= ОБЗОРЫ
УДК 579.64
КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ ЗтОЯИШОБШМ МЕШОЛ: СОЛЕУСТОЙЧИВОСТЬ И ЕЕ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННОСТЬ © 2015 г. М. Л. Румянцева1, В. С. Мунтян
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии Россельхозакадемии, Санкт-Петербург-Пушкин
Поступила в редакцию 08.08.2014 г.
Обзор теоретических и практических данных посвящен изучению солеустойчивости и генетической детерминированности этого признака у клубеньковых бактерий БтогЫ1оЫыт теШой (Ет1/вг теШо-Н) — симбионтов люцерны. Приведены современные обширные данные по генам, влияющим на адаптивность протеобактерий, и по группам генов, активность которых изменяется в зависимости от осмолярности среды. Обсуждаются вопросы структурного и функционального полиморфизма Ье?-генов, участвующих в синтезе и транспорте бетаинов у Б. теШоН. Рассмотрен фенотипический и генотипический полиморфизм 282 природных штаммов ризобий, выделенных в центрах разнообразия люцерны, находящихся под влиянием засушливости и засоленности. Показано, что у изоля-тов из Приаралья и Северного Кавказа ген ¿е?С представлен в основном двумя типами аллелей: доминировавшей аллелью А-типа, характерной для Кт1021, и, второй по частоте встречаемости, дивергентной аллелью Е-типа, выявленной с частотой 0.35 и 0.48, соответственно в указанных районах. Аллель Е-типа встречалась более чем в 2.5 раза чаще у изолятов, имевших солеустойчивый фенотип и выделенных из клубеньков, но которые в дальнейшем формировали с люцерной симбиоз сниженной эффективности. Анализ нуклеотидной и аминокислотной последовательностей аллели Е-типа гена Ье?С позволил заключить, что закрепление данной аллели в популяции произошло в результате действия положительного отбора. Сделан вывод, что у Б. теШоН активно происходит процесс диверсификации функционально-разнообразных Ье?-генов, которые оказывают существенное влияние на солеустойчивость и симбиотическую эффективность ризобий.
Ключевые слова: Sinorhizobium meliloti, гены betC, betB и betT, Medicago spp., солеустойчивость, сим-биотическая эффективность, клубеньковые и почвенные изоляты.
Б01: 10.7868/80026365615030179
Засоленность, засуха и экстремальные температуры — наиболее распространенные климатические и эдафотопные стресс-факторы окружающей среды, которые ограничивают рост и продуктивность практически-ценных видов растений [1, 2]. Ионный и осмотический стресс влияют на структуру мембранных комплексов у почвенных бактерий [3]. Интенсивное внедрение азотфиксирующих симбиозов на основе ризобий и бобовых растений, а также бобово-злаковых травосмесей — эффективный и экологически чистый путь повышения качества и количества фуража и восстановления растительного покрова на деградированных почвах [4, 5].
Клубеньковые бактерии Б. теШоН формируют азотфиксирующий симбиоз с растениями рода Medicago, в котором насчитывают 83 вида и 18 межвидовых форм растений люцерны [6, 7], значительно различающихся по устойчивости к засу-
1 Автор для корреспонденции (е-таП: mroumiantseva@yandex.ru).
хе, холоду и кислотности почв. Так, люцерна изменчивая (M. varia) растет на слабо засоленных почвах аридного климата (Казахстан), тогда как люцерна хмелевидная (M. lupulina) или серповидная (M. falcata) — на кислых почвах гумидного умеренно-континентального (Северо-Западный регион РФ) и морского арктически-умеренного типов климата, соответственно (Мурманская, Архангельская области) [8, 9]. В последние годы, в связи с интересом к редким формам люцерны, были выявлены новые виды и биовары клубеньковых бактерий, однако вид S. meliloti bv. meliloti остается, по-прежнему, наиболее распространенным и изученным. Практическое значение бобо-во-ризобиальных симбиозов на основе люцерны показано для умеренных и субтропических климатических зон Средиземноморья, Северной Африки, Марокко, Мексики, а также России [4, 5, 10—16]. Вместе с тем, природные симбиозы, адаптированные к умеренно-континентальным и арктиче-
1.0 г
0.9 -0.8 -
св
& 0.7-
н
M
£ 0.6 -
«
я 0.5 -
«
s
Ч 0 4«
<3 0.3 -0.2 -0.1 -0 -
NaCl, M
Рис. 1. Влияние абиотических и биотических факторов на формирование симбиотических систем в стандартных и стрессовых условиях (по данным двухфак-торного анализа 10 симбиотических систем). По оси ординат отложены доли влияния биотических факторов. По оси абсцисс — концентрация NaCl, в M. 0.0 M — стандартные условия. 0.6 M — стрессовые условия [49]. 1 — фактор "растения-хозяева M. varia и M. truncatula" ; 2 — фактор "пять штаммов S. meliloti"; 3 — фактор "комбинация вид-штамм"; 4 — "неконтролируемые" факторы. Повторность опыта 10-кратная.
ски-умеренным северным переувлажненным кислым почвам, также могут представлять немалый интерес в связи с происходящим глобальным изменением климата, однако остаются практически не изученными.
