УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2010, том 130, № 4, с. 336-345
УДК 575:576.6
РОЛЬ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПЕРЕНОСА ГЕНОВ В ЭВОЛЮЦИИ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ, НАПРАВЛЯЕМОЙ РАСТЕНИЕМ-ХОЗЯИНОМ
© 2010 г. Н.А. Проворов, Н.И. Воробьев
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии,
С.-Петербург
Показано, что горизонтальный перенос генов (ГПГ) играет ключевую роль в эволюции клубеньковых бактерий (ризобий), обеспечивающих поступление азота в наземные экосистемы. Установлено, что ГПГ у ризобий захватывает главным образом симбиотические (яут) гены - поШпоИпве и т/!Ах и проявляется на двух уровнях - популяционном (микроэволюция) и филогенетическом (макроэволюция). Дальнейшее участие продуктов ГПГ в эволюции мутуалистических отношений обеспечивается различными формами индивидуального и группового отбора, индуцируемого при взаимодействии бактерий с растениями.
ВВЕДЕНИЕ
Клубеньковые бактерии (ризобии), взаимодействующие с бобовыми растениями, имеют глобальное экологическое и сельскохозяйственное значение, обеспечивая интенсивное поступление "биологического" азота в наземные экосистемы и агроценозы [9, 10]. Ризобии представляют собой широкий спектр а- и в-протеобактерий (среди них наиболее изучены представители родов АгогЫго-Ыиш, ВгаёугЫгоЬшт, МезогЫгоЫиш, ЯЫгоЪшт, ЗтогЫгоЪшт), которые дивергировали от гипотетического "общего предка" задолго до возникновения наземных растений. Отношения этих бактерий с растениями определяются симбиоти-ческими (^ут) генами: 1) пос11по11пое, активирующими развитие клубеньков, и 2) пг/Т/гх, контролирующими симбиотическую К2-фиксацию.
Гены клубенькообразования кодируют синтез липо-хито-олигосахаридных Коё-факторов (НФ) - сигналов, узнаваемых растениями и вызывающих развитие симбиотических тканей и субклеточных компартментов (инфекционные нити, симбиосомы), которые содержат бактериальные клетки [1, 19, 29, 39]. Некоторые из этих генов являются общими (структурно гомологичными и функционально взаимозаменяемыми) для различных видов ризобий, кодируя структуру коровой части молекулы НФ (nodABC) или активацию регулона nodlnollnoe растительными флавонои-дами (ген nodD из семейства транскрипционных регуляторов 1узЯ-агаС). Однако большинство
генов клубенькообразования видо- и штаммо-специфичны: они определяют разнообразные химические модификации НФ, от которых зависит специфичность микробно-растительного взаимодействия.
Гены «//кодируют структуру белков нитрогена-зы (ni/HDK), ее кофакторов (ni/EN) и транскрипционных регуляторов (ni/A), общих для симбиотических и свободноживущих К2-фиксаторов. Гены fix ответственны за специфичную для симбиоза регуляцию К2-фиксации, многие из них являются общими для разных видов ризобий, например, гены fixNOPQ кодируют цитохром-оксидазу cbb3, обеспечивающую транспорт электронов в экстремальных физиологических условиях клубенька (крайне низкая концентрация кислорода, резко щелочная реакция [25, 30]).
Наличие у филогенетически разнородных ризобий многочисленных общих sym-генов свидетельствует о широком участии их горизонтального переноса в эволюции симбиоза: многократное независимое возникновение одних и тех же генных систем на разном генетическом фоне представляется маловероятным [63]. Участие горизонтального переноса генов (ГПГ) в эволюции ризобий подтверждается локализацией sym-генов на мобильных генетических элементах (плазмиды и геномные острова, выявленные у многих видов ризобий), а также характерной для них панмиктической структурой популяций [42]. В то же время, у большинства ризобий частоты
переноса генов низки, что предполагает действие особых популяционных факторов, вовлекающих продукты ГПГ в эволюцию симбиоза.
Два этапа эволюции ризобий
Интенсивное молекулярное изучение sym-генов позволило выделить два главных процесса, обеспечивших эволюцию ризобий: 1) прямые филиации, определившие возникновение ризобий из почвенных или симбиотических (ризосферных, эндофитных) бактерий; 2) основанная на ГПГ эволюция - результат широкой экспансии sym-генов в бактериальных сообществах. Известные в настоящее время виды ризобий могут быть разделены на две группы (два эволюционных уровня), различающиеся по механизмам возникновения, симбиотическим свойствам и организации генома (таблица).
Прямые филиации подразумевают постепенную трансформацию в ризобии, осуществляемую некоторыми почвенными, ризосферными или эндофитными бактериями. Возникающие виды ризобий сохраняют способность фиксировать N2 ex planta, что отражает их анцестральный (диазо-трофный) способ азотного питания. Бактериями, которые претерпевали такую трансформацию, могли быть штаммы Azospirillum - ризосферные ^-фиксаторы, ассоциированные с различными
растениями [21]. Возможность их преобразования в ризобии подтверждается тем, что азоспириллы могут заселять разрастания (пара-клубеньки), образуемые на корнях небобовых растений (например, пшеницы или кукурузы) при воздействии ауксин-подобного соединения 2,4-D [45, 50]. Если в природных ризосферных ассоциациях рост-стимулирующее действие Azospirillum связано в основном с синтезом фитогормонов (ауксинов), то, находясь в пара-клубеньках, азоспириллы усиливают развитие растений именно благодаря К2-фиксации, что было показано с помощью химических (15К-изотопный анализ) и генетических (использование Fix- мутантов) подходов. Выявленные у Azospirillum последовательности ДНК, гомологичные nod-генам [59, 60], могут отражать ранние стадии преобразования этих бактерий в ризобии.
