научная статья по теме ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛЕВОГО СТРЕССА НА ГЕНЕТИЧЕСКИ ПОЛИМОРФНУЮ СИСТЕМУ SINORHIZOBIUM MELILOTI– MEDICAGO TRUNCATULA Биология

Текст научной статьи на тему «ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛЕВОГО СТРЕССА НА ГЕНЕТИЧЕСКИ ПОЛИМОРФНУЮ СИСТЕМУ SINORHIZOBIUM MELILOTI– MEDICAGO TRUNCATULA»

= ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

УДК 633.3.31:631.461.5:579.25

ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛЕВОГО СТРЕССА НА ГЕНЕТИЧЕСКИ ПОЛИМОРФНУЮ СИСТЕМУ Sinorhizobium meliloti-

Medicago truncatula

© 2014 г. О. Н. Курчак, Н. А. Проворов, О. П. Онищук, Н. И. Воробьев, М. Л. Румянцева, Б. В. Симаров

Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии Российской академии сельскохозяйственных наук, Санкт-Петербург 196608 e-mail: okurchak@yahoo.com Поступила в редакцию 07.11.2013 г.

Изучено действие солевого стресса (75 мМ NaCl) на экологическую эффективность генетически полиморфной симбиотической системы Sinorhizobium meliloti—Medicago truncatula, при котором возрастает изменчивость партнеров по симбиотическим признакам, а также интегрированность симбиоза, характеризуемая специфичностью взаимодействия партнеров (их неаддитивными генотипи-ческими вкладами в варьирование параметров симбиоза) и коррелятивными связями между этими параметрами. Установлено, что структура локуса nodD1 и состав плазмид коррелируют с эффективностью симбиоза штаммов S. meliloti с M. truncatula только в условиях стресса. Отмечено, что корреляции между симбиотической эффективностью штаммов ризобий и скоростью их роста в свобод-ноживущем состоянии проявляются в условиях стресса гораздо четче, чем без него. В стрессовых условиях эффективность симбиоза в наибольшей степени снижена у линии люцерны F83005.5, чувствительной к солевому стрессу вне симбиоза (при внесении минерального азота). Ингибирование симбиотической активности у этой линии связано с подавлением развития клубеньков, а у более устойчивых линий Jemalong 6 и DZA315.16 — с подавлением ^-фиксации. Впервые показано, что солевой стресс приводит к нарушению габитуса растений M. truncatula (отношение массы к высоте возрастает в 2—6 раз), который у солеустойчивого сорта Jemalong 6 нормализуется при инокуляции ризобиями.

DOI: 10.7868/S001667581406006X

Образование симбиозов с микроорганизмами — мощный фактор адаптации растений к неблагоприятным условиям среды, включая дефицит основных элементов питания (азота, фосфора), а также биотические (патогены, фитофаги) и абиотические (засуха, засоление) стрессы [см. обзор 1]. Преодоление этих стрессов может быть достигнуто при образовании микоризных, ризосферных и эндофитных ассоциаций, благодаря которым растения получают доступ к использованию атмосферного азота (симбиозы с эндосимбиотиче-скими или ассоциативными ^-фиксаторами) и нерастворимых почвенных фосфатов (микоризные симбиозы); оптимизируется гормональный статус растений (микробы вырабатывают ауксины или цитокинины либо блокируют синтез этилена); активируются защитные реакции растений (синтез жасмоновой кислоты или ферментов фе-нил-пропаноидного пути); образуются антибиотики или токсины [2—4].

Генетически наиболее изучены трофические симбиозы, обеспечивающие фиксацию атмосферного азота (ассоциации двудольных растений с клубеньковыми бактериями или актино-

бактериями), а также усвоение химически инертных фосфорных соединений почвы (арбускулярная микориза). При формировании ^-фиксирующего бобово-ризобиального (клубенькового) симбиоза антистрессовые эффекты обычно выражены слабо: при солевом стрессе его продуктивность снижается в связи с нарушениями развития и функционирования клубеньков [5]. Адаптация этого симбиоза к солевому стрессу может быть связана со способностью ризобий синтезировать осмопротекторы, например бетаин глицина и глутамат [6], а также с накоплением в растениях пролина и антиоксидантов [7]. Однако популяци-онно-генетические механизмы этой адаптации остаются малоизученными, что затрудняет создание стресс-устойчивых симбиозов, необходимых для возделывания бобовых растений в неблагоприятных условиях.

Ранее мы показали, что эффективность бобо-во-ризобиального симбиоза определяется специфичностью взаимодействия различных генотипов растений и бактерий, которая может быть оценена на основе их вкладов в варьирование параметров симбиоза [8, 9]; функциональной це-

3

777

лостностью симбиоза, которая может быть оценена путем факторного анализа ковариации или корреляции адаптивно значимых физиологических параметров, а также генотипических частот партнеров [10]. Кроме того, в ходе коэволюции растений и бактерий, направленной на создание эффективного и в то же время адаптированного к различным стрессам симбиоза, может возрастать уровень попу-ляционного полиморфизма партнеров.

Medicago truncatula — однолетняя люцерна, самоопылитель (способность к перекрестному опылению составляет <3% [11]), что позволяет получать потомство высокогомозиготных линий [12]. Этот вид люцерны имеет диплоидный геном и короткое время генерации, поэтому он служит удобной моделью для изучения не только роста и развития бобовых растений [13—15], но и механизмов их устойчивости к солевому стрессу [16]. Устойчивость этих растений к солевому стрессу может зависеть от типа азотного питания, а также от генотипа штамма-микросимбионта [16—18].