Генотипические характеристики бактерий (микро-) и растений (макросимбионтов), образующих азотфиксирующий симбиоз, очень важны [17]. Штаммы клубеньковых бактерий, подобранные на основе аналитической селекции, существенно повышают жизнеспособность и семенную продуктивность люцерны на деградированных почвах [9, 18, 19]. Влияние генотипов штаммов-ино-кулянтов и растений-хозяев на формирование симбиоза различно в контролируемых условиях и под воздействием стресса. Например, в условиях солевого стресса возрастает роль штамма-иноку-лянта, а также влияние взаимодействия обоих симбионтов почти в 7 раз (рис. 1). Все это делает клубеньковые бактерии перспективным объектом для биотехнологии сельского хозяйства [20, 21], а изучение генетической регуляции устойчивости к стрессовым факторам — необходимым условием для направленного конструирования симбиотиче-ских систем с заданным адаптивным потенциалом.
РАЗНООБРАЗИЕ И СОЛЕУСТОЙЧИВОСТЬ РИЗОБИЙ
Изучение природных популяций клубеньковых бактерий всегда представляло интерес, в том числе и с целью изучения природной устойчивости ризобий к различным абиотическим стресс-факторам [22—26]. Значительное генотипическое разнообразие ризобий показано в центрах происхождения растений-хозяев, в которых высока степень полиморфизма гермоплазмы [5, 27, 28]. Центры разнообразия, описанные в трудах Н.И. Вавилова и его последователей [29, 30], находящиеся в различных почвенно-климатических зонах с резкими перепадами суточных и сезонных температур, подвержены засушливости и/или засолению и другим факторам. Поэтому в таких центрах перспективен анализ природных популяций штаммов с целью поиска симбиотиче-ски эффективных стрессоустойчивых изолятов [21]. Вероятность выделения симбиотически эффективных штаммов S. meliloti из клубеньков дикорастущих растений-хозяев даже в районе, подверженном засолению (Приаралье), составляет более 5% [18]. Показана положительная корреляция между признаками солеустойчивость и сим-биотическая эффективность для штаммов, выделенных из клубеньков дикорастуших растений (r = 0.76; [25]). Кроме того, имеются данные о том, что штаммы с более высоким уровнем устойчивости к соли, в отличие от солечувствительных изолятов, формируют симбиоз преимущественно с повышенной эффективностью (сравнительная оценка массы инокулированных и неинокуляро-ванных растений) [18, 26, 31].
Для ризобий люцерны характерна природная устойчивость к относительно высоким концентрациям ионов натрия (Na+). Так, штамм S. meliloti 102F34 устойчив к 0.3 M NaCl, что существенно выше устойчивости растения-хозяина — M. varia [22]. Аналогичный уровень устойчивости показан для Agrobacterium tumefaciens GMI 9023, тогда как типовые штаммы других видов ризобий, например, R. tropici (штамм IIB), S. fredii, Mezorhizobium hua-kuii — устойчивы к 0.2 M, а представители видов R. leguminosarum (все биовары), R. etli, A. rhizogenes и Bradyrhizobium japonicum — чувствительны к 0.1 M [3, 32].
Высокий уровень солеустойчивости S. meliloti, по-видимому, есть результат ко-эволюции ри-зобий с их растениями-хозяевами, поскольку в клубеньке и бактероидах люцерны уровень осмо-ляльности составляет 600 мОсм/литр (или 0.3 M NaCl), что соответствует гиперосмотическим условиям [33]. В то же время, ризобии, являясь типичными представителями почвенной биоты, способны сохранять жизнеспособность при отсутствии растения-хозяина в условиях высокой засоленности почв, при 3.85 мСм/см (0.36 M
№С1) [34]. Подавляющее большинство (71.4%) природных штаммов Б. шеШоН способны расти в лабораторных условиях при 0.6 М №С1. Это справедливо для ризобий, выделенных из клубеньков (далее К-изоляты) и почв (далее П-изоляты), для выделения последних используют метод трэп-пинга [35, 36], согласно анализу 650 изолятов из 5-ти географически различных районов (рис. 2а и 2б [по 18, 25, 28, 37]). Однако среди изолятов, выделенных из засоленных почв Приаралья, достоверно чаще встречались те, уровень солеустойчи-вости которых был ниже вышеуказанного (0.6 М) [28]. Было высказано предположение о том, что в результате адаптации ризобий к природным гиперосмотическим условиям имело место "снижение" уровня солеустойчивости у них до 0.3 М — уровня, "минимально необходимого" для формирования симбиотической системы (см. выше), но достаточного для существования клубеньковых бактерий в сапрофитной форме [38], что согласуется с [39]. Однако это предполагает дальнейшее изучение механизмов солеустойчи-вости — признака, который, по мнению [10], может иметь эволюционное значение для выживаемости бактерий.
ГЕНОМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Б. шеШоП
Геном клубеньковых бактерий люцерны состоит из хромосомы ^Мс; 3650 т.п.н.) и двух высокомолекулярных, так называемых, симбиотических мегаплазмид SMa и SMb, размер которых в 2.7 и 2.2 раза меньше SMc [40]. Около 86% природных штаммов Б. шеШоН содержат от 1 до 4-х криптических плазмид с молекулярной массой от 40 до 440 т.п.н., которые, как правило, нетрансмиссибельны [38]. По-видимому, наличие многокомпонентного генома у Б. шеШоН обусловлено тем, что ризобии являются сапрофитами, вступающими в симбиоз с бобовыми растениями.
Структура SMb достаточно консервативна и сходна с хромосомой, а структура SMa, наоборот, высоко полиморфна. Показаны факты гориз
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.