Молекулярная дифференцировка cимбиозов с N2-фиксирующими цианобактериями

Цианобактерии — метаболически пластичные организмы, способные использовать как автотрофно фиксируемые углерод и азот, так и их связанные формы. В гетероцистах свободноживущих цианобактерий наряду с нитрогеназой синтезируются глутаминсинтетаза, и продукт ее действия, глутамин (образующиеся при присоединении аммония к глутамату), экспортируется в вегетативные (фотосинтезирующие) клетки, где передает аминогруппы на α-кетоглутарат под контролем глутамат-синтазы. Основным источником энергии для нитрогеназы является фотосистема I, которая, в отличие от фотосистемы II и цикла Кальвина, сохраняет активность в гетероцистах.
При симбиозе цианобактерий с растениями гетероцисты демонстрируют другую метаболическую стратегию (рис. 11.12): в желёзках Gunnera активность бактериальной глутаминсинтетазы утрачена, и аммоний экспортируется в растительные клетки, где ассимилируется посредством α-кетоглутурата. При этом основным источником углерода и энергии для гетероцист являются сахара, поступающие от растения, поскольку in planta фотосинтетическая активность цианобактерий подавлена.

Уникальной особенностью контроля N2-фиксации у цианобактерий является направленная реорганизация nif-генов в гетероцистах. В вегетативных клетках Nostoc или Anabaena в один из структурных генов нитрогеназы (nifD) встроен дополнительный сегмент ДНК размером 11-23 тыс. пар нуклеотидов, и для синтеза нитрогеназы целостность гена nifD должны быть восстановлена путем точного вырезания данного сегмента. Оно контролируется эндонуклеазой XisA, структурный ген которой находится в вырезаемом сегменте, который после восстановления целостности гена nifD может быть найден в цитоплазме в виде самостоятельного репликона. Мутации, нарушающие эту реорганизацию, приводят к неспособности бактерий фиксировать азот, однако не влияют на развитие гетероцист. Многие мутации с нарушенным образованием гетероцист могут осуществлять реорганизации гена nifD и фиксировать N2 в анаэробных условиях, при снабжении бактерий сахарами. Однако у штаммов «дикого типа» эти процессы тесно скоординированы: выявлен транскрипционный активатор NtcA, который контролирует как синтез нитрогеназы, так и образование гетероцист.
При сравнении симбиозов, образуемых растениями с ризобиями и цианобактериями, можно видеть ряд принципиальных различий, касающихся структурных и функциональных модификаций клеток партнеров (табл. 11.7). Однако, очевидны и общие принципы этих симбиозов, в которых осуществляемая микробами фиксация N2 сопряжена с растительным фотосинтезом, что приводит к образованию обобщенных, транс-организменных систем C/N метаболизма. В обоих типах симбиоза энергетическое снабжение N2-фиксирующего аппарата, а также ассимиляция его продуктов осуществляется растением. Глубокая и необратимая клеточная дифференцировка перед началом азотфиксации происходит как у ризобий (бактероиды), так и у цианобактерий (гетероцисты). Сходным образом осуществляется перераспределение между партнерами биохимических функций: синтез углеродных скелетов, воспринимающих атомы азота, отделен от фиксации N2 и от первичной ассимиляции азота. В связи с высокой интенсивностью N2-фиксации, в микробных клетках спектр биохимических функций сведен к экскреции аммония и к подаче энергии (АТФ и электронов) на нитрогеназу.

Выявленные различия между двумя типами N2-фиксирующего симбиоза могут быть связаны с низкой зависимостью цианобактерий от хозяина как от источника углерода. В этой связи важно отметить, что хозяевами цианобактерий являются растения, эволюционно намного более примитивные, чем двудольные — хозяева ризобий или Frankia. Очевидно, что синцианозы представляют собой анцестральный способ симбиотрофного питания растений азотом, на основе которого могли возникать более сложные его формы. При этом представляется сомнительным, что желёзки Gunnera или коралловидные корни Cycadales являются оптимальными экологическими нишами для цианобактерий, так как их размножение in planta строго контролируется хозяином, который реорганизует развитие микросимбионта в направлении массового развития нежизнеспособных гетероцист, ориентированных на экспорт аммония. Важно отметить, что у цианобактерий, в отличие от ризобий, не выявлено генных систем, специализированных для взаимодействия, что показывает отсутствие в популяциях цианобактерий селективных давлений, действующих в пользу симбиоза с растениями. В связи с этим обоснованным выглядит представление о синцианозах как об «эксплуатационных» формах симбиоза, адаптивный выигрыш от которых для растения гораздо выше, чем для микроорганизма.