Таксономическое родство азоспирилл с медленно растущими ризобиями Bradyrhizobium [64] предполагает, что последние могут представлять ризобии "первого эволюционного уровня". Подобная гипотеза согласуется с данными о способности Bradyrhizobium фиксировать азот ex planta, а также об их широкой хозяйской специфичности [37]. Выявлены штаммы Bradyrhizobium, способные к фотосинтезу, позволяющему частично покрывать энергетические затраты на К2-фиксацию, происходящую в стеблевых клубеньках ряда тропических бобовых, например Aeshynomene
Свойства ризобий основных эволюционных уровней
Характеристики Ризобии
первый уровень второй уровень
Способы возникновения Способность возникших форм к фиксации N2 ex planta Направления комбинативной эволюции симбиотических (sym) генов Типы рекомбинации, обеспечивающей комбинативную эволюцию (возникающие при этом формы генома) Основные представители Прямые филиации свободноживу-щих и симбиотических (эндофитных, ризосферных) бактерий в клу-бенькообразующие ^-фиксаторы Обычно проявляется Формирование генных систем симбиоза путем рекомбинации генов из ранее существовавших ("несимбио-тических") систем Внутригеномная рекомбинация (пластичные, увеличенные в размерах геномы) А7огЫ7оЫиш, ВгаёугЫ7оЪшт Возникновение новых видов бактерий путем горизонтального переноса луда-генов Обычно отсутствует Перенос луда-генов из ризобий в различные бактерии (почвенные или взаимодействующие с растениями) Межгеномная рекомбинация (много-компонентые геномы) Ме8огЫ7оЬит, КЫ7оЪшт, БтогЫ7о-Ыит
[26]. Интересно отметить, что некоторые из этих штаммов не способны синтезировать НФ и индуцируют развитие клубеньков благодаря выделению фитогормонов [18, 23], что подтверждает анцестральное положение фототрофных форм среди современного разнообразия ризобий [48].
Другими представителями первого эволюционного уровня могут быть штаммы Azorhizobium: в отличие от большинства ризобий, A. caulinodans может использовать N2 как единственный источник азота при росте на безазотной среде (у Bra-dyrhizobium нитрогеназная активность ex planta не обеспечивает диазотрофного роста, поскольку свыше 90% образующегося аммония экскре-тируется из клеток). Регуляция ^-фиксации у Azorhizobium осуществляется двухкомпонентной системой ntrA/ntrC, что характерно для свободно-живущих диазотрофов [25, 30].
Возникновение ризобий первого эволюционного уровня было, по всей видимости, связано с формированием систем «уда-генов посредством "рекрутирования" генов из несимбиотических (метаболических, сигнальных) систем. Такая ком-бинативная эволюция включала формирование новых оперонов и регулонов, в котором, по-видимому, была широко задействована стратегия дупликации - дивергенции генов. Подтверждением этого служит избыточность многих генов, участвующих в контроле метаболических и регу-ляторных процессов, характерная для ризобий и близких к ним агробактерий [28, 58].
Однако современное разнообразие ризобий не могло возникнуть в результате только прямых филиаций, поскольку многие sym-гены являются общими для филогенетически неродственных видов ризобий, и многократное независимое возникновение таких генов не представляется вероятным. Широкая экспансия «уда-генов в ассоциированных с растениями бактериальных сообществах посредством ГПГ - наиболее вероятный путь формирования современного разнообразия ризобий. Ризобии "второго эволюционного уровня" (например, Rhizobium leguminosarum, R. ga-legae, Sinorhizobium meliloti) могут считаться продуктами эволюции, основанной на ГПГ. Эти виды ризобий взаимодействуют с бобовыми, распространенными в умеренных широтах [49].
Наиболее очевидно участие ГПГ в эволюции генов клубенькообразования: их изменчивость не проявляет связи с дивергенцией коровой части бактериального генома (изученной путем анализа генов 16S рРНК), но коррелирует с дивергенцией растений-хозяев [25, 56]. Так, у ризобий, иноку-лирующих малоспецифичных хозяев, например,
штаммов Sinorhizobium и Mesorhizobium - симбионтов Acacia tortilis [15] или Astragalus sini-cus [65], а также у штаммов Azorhizobium и Sinorhizobium - симбионтов Sesbania rostrata [53], выявлены сходные наборы nod-генов и синтезируемых под их контролем НФ. Следовательно, возникновение у этих ризобий одинаковой хозяйской специфичности могло быть результатом приобретения одного и того же набора генов вирулентности. Монофилетическое происхождение общих nod-генов можно проследить на примере различных аллелей гена nodD, составляющих особую группу транскрипционных активаторов семейства lysR-araC, показывая единое происхождение гена nodD у таксономическ
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.