УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 132, № 2, с. 211-222
УДК 576.6 + 579.23
РОЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ КОМПОНЕНТОВ РИЗОБИЙ В СИМБИОТИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ С БОБОВЫМИ РАСТЕНИЯМИ
© 2012 г. А. В. Цыганова, В. Е. Цыганов
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии
Россельхозакадемии, Санкт-Петербург E-mail: anna_khodorenko@arriam.spb.ru, tsyganov@arriam.spb.ru
Установлено, что почвенные бактерии - ризобии - могут вовлекаться в симбиотические взаимодействия с бобовыми растениями и индуцировать на корнях новые органы - азотфиксирующие клубеньки. Для развития симбиотического клубенька требуется синтез и распознавание сигнальных молекул, которые продуцируются как бактериальным, так и растительным партнерами. Колонизация клеток хозяина ризобиями включает последовательную перестройку растительно-микробной поверхности взаимодействия. Этот процесс продолжается на всех этапах колонизации от прикрепления бактерий к поверхности корневого волоска до формирования азотфиксирующего бактероида, окруженного симбиосомной мембраной. К бактериальным компонентам симбиотиче-ской поверхности взаимодействия можно отнести различные поверхностные полисахариды, такие как липополисахариды, капсулярные полисахариды, нейтральные циклические Р-1,2-глюканы и кислые экзополисахариды, а также интегральные и секретируемые белки. Несмотря на интенсивные исследования последних лет, функция поверхностных компонентов ризобий в симбиозе все еще остается недостаточно изученной.
Ключевые слова: растительно-микробные взаимодействия, бактериальная клеточная активность, ризобии, азотфиксация, эндоцитоз и дифференцировка бактероидов, экзополисахариды, капсуляр-ные полисахариды, липополисахариды, инфекционная нить, корневые волоски.
ВВЕДЕНИЕ
Различные виды бактерий, принадлежащие к а-протеобактериям и порядку Rhizobiales [60] могут вовлекаться в симбиотические отношения с растениями из семейства бобовых [98]. В настоящее время их относят к 6 родам: Rhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium и Allorhizobium [96]. Обобщенно такие бактерии принято называть ризобиями. В основе формирования азотфиксирующих клубеньков лежит сигнальный диалог между ризо-биями и бобовыми растениями. В последние годы в расшифровке молекулярных сигналов были достигнуты значительные успехи [52]. Выделяемые корнями бобовых флавоноиды индуцируют у ризобий экспрессию генов клубенькообразова-ния (nod, nol и noe) [17, 38]. В результате ризобии синтезируют специфические сигнальные молекулы - липохитоолигосахариды, называемые Nod факторами [38]. В последнее десятилетие были выявлены гены бобовых растений, вовлеченные в начальные этапы рецепции Nod фактора и передачи сигнала [52]. Данный сигнал запускает
различные ответы растения такие, как поляризация мембран, осцилляции кальция в корневых волосках и реорганизация элементов цитоскелета в них [65, 93]. В результате происходят деформации корневых волосков и их характерное скручивание в форме "ручки зонтика". Параллельно в кортикальных клетках корня реактивируются клеточные деления, которые приводят к формированию клубенькового примордия [36]. Ризобии инфицируют ткани симбиотического клубенька с помощью тубулярных структур, называемых инфекционными нитями, что в результате приводит к эндоцитозу бактерий в цитоплазму растительной клетки и под влиянием растительных клубенек-специфичных цистеин-богатых пептидов [97, 103] к их дифференцировке в специализированные формы - бактероиды, которые в клетках растения-хозяина могут фиксировать атмосферный азот в аммоний [9, 10, 36].
Существует два типа онтогенеза клубенька. В недетерминированных клубеньках после проникновения через клетки наружного кортекса инфекционные нити достигают внутреннего кортекса корня, где инициируется меристемати-
ческая активность. Деления клеток начинаются в перицикле, затем во внутренних слоях кортек-са, в результате чего формируется клубеньковый примордий. Инфекционные нити непрерывно колонизируют проксимальные клетки меристемы. В результате в недетерминированном клубеньке представлены все стадии дифференцировки, и, следовательно, центральная ткань может быть разделена на смежные зоны, представляющие успешные стадии развития. При детерминированном типе развития меристематическая активность временна и инициируется в наружном кортексе. Бактерии в основном распространяются в результате деления уже инфицированных клеток наружного кортекса. Таким образом, клетки центральной ткани в детерминированном клубеньке находятся на приблизительно одинаковой стадии развития [65].
Симбиоз является видоспецифичным процессом, при этом видовые названия микросимбионтов отражают в большинстве случаев их хозяйскую специфичность. Степень хозяйской специфичности чрезвычайно различается среди ризобий [98]. Симбиотические взаимодействия между видами бобовых растений и ризобиями сложны и многообразны. Несмотря на то что многие растения-хозяева и ризобии способны вступать в симбиоз с более чем одним партнером, только определенные комбинации симбионтов формируют азотфиксирующие клубеньки. Специфичность среди совместимых партнеров минимизирует шансы инфицирования патогенами и формирования неэффективных ассоциаций [9, 76, 98]. Тем не менее, следует отметить, что существуют штаммы с широкой хозяйской специфичностью, например, ЗтогЫгоЪшш зр. NGR234 способен формировать клубеньки на 112-ти родах бобовых, причем как детерминированные, так и недетерминированные [82].
