МИКРОБИОЛОГИЯ, 2011, том 80, № 4, с. 435-446
= ОБЗОР
УДК 579.22+579.26(047)
ФИТОСИМБИОЗ АЭРОБНЫХ МЕТИЛОБАКТЕРИЙ: НОВЫЕ ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ
© 2011 г. Д. Н. Федоров, Н. В. Доронина, Ю. А. Троценко1
Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, Пущино Поступила в редакцию 16.02.2011
В обзоре рассмотрены новые данные о фитосимбиозе аэробных метилобактерий, включая их биоразнообразие, распространение и роль в ассоциациях с растениями, а также способность к биосинтезу биоактивных соединений (ауксинов, цитокининов и витамина В^) и азотфиксации. Обсуждаются перспективы дальнейших исследований фитосимбиоза аэробных метилобактерий в постгеномную эпоху.
Ключевые слова: аэробные метилотрофные бактерии, фитосимбиоз, ауксины, цитокинины, 1-ами-ноциклопропан-1-карбоксилатдезаминаза, азотфиксация, нодуляция, генопротеомика.
Аэробные метилобактерии, использующие окисленные и замещенные производные метана (но не СН4), широко распространены в природе и часто ассоциированы с растениями [1, 2]. Эти ассоциации постоянны и обусловлены тем, что метилобактерии потребляют метанол, выделяемый растениями через устьица в окружающую среду [3]. Метанол образуется при деметилировании пектина клеточных стенок при активном росте клеток растений и является основным летучим органическим метаболитом растений, поскольку его эмиссия в атмосферу составляет 100 Тг/год. Следовательно, растения представляют главный источник метанола в биосфере [4]. Связь растений с метилотрофами является взаимовыгодной, так как метилобактерии стимулируют рост и развитие растений за счет продукции биоактивных веществ: фитогормонов (ауксинов, цитокининов), а также витаминов [1, 2].
Генопротеомные данные, полученные в последнее десятилетие, в значительной степени прояснили метаболические аспекты физиологии аэробных ме-тилобактерий, в том числе при ассоциации с растениями [5—7]. Целью обзора является анализ и обобщение новых сведений о взаимодействии аэробных метилотрофных бактерий с растениями.
РАЗНООБРАЗИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ МЕТИЛОТРОФНЫХ ФИТОСИМБИОНТОВ
Аэробные метилотрофные бактерии успешно колонизуют мхи, печеночники, лишайники, голо-и покрытосеменные растения, в том числе реализующих различные типы фотосинтеза [1, 8—11]. По-видимому, все наземные растения, выделяющие ме-
1 Автор для корреспонденции (e-mail: trotsenko@ibpm.pushchi-
no.ru).
танол, населены метилотрофами. Наиболее полно изучены представители розовоокрашенных факультативных метилотрофов (РОФМ) из рода Me-thylobacterium, являющихся типичными обитателями филлосферы [10]. Наличие каротиноидного пигмента придает метилобактериям дополнительную устойчивость к УФ-излучению при росте в филлосфере. Присутствие Methylobacterium spp. на поверхности и внутри тканей растений показано во множестве работ, причем несколько видов этого рода были впервые выделены из растений (таблица). Количественная оценка численности РОФМ методом посева выявила наличие 104—108 КОЕ на грамм сырой ткани растений, что, в среднем, составляет 14% от всех бактерий, выявляемых в филлосфере этим методом [10, 25]. Молекулярными методами исследования бактериальных популяций в филло-сфере (анализ библиотек клонов ПЦР-фрагментов гена 16S рРНК, автоматический анализ рибосом-ных межгенных участков (ARISA), протеогеном-ный подход и параллельное пиросеквенирование) подтверждено, что представители рода Methylobac-terium являются одной из доминирующих групп эпифитных и эндофитных бактерий [25—27].
Известно, что поверхность растений колонизована бактериями нескольких сотен видов [28]. Достоверно показано, что представители а- и у-Proteo-bacteria преобладают, причем их количественное соотношение меняется в зависимости от вида растения [25—29]. В целом, согласно недавним оценкам, количество клонов с генами рРНК ме-тилобактерий, полученных из мацерированных тканей растений, достигает 20% от общего числа клонов бактерий, что хорошо согласуется с данными, полученными методом посева [25, 27].
