научная статья по теме ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ Биология

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ»

ГЕНЕТИКА, 2009, том 45, № 9, с. 1157-1172

ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ

УДК 579.25:579.841.31

"Наша планета это величайший источник биотехнологических ресурсов, который мало изучен для будущих инноваций" (Wilson, 1988, цит. по [1])

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ

© 2009 г. М. Л. Румянцева

Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии, Санкт-Петербург-Пушкин 196608; e-mail: mroumiantseva@yandex.ru Поступила в редакцию 15.08.2008 г.

Клубеньковые бактерии (ризобии) формируют высокоспецифичный симбиоз с бобовыми растениями. Эффективность накопления биологического азота зависит от молекулярно-генетического взаимодействия растения-хозяина и ризобий. Генотипические характеристики штаммов-микросимбионтов являются определяющими при создании высокопродуктивных и стресс-устойчивых сим-биотических пар: штамм ризобий - сорт (вид) растения-хозяина. В настоящем обзоре рассматривается вопрос необходимости изучения генетических ресурсов клубеньковых бактерий с целью выявления генов и их блоков, определяющих способность ризобий образовывать высокоэффективный симбиоз в различных агро-экологических условиях. Рассматриваются основные подходы изучения видового и внутривидового генетического и геномотипического разнообразия клубеньковых бактерий: от MLEE-анализа до новейших методов анализа геномной ДНК с использованием биочипов. Приводятся данные, показывающие, что генцентры растений-хозяев являются центрами генетического разнообразия клубеньковых бактерий, поскольку именно в них уровень внутривидового полиморфизма генетических маркеров корового и аксессорного геномов ризобий очень высок. Обсуждаются генотипические особенности почвенной и клубеньковой суб-популяций клубеньковых бактерий люцерны. Обзор данных литературы позволил сделать вывод, что геномы природных штаммов в генцентрах люцерны имеют существенные различия по генам, вовлеченным в контроль метаболизма, репликации, рекомбинации, а также в формирование защитных механизмов (й^-гены). Природные популяции ризобий предлагается рассматривать как огромный пул генов, который является источником эволюционных инноваций.

Клубеньковые бактерии (ризобии) - один из видов генетических ресурсов для биотехнологии сельского хозяйства, способный фиксировать азот атмосферы в симбиозе с бобовыми растениями, переводя его в форму, доступную растениям [2]. Особый интерес вызывает то, что в симбиозе с ризобиями у бобовых, в частности у люцерны, повышается уровень адаптивности к стрессовым условиям [3]. В то же время выращивание бобовых способствует формированию многочисленных и стабильных популяций клубеньковых бактерий [4].

Симбиотическое взаимодействие клубеньковых бактерий с растением-хозяином контролируется многочисленными sym-генами, количество которых специфично для каждого вида ризобий. Растения выделяют ароматические соединения (флавоноиды), которые являются индукторами бактериальных генов вирулентности (nod), детерминирующих синтез липохитоолигосахаридов (Nod-факторы). Nod-факторы и экзополисахари-ды ризобий инициируют у бобового растения-хозяина многоступенчатый процесс формирования

клубеньков [5]. Формирование и функционирование симбиоза зависит от активности многих групп генов (по1, нов, ехо, ехр, 1р8 и др.), контролирующих этапы взаимодействия ризобий с растением-хозяином. Фиксация атмосферного азота детерминируется генами нитрогеназы (пг/ и многочисленными /гх-генами. Поэтому создание высокопродуктивных и конкурентоспособных симбио-тических пар: штамм ризобий - сорт (вид) растения-хозяина во многом зависит от генотипи-ческих свойств штаммов-микросимбионтов.

Популяции ризобий, выделенные из-под различных видов/сортов культивируемых растений-хозяев, имели существенные генотипические различия от популяций ризобий, образующих симбиоз с дикорастущими видами бобовых, или по изо-ферментным спектрам, или по хромосомным, и/или по плазмидным маркерам и/или по составам плазмид [6-10]. Кроме того, показано, что под влиянием растения-хозяина в геноме ризобий могут происходить макроструктурные перестройки плазмид и даже их полная утрата [11]. Исходя из современных представлений о коэво-

люции бобовых растений и клубеньковых бактерий, в результате которой активные генетические процессы происходили в геномах обоих симбионтов [8, 9, 12, 13], можно выдвинуть следующие положения: а) коспецификация геномов бобовых и ризобий происходила на хромосомном уровне; б) макросимбионт способствует структуризации генетического разнообразия симбиотического генома микросимбионта; в) наибольшее генетическое разнообразие клубеньковых бактерий следует ожидать в генцен-трах бобовых растений; г) поиск генов, определяющих устойчивость ризобий к различным стрессовым факторам, очевидно, следует проводить в природных популяциях, адаптированных к различным эколого-климатическим условиям.

ЦЕНТРЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ

Природные генетические ресурсы клубеньковых бактерий практически не изучены, поскольку повышение продуктивности бобовых кормовых культур связывали исключительно с селекцией хозяйственно-ценных генотипов растений и изучением их генетических ресурсов. Одним из источников разнообразных природных генотипов растений, обладающих новыми признаками, в частности повышенной устойчивостью к стрессовым факторам (высокие и низкие температуры, засушливость и т.д.), являются, согласно исследованиям академика Н.И. Вавилова и его последователей, ".. .очаги и центры происхождения культурных растений..." [14]. Научные исследования, начатые Н.И. Вавиловым, были продолжены его последователями, в частности Е.Н. Синской, П.М. Жуковским, А.И. Купцовым, О.Н. Коровиной [15]. Понятие "генцентр происхождения" введено П.М. Жуковским в конце 60-х годов [16]. В настоящее время выделяют 13 генцентров, расположенных на всех континентах, в каждом из которых описано различное число очагов происхождения культурных растений и их сородичей [15]. На территории России и граничащих с ней территориях располагается несколько генцентров. Северный район Кавказского генцентра (СКГ) является составной частью Переднеазиат-ского центра, которому принадлежит ведущая роль в формировании культурной диплоидной люцерны [15, 17]. Среднеазиатский генцентр (САГ), к которому относятся южные районы Узбекистана, ".сыграл важную роль в формировании и распространении тетраплоидных видов люцерны" [17]. Европейско-Сибирский генцентр (ЕСГ), включающий район южного Прибайкалья, является ".историческим центром возникновения первичных типов и популяций культурных форм от дикорастущих видов, в том числе и рода Medicago L." [15]. Также выделяют ".со-

временный центр интрагрессивной гибридизации тетраплоидных видов люцерны.", который расположен на территории Казахстана в районе гор Мугоджары, граничащих с южными отрогами Уральских гор [17]. Этот район находится к северо-востоку от Аральского моря и подвержен с конца 60-х годов XX в. вторичному засолению, произошедшему в результате интенсивной ирригации сельскохозяйственных полей, расположенных много южнее. Далее этот район исследований обозначен как Приаральский генцентр (ПАГ). Все вышеперечисленные генцентры имеют различное географическое положение и испытывают воздействие разнообразных абиотических факторов: резкие перепады суточных и сезонных температур, засушливость, засоленность и т.д., которые также рассматривают как стрессовые факторы [2, 3]. Дикорастущие виды люцерны в этих генцентрах имеют высокий уровень полиморфизма [15, 17]. Согласно недавно опубликованным данным, полиморфизм дикорастущих видов люцерны по крайней мере на 31% выше, чем адаптированных возделываемых сортов [18]. При изучении генетических ресурсов люцерны в вышеуказанных генцентрах обнаружены формы растений, обладавшие высокой облиственно-стью, укрупненной листовой пластинкой, прямостоячей формой куста, а также засухоустойчивостью и солеустойчивостью [17].

МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ

ПОДХОДЫ К ИЗУЧЕНИЮ ПРИРОДНОГО РАЗНООБРАЗИЯ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ

Изучение генетического разнообразия бактерий пережило ".за последние тридцать лет три, так называемых, эпохи - морфологическую, физиологическую и анализ нуклеотидных последовательностей." [19]. Исследование морфологических и физиологических признаков способствовало развитию филогенетических исследований, направленных на изучение полиморфизма и выявление внутри-, межпопуляционных и видовых связей между организмами. Например, внутрипо-пуляционный полиморфизм у изолятов S. meliloti, выделенных из почв, на которых выращивали люцерну посевную в течение различного периода времени, выявлен при изучении изоферментов эс-тераз [20]. Анализ изоферментных спектров (фингерпринтов) ферментов (MLEE-анализ) способствовал формированию понятия о "хромосомных линиях наследования" и пониманию основных этапов эволюции бактериального генома [21, 22]. Гены, локализованные на хромосоме, получили название "домашних" (housekeeping genes), позднее "коровых" генов [23], поскольку контролируют жизненно важные процессы микроорганизмов - общий метаболизм бактерий, метаболизм

нуклеиновых кислот и белков - и наследуются по "вертикальным ветвям эволюции" [24]. Структурные изменения (мутации) могут происходить как в значащих участках генома, что приводит, в частности, к изменениям в электрофоретической подвижности изоферментов, так и в незначащих участках, что не приводит к изменениям, тестируемым на морфологическом или физиологическом уровнях [25]. Такие некодирующие последовательности известны разного типа: межгенные и промо-торные последовательности, повторы, /S-элементы и др. Изучение структурных замен в нуклеотид-ных последовательностях ДНК, их типов и скорости, позволяет не только выявлять причины этих изменений (естественный отбор или дрейф генов), но и судить об эволюционном давлении, которое испытывает соответствующая последовательность в геноме бактерий [24].

Структурный полиморфизм рибосомалъных генов

В изучении генетического полиморфизма и филогении клубеньковых бактерий на рубеже XX и XXI веков произошел революционный прогресс, когда были разр

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.

Показать целиком