Во время развития клубенька [9] физическое взаимодействие между бактериальной и растительной клетками, последовательно развиваясь, становится все более тесным, так как ризобии создают и колонизируют ряд специализированных экологических ниш. На каждой стадии поверхность бактериальной клетки должна адаптироваться, чтобы бактерии смогли существовать в новой среде, а также предотвратить развитие защитных реакций растения-хозяина. Неспособность адаптироваться к изменениям экологических ниш предполагает, что растение-хозяин может воспринимать бактерии скорее как патогены, чем как симбионты [10].
Локальные защитные реакции часто наблюдают при взаимодействии ризобий с некомплементарными видами бобовых, а также при форми-
ровании клубеньков некоторыми мутантами как растений, так и ризобий [10, 21, 68, 74, 95]. Даже при колонизации корневых волосков люцерны совместимым штаммом развитие некоторых инфекционных нитей блокируется за счет локальных защитных реакций, что свидетельствует о наличии тонкого баланса между симбиотическими и патогенными взаимодействиями в клубеньках [100].
Nod факторы являются не единственными детерминантами специфичности симбиоза. Nod факторы играют важную роль во время развития клубенька, однако необходимы дополнительные факторы для формирования эффективных клубеньков [76]. Наряду с уже упомянутыми генами клубенькообразования ризобий, для успешного формирования симбиоза необходимы также гены, вовлеченные в формирование бактериальной клеточной поверхности, такие как гены, определяющие синтез экзополисахаридов (exo гены), липополисахаридов (lps гены), капсулярных полисахаридов или К-антигенов и в-1,2(1,3)-глюка-нов (ndv гены) [5, 8, 31, 45, 58, 87, 89]. Мутации по этим генам нарушают инфекционный процесс в различной степени.
В настоящем обзоре рассмотрена роль в сим-биотических взаимодействиях молекул, формирующих бактериальную клеточную поверхность.
СТРОЕНИЕ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ РИЗОБИЙ
Клеточная поверхность бактерий - сложная структура, это первая линия защиты против антимикробных молекул и стрессов, вызванных изменениями окружающей среды. В случае взаимодействия микробов с растениями многие молекулы бактериальной клеточной поверхности являются важными детерминантами вирулентности [21, 59, 70, 88].
Клеточная стенка ризобий имеет общую архитектуру, типичную для грамотрицательных бактерий [58, 70, 81]. Она состоит из трех слоев: наружная мембрана, слой пептидогликана и цитоплазматическая или внутренняя мембрана. Секретируемые компоненты свободно диффундируют и являются предполагаемыми сигнальными молекулами.
Ризобиальная клеточная поверхность покрыта капсулой, состоящей главным образом из кислых экзополисахаридов (ЭПС), которые абсорбируют воду и создают комплексы с ионами металлов, такими как кальций.
Ризобиальные ЭПС являются штамм-специфичными кислыми гетерополисахаридами, состоящими из простых сахаров, которые декорированы неуглеводными заместителями. Благодаря варьированию моносахаридных последовательностей и неуглеводным замещениям эти макромолекулы очень разнообразны [6, 55, 56, 87]. Одним из наиболее изученных ризобиальных ЭПС является сукциногликан Sinorhizobium meliloti, называемый ЭПС I. В зависимости от условий роста он может быть низкомолекулярным, содержащим 8-40 сахаров, или высокомолекулярным, содержащим тысячи сахаров в цепи [6]. Находясь в специальной среде, некоторые бактерии могут продуцировать альтернативные ЭПС, которые являются галактоглюканами (ЭПС II). Этот тип ЭПС также может иметь несколько вариаций по своей молекулярной массе [6, 87].
Капсулярные полисахариды (КПС, К-антигены) имеют структурное сходство с группой II К-анти-генов, обнаруженных у Escherichia coli. Они тесно ассоциированы с бактериальными клетками, формируя капсулу вокруг бактерии. В настоящее время известно два типа ризобиальных КПС [5, 45, 94]. Первый тип состоит из нейтрального полисахарида, который был выделен у штаммов R. leguminosarum. Второй тип КПС представлен классом кислых полисахаридов варьирующей структуры. Общим для большинства из них является присутствие 3-деокси^-манно-2-деокси-октоновой кислоты (Кдо) и ее вариантов. Ранее считалось, что КПС не имеет липидной части, однако, недавно был обнаружен фосфолипидный якорь ризобиальных КПС и частично определена его структура [33]. Кроме того, у штамма S. meliloti Rm1021 был идентифицирован КПС низкой молекулярной массы, который состоит исключительно из Р-(2^7)-связанных остатков Кдо [33].
При изучении КПС ризобий было выявлено, что КПС являются штамм-специфичными антигенами [5, 45], продукция одного или более
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.