Диссертация (Молекулярно–генетические и клеточные механизмы дифференцировки симбиотического клубенька), страница 6

Севилья, Испания), 2-мсъезде ВОГиС (2000 г., Санкт-Петербург), 5-й Европейской конференции поазотфиксации (2002 г. Норидж, Великобритания), 11-м Международномконгрессе по микробно-растительным взаимодействиям (2003 г. СанктПетербург), 6-м Международном симпозиуме по структуре и функциям корней(2003 г., Стара Лесна, Словакия), 3-м съезде ВОГиС (2004 г., Москва), 14-мМеждународном конгрессе по азотфиксации (2004 г.

Пекин, Китай), 1-мВведение30симпозиуме по нейробиологии растений (2005 г. Флоренция, Италия), VI съездеОФР (2007 г. Сыктывкар), 8-й Европейской конференции по азотфиксации(2008 г., Гент, Бельгия), 5-м съезде ВОГиС (2009 г. Москва), VII съезде ОФР(2011 г. Нижний Новгород), 7-м Международном симпозиуме по структуре ифункциям корней (2011 г. Новый Смоковец, Словакия), 6-м съезде ВОГиС(2014 г. Ростов-на-Дону), 11-й Европейской конференции по азотфиксации(2014 г. Тенерифе, Испания), 3-м Международном симпозиуме по сигналлингуи поведению растений (2015 г.

Париж, Франция), VIII съезде ОФР (2015 г.Петрозаводск), 4-м Международном симпозиуме по сигналлингу и поведениюрастений (2016 г. Санкт-Петербург), 20-м Международном конгрессе поазотфиксации (2017 г. Гранада, Испания).Работу финансово поддержали следующие организации:РНФ (16-16-10035, 14-24-00135);РФФИ (14-04-00383-а, 13-04-40344-Н, 11-04-01675-а, 08-04-01656-а, 08-0490051-Бел_а, 05-04-49105-а, 04-04-48462-а, 04-04-48457-а; 01-04-49643-а, 0104-48580-а);Совет по грантам Президента РФ (НШ-6759.2016.4, НШ-4603.2014.4, НШ337.2012.4, НШ-3440.2010.04, НШ-5399.2008.04, НШ-9744.2006.04, НШ1103.2003.04, МК-583.2004.4);Администрация Санкт-Петербурга (2002, 2006, 2008, 2010 гг.);Научный департамент НАТО (HTECH.LG 971210, LST.CLG.977076);ИНТАС (01-83-3143, 01-2322, 01-2170, YSF-00-175);EU-RTD INCO Copernicus (IC15-CT 98-0116);Европейская организация молекулярной биологии (ASTF 9862);NWO (047-007 017);Фонд Фольксвагена (I/72 935);CRDF-Рособразование (RUXO-012-ST-06; BP2M12);Министерство образования и науки (16.552.11.7085, 16.551.11.7047,02.740.11.0276, П290, П1301, 1746, П1699, № 8056, 8109).ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Генетический контрольклеточных механизмов развития и функционированиясимбиотического клубенькаРазвитие бобово-ризобиального симбиоза требует скоординированнойэкспрессии генов как макросимбионта — бобовых растений — так имикросимбионта — ризобий.Различные виды почвенных бактерий, принадлежащие к α- β- и γпротеобактериям могут вступать в симбиотические отношения с растениямииз семейства Бобовых. К α-протеобактериям относятся роды Allorhizobium,Aminobacter,Azorhizobium,Bradyrhizobium,Devosia,Mesorhizobium,Methylobacterium, Microvirga, Ochrobactrum, Phyllobacterium, Rhizobium,Shinella и Sinorhizobium (Ensifer), к β-протеобактериям — Burkholderia иCupriavidus, к γ-протеобактериям — Pseudomonas (Berrada, Fikri-Benbrahim,2014).

Недавно было предложено выделить среди α-протеобактериям новыйрод — Neorhizobium (Mousavi et al., 2015). Таким образом, ризобиихарактеризуются широким таксономическим разнообразием.Все гены ризобий можно подразделить на две группы. Перваявключает гены, контролирующие жизненно важные функции бактериальнойклетки, ее способность к сапрофитному существованию в почве (например,гены биосинтеза белков и нуклеиновых кислот, синтеза и катаболизмаразличных аминокислот и углеводов).

Вторая — гены, определяющиеОбзор литературы32симбиотическое взаимодействие с бобовыми растениями, (например, гены,ответственные за инфицирование растений и синтез фермента нитрогеназы).Подобное разделение генов ризобий условно, так как мутации в генах первойгруппы могут влиять на симбиотические свойства бактерий (Perotto et al.,1994; Cheng, Walker, 1998).Генетическая система ризобий, контролирующая их взаимодействие сбобовыми растениями, активно исследовалась с 80-х годов прошлогостолетия (Long, 2001) и к настоящему моменту хорошо изучена.

Средисимбиотических генов ризобий принято выделять три основные группы:1) группа nod, nol и noe генов контролирует синтез и секрецию Nodфакторов,определяющихразвитиераннихстадийсимбиотическоговзаимодействия (Downie, 1998);2) группа nif генов необходима для синтеза фермента нитрогеназы(Kaminski et al., 1998);3) группа fix генов определяет функционирование клеток бактерий всимбиотическом состоянии (Fischer, 1994; van Rhijn, Vanderleyden, 1995).У одних видов ризобий, таких как Rhizobium и Sinorhizobium,большинство симбиотических генов располагаются на крупных плазмидах,называемых Sym-плазмидами.