Цель работы — изучение связи устойчивости системы Sinorhizobium meliloti—M. truncatula к солевому стрессу с генотипической изменчивостью растительных и бактериальных партнеров по со-леустойчивости, которая определяет специфичность их взаимодействия, а также функциональную целостность и эффективность симбиоза.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Были использованы 16 различающихся по происхождению штаммов S. meliloti, выделенных из клубеньков люцерны, произрастающей в При-аральском р-не Казахстана (А9, А20, АК36, АК48, АК57, АК75, АК92, АК99, АК107), Тунисе (SII5, KIII3) [19], Кавказском регионе (Т3), Средней Азии (СА107), а также лабораторные штаммы СХМ1-105 [20], Rm2011 [21] и ABS7 [22].

Штаммы выращивали на среде TY [23] при 28°С. Солеустойчивость штаммов определяли по оптической плотности, достигаемой культурой после 9, 20 и 44 ч выращивания в пробирках с 10 мл жидкой среды TY и с добавлением NaCl в концентрации 0.7 M.

Семена однолетней люцерны M. truncatula Gaertn. линий Jemalong 6, DZA315.16 (Алжир) и F83005.5 (Франция) были получены из лаборатории Ж. Проспери (J.M. Prospéri, INRA Montpellier).

При проведении стерильных микровегетационных опытов семена люцерны M. truncatula стерилизовали концентрированной серной кислотой 5 мин, промывали стерильной водой, раскладывали в чашки Петри c водным агаром (0.7%) с добавлением 1 мкМ Gibberellin A3 (Sigma, США) и проращивали в темноте при 10°С (2 сут). Проростки переносили в стерильные пробирки с ага-ризованной минеральной средой [24] без соли

(контроль) либо с добавлением NaCl в концентрациях 15, 30, 45, 60, 75 и 90 мМ. Ингибирующий эффект соли (ИЭС) определяли по формуле ИЭС = = 1 — Мс/Мк, где Мс и Мк — массы растений при действии стресса и без него соответственно.

Для выращивания растений в режиме минерального азотного питания в среду вносили KNO3 (3 мМ), для выращивания в режиме симбиотроф-ного питания — инокулировали клубеньковыми бактериями S. meliloti. Число клубеньков и эффективность симбиоза, которую оценивали по значению относительной (в %) или абсолютной (в мг) прибавки сухой массы побегов, определяли на 56-й день вегетации (повторность опытов 10-кратная).

Для генотипирования штаммов S. meliloti изучали изменчивость структуры локуса, содержащего ген nodD1, а также состава плазмид средней молекулярной массы. Анализ состава плазмид проводили в агарозном геле по стандартной методике [25]. Рестрикционный анализ ПЦР-ампли-фицированных фрагментов гена nodD1 проводили с использованием эндонуклеазы MspI (MBI Fermentas, Литва) в 3%-ном агарозном геле [26]. Размеры фрагментов рестрикции определяли с помощью маркера молекулярной массы М100 (100—1000 пар нуклеотидов) производства Сиб-Энзим (Россия).

Для статистической обработки данных использовали стандартные процедуры дисперсионного и корреляционного анализов, t-критерий Стьюдента [27], а также методику вычисления собственных значений корреляционных матриц [28, 29], образованных из значений парных корреляций между массами корней и побегов, а также чисел клубеньков, образовавшихся при взаимодействии различных генотипов растений и бактерий. Эти значения позволяют разделять общую дисперсию изучаемых признаков на доли, которые приходятся на ортогональные векторы в многомерном биометрическом пространстве, характеризующем варьирование параметров сим-биосистемы. При ее наибольшей функциональной интегрированности одно из собственных значений матрицы отлично от нуля, а остальные равны нулю. При полном отсутствии интегриро-ванности собственные значения матрицы одинаковы. С учетом этого мы вычисляли индексы интегри-рованности симбиотической системы (ИСС) по формуле

L Z {^2 - 1

In =

L - 1

S =

z ^

m = 1

где L = 3 — число собственных значений матриц (А,! > А2 > А3), равное числу изученных признаков

L

Таблица 1. Показатели продуктивности различных линий люцерны Medicago truncatula в условиях симбиотроф-ного и минерального питания азотом при солевом стрессе (С+) или без него (С-)

Признаки Jemalong 6 DZA315.16 F83005.5

растений С- С+ С- С+ С- С+

Симбиотрофное питание азотом (инокуляция Sinorhizobium meliloti)*

Масса побегов, мг 22.9 ± 1.04 16.9 ± 1.08 27.0 ± 0.87 13.5 ± 0.71 33.4 ± 0.87 10.8 ± 1.31

Высота побегов, см 15.30 ± 0.38 5.06 ± 0.72 9.78 ± 0.31 0.81 ± 0.07 9.50 ± 0.40 0.69 ± 0.06

Габитус, мг/см 1.50 ± 0.16 2.87 ± 0.26 2.76 ± 0.27 17.61 ± 1.03 3.47 ± 0.62 15.30 ± 0.66

Прибавка массы 16.9 ± 1.04 10.9 ± 1.09 17.2 ± 0.87 3.7 ± 0.72 22.6 ± 0.93 1.3 ± 13.01

абсолютная, мг***

Прибавка массы 182.7 ± 10.