Виды аэробных метилобактерий, впервые выделенные с поверхности/из растений
Название Класс Откуда выделен Ссылка
Hansschlegelia plantiphila Alphaproteobacteria Почки сирени [12]
Methylobacterium extorquens Alphaproteobacteria Почва, обычный симбионт растений [13]
Methylobacterium mesophilicum Alphaproteobacteria Листовая поверхность Lolium регеппе [14]
Methylobacterium nodulans Alphaproteobacteria Корневые клубеньки бобовых растений Crotalaria [15]
Methylobacterium oryzae Alphaproteobacteria Ткани стебля риса [16]
Methylobacterium phyllosphaerae Alphaproteobacteria Ткани листа риса [17]
Methylobacterium platani Alphaproteobacteria Лист платана Platanus orientalis [18]
Methylobacterium populi Alphaproteobacteria Проростки тополя [19]
Methylobacterium radiotolerans Alphaproteobacteria Семена риса [20]
Methylobacillus pratensis Betaproteobacteria Луговая трава [21]
Methylophilus flavus Betaproteobacteria Филлосфера шиповника [22]
Methylophilus luteus Betaproteobacteria Филлосфера мать-и-мачехи [22]
Methylophilus rhizosphaerae Betaproteobacteria Ризосфера риса [23]
Methylovorus mays Betaproteobacteria Филлосфера кукурузы [24]
Численность и структура популяций ЫеШу1о-Ьас1егшт, живущих на поверхности растений вместе с неметилотрофными бактериями, в большей мере зависит от места обитания, чем от вида растения [25]. Так, например, растения резушки Таля, люцерны, одуванчика, отобранные в одном месте, были населены примерно одинаковыми по видовой структуре популяциями метилобактерий. Напротив, растения одного вида, но произрастающие в разных местах, населены значительно различающимися по составу популяциями метилобактерий. Вместе с тем, нельзя исключать влияние метаболитов растения-хозяина на структуру популяции сопутствующих метилобактерий, поскольку разные виды, произрастающие в одном месте, все-таки отличались по видовому составу симбиотрофной микробиоты [25, 30]. Несмотря на то, что видовой состав метилотрофов, выделенных из разных видов растений в одном месте обитания, близкий, получены доказательства существования видовой специфичности симбиоза. Например, структура популяций метилобактерий оставалась постоянной на растениях одного вида, произрастающего в том же месте, в течение двух лет исследования [25]. Кроме того, метилотрофы обнаружены в семенах [10] и почках растений [9], а также внутри тканей растений [31, 32].
Метилобактерии в наибольшем количестве найдены на поверхности листьев, особенно на нижней стороне листовой пластинки, где расположено большинство устьиц — основного пути эмиссии метанола [32, 33]. Действительно, используя метило-трофные дрожжи РкЫа раз1ог1з, несущие метанол-чувствительный промотор, слитый с репортерным геном $р, установлено, что устьица являются главным источником эмиссии метанола на поверхности
листьев. Кроме того, доказано, что инокуляция ме-тилобактериями растений приводила к значительному снижению уровня метанола, выделяемого растениями в атмосферу [32].
Молекулярными методами установлено, что метилобактерий обитают не только на поверхности, но и в тканях растений. С применением метода FISH показано наличие Methylobacterium extorquens внутри почек сосны Pinus sylvestris L.), населяющих, в основном, клетки примордиев и смоляные ходы [31]. Более того, при инокуляции М. extorquens меченным зеленым флуоресцирующим белком (GFP), люцерны (Medicago truncatula L.) установлено, что метилобактерии проникают в межклетники эпидермиса, и, в меньшей степени, мезофилла листа [34].
Несмотря на успехи в изучении филлосферных РОФМ, должного внимания не уделялось ризо-сферным и неокрашенным метилотрофам-фито-симбионтам, проявляющим большое таксономическое и физиологическое разнообразие. Значительным событием явилось описание клубенькового симбионта Methylobacterium nodulans, образующего клубеньки у бобовых растений родов Crotalaria и Lo-tononis [15]. Кроме того, за последнее десятилетие существенно расширилась коллекция типовых штаммов метилобактерий, изначально выделенных из тканей или с поверхности растений (таблица). Среди новых таксонов метилобактерий-фитосим-бионтов преобладают представители рода Methylobacterium, что неудивительно, поскольку это самый репрезентативный род метилотрофных бактерий (>30 видов). Наиболее интересным является обнаружение новых таксонов-фитосимбионтов, представленных облигатными или ограниченно-факультативными видами родов Hansschlegelia, Methy-
lovorus, Methylophilus. Очевидно, из-за особенностей Сгметаболизма облигатные и ограниченно-факультативные метилотрофы теснее связаны с растениями, чем факультативные [2].
РОЛЬ МЕТИЛОТРОФИИ ПРИ КОЛОНИЗАЦИИ РАСТЕНИЙ
Ключевую роль в способности метилобактерий колонизовать растения играет Сгметаболизм, что было установлено в экспериментах с мутантами [33, 34]. Инокуляция Crotalaria podocarpa мутантом М. nodulans по гену mxaF, кодирующему большую субъединицу метанолдегидрогеназы (МДГ), неспособным расти на метаноле, приводила к уменьшению числа клубеньков на корнях, подавлению азот-фиксации, а также к снижению веса растений. Кроме того, посредством слияния промотора гена mxaF и репортерного гена lacZ с последующим переносом полученной плазмиды в клетки М. nodulans показано, что наиболее активно экспрессировались mxa-гены в бактероидах, находящихся в апикальной части клубенька, где происходит рост тканей и, соответственно, выделяется наибольшее количество метанола [34].
Аналогичные мутанты М. extorquens AM1 колонизовали растения люцерны с эффективностью, сопоставимой с таковой штамма дикого типа. Однако при конкурентной колонизации растений му-тантным и исходным штаммами, смешанными в равных пропорциях, происходило постепенное вытеснение неметилотрофного штамма метилотроф-ным, что подтвердило важную роль С1-метаболизма в колонизации люцерны [33].
С использованием протеогеномного подхода выяснено, что, в отличие от МДГ, кодируемой генами mxa, при колонизации растений метилобактери-ями происходила индукция гомологичного белка XoxF, проявляющего 50%-ную идентичность последовательности с белком MxaF [2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.