяина заключается в системном контроле числа клубеньков, необходимом для соответствия их активности энергетическому и метаболическому статусу растительного организма. Основную роль в этом контроле играют факторы, ответственные за системную авторегуляцию образования клубеньков (АОК). Мутации бобовых, нарушающие АОК, обычно приводят к следующим фенотипам:
1) многократное возрастание числа клубеньков (фенотип Nod++);
2) снижение массы надземной части и корней в сочетании с повышением общей нитрогеназной активности, которое вызывает перерасход продуктов фотосинтеза;
3) устойчивость образования клубеньков к ингибированию связанным азотом.
Следовательно, AOK обеспечивает растениям способность запускать развитие симбиоза в условиях дефицита почвенного азота, в связи с чем при нарушении AOK функция симбиотической N2-фиксации оказывается неадаптивной.
По современным данным, AOK начинается вскоре после закладки клубенькового примордия, когда делящиеся растительные клетки посылают в надземную часть сигналы, которые вызывают обратный ответ, формируемый в листьях и блокирующий формирование избытка клубеньков. Использование системы «расщепленного корня» показало, что у клевера и люцерны реакция AOK происходит быстрее, чем у сои. Можно предположить, что при развитии недетерминированных клубеньков системный сигнал освобождается примордиями на более ранних стадиях, чем при развитии детерминированных клубеньков.
Первым выявленным геном, который отвечает за развитие АОК, стал ген GmNARK сои, кодирующий белок, который является рецептор-подобной киназой с 19 внеклеточными лейцин-богатыми повторами (LRR) и с единственным трансмембранным доменом. Этот ген сходен с CLAVATA 1, вовлеченным в развитие и дифференцировку апикальных меристем у Arabidopsis. У сои выявлен близкий гомолог (90 % идентичности) гена GmNARK, названный GmCLV1A. Гомологичные гены выявлены у Lotus japonicus, Medicago truncatula (MtSunn) и Pisum sativum (PsSym29).
Итак, регуляция образования клубеньков у бобовых включает ряд иерархически организованных процессов, в том числе локальные и системные ответы. Многие из них являются общими и для других мутуалистических симбиозов (AM), а также для защиты растений от патогенов и для несимбиотического развития, и лишь некоторые процессы (например, рецепция НФ) могут считаться уникальными для образования клубеньков. Очевидно, что эволюция клубенькообразования определялась главным образом перекомпоновками элементов предсуществовавших программ развития растений. Эту стратегию хорошо иллюстрируют данные о гормональном контроле образования клубеньков, который связан с аномально низким соотношением ауксинов к цитокининам в корнях. Кроме того, негативным регулятором развития симбиоза оказался фитогормон этилен, так что выработка механизмов для подавления его продукции была важным фактором становления симбиоза.

  • Экологическое и практическое значение микробно-растительных симбиозов
  • Эндофитная стратегия: токсин-образующие грибы и бактерии
  • Эпифитная стратегия: рост-стимулирующие ризобактерии
  • Онтогенез эктомикориза (ЭМ)
  • Генетика развития арбускулярного микориза (AM)
  • Онтогенез арбускулярного микориза (AM)
  • Ризосферная и эндофитная азотфиксация
  • Молекулярная дифференцировка cимбиозов с N2-фиксирующими цианобактериями
  • Метаболическая интеграция в бобово-ризобиальной системе
  • Программы развития клубенька бобовых

  • Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

    Министерство сельского хозяйства Оренбургской области

    Правительство Оренбургской области

    Визитка компании - сайт компании

    Ильинка Фаворит Агромир Техноорь

    Системы точного земледелия Автопартнер





    Акцент

     

    • Рейтинг@Mail.ru
    • Яндекс.Метрика
    • Индекс цитирования