У представителей родов Azorhizobium иBradyrhizobium симбиотические гены, как правило, локализуются набактериальной «хромосомe» (Schlaman et al., 1992).Гены растений, контролирующие развитие бобово-ризобиальногосимбиоза, выявлялись с 40-х годов прошлого столетия с использованиемметодов гибридологического анализа мутантов, полученных как при анализедикорастущих популяций, так и с использованием экспериментальногомутагенеза (Bhatia et al., 2001b). Очевидно, что выявленные гены,представленные в геноме единичными копиями, относятся к группеОбзор литературы33регуляторных генов.

Выявленные мутации, можно подразделить на 4основных фенотипических класса (Sagan et al., 1994):1) устойчивые к инфицированию ризобиями (Nod−),2) способные формировать единичные клубеньки (Nod+/−),3) образующие неэффективные клубеньки (Fix−),4) суперклубенькообразующие (Nod++).Мутации, принадлежащие к первым двум классам, позволяют выявитьгены, контролирующие ранние этапы развития симбиоза, Fix− мутации,соответственно, — поздние гены. К четвертому фенотипическому классуотносятся мутации в генах, контролирующих процесс авторегуляции числаформируемых клубеньков.С помощью молекулярных методов были выявлены гены, кодирующиебелки — нодулины, специфично синтезирующиеся в клубеньках, или синтезкоторых значительно усиливается в клубеньках.

При этом функции этихгенов оставались неизвестными (Long, 1996).Идентификациягибридологическогопоследовательностей,анализагенов,сталавыявленныхспомощьювозможнасразвитиеммолекулярно-генетических исследований двух модельных видов бобовыхрастений: L. japonicus и M. truncatula (Stougaard, 2001). В результате уважных для сельского хозяйства растений с использованием геномнойсинтении и микросинтении были выявлены последовательности сериисимбиотических генов (Oldroyd, Downie, 2004; Stacey et al., 2006a; Kouchi etal., 2010; Борисов et al., 2011).В предлагаемом обзоре литературы была сделана попытка связатьклеточныемеханизмысимбиогенезавзаимодействия растений и бактерий.игенетическийконтрольОбзор литературы341.1. Развитие и функционирование симбиотического клубенька1.1.1. Продукция флавоноидов и их рецепцияCинтез в микро- или наномолярных концентрациях флавоноидов илиизофлавоноидов корнями бобовых растений является первым этапомсигнальногодиалогамеждубобовымирастениямииризобиями,направленным на формирование симбиотического клубенька (Cooper, 2004).Флавоноиды и изофлавоноиды могут действовать как хемоаттрактанты,облегчая колонизацию ризосферы.

В стимуляции роста ризобий в ризосферемогут участвовать многие факторы, например, у S. meliloti таким факторомявляется биотин, действующий в очень низкой концентрации (Streit, Philips,1997). В целом флавоноиды являются сигналами, которые запускают переходбактерий от свободноживущего состояния к симбиотическому.В рецепции флавоноидов ведущую роль играет белок NodD, при этомген nodD характеризуется конститутивной экспрессией, в отличие от другихnod генов.

При взаимодействии с флавоноидами NodD работает кактранскрипционный активатор nod генов, меняя конформацию (Schultze,Kondorosi,1998).Многиевидыризобийсодержатнескольковысокогомологичных генов nodD, что проявляется в синтезе белков NodD,способных взаимодействовать с серией различных индукторных молекул.Например, S. meliloti содержит четыре гомолога: nodD1, nodD2, nodD3 и syrM(Schlamanetавторегуляцияal.,1992).экспрессииУнекоторыхnodDвидов(Schultze,ризобийKondorosi,существует1998).Наборвыделяемых флавоноидов различается у различных видов бобовых растений(Hartwig et al., 1991; Hungria et al., 1991), и белок NodD каждого вида ризобийвзаимодействует с флавоноидами определенной природы. Так, например, у R.leguminosarum bv. viciae NodD взаимодействует с нарингенином иапигенином, а у S.

meliloti — с лютеолином и кверцитином, а у B. japonicumОбзор литературы35— с изофлавонами генистеином и дайдзеином (Firmin et al., 1986) (Рисунок1).В то же время, следует отметить, что возможна частичная индукцияnod генов флавоноидами гетерологичных хозяев (Овцына, Тихонович, 2004).Рисунок 1. — Структура флавоноидовА — общая структура флавоноидов. R — варьирующие заместители. Б— нарингенин — индуктор nod генов R. leguminosarum bv. viciae, лютеолин— индуктор nod генов S.

meliloti (Овцына, Тихонович, 2004).1.1.2. Продукция Nod факторов.Результатом активации nod генов является продукция ризобиями Nodфакторов, являющихся ключевыми сигнальными молекулами в процессестановления бобово-ризобиального симбиоза (Denarie et al., 1996). Nodфакторы представляют собой липохитоолигосахариды, состоящие из 3–6остатков N-ацетил-D-глюкозамина, которые несут на невосстанавливающемконце жирную кислоту, а также различные заместители (ацетил, карбамонил,фукозил, сульфат) в разных позициях углеродного скелета в зависимости отштамма ризобий (Denarie et al., 1996; Schultze, Kondorosi, 1998; Oldroyd,Downie, 2004; Овцына, Тихонович, 2004) (Рисунок 2).Среди nod генов выделяются гены, характерные для всех видовризобий, и называемые «общими» генами. К ним относятся гены nodABC,которые у большинства ризобий собраны в единый оперон (Denarie et al.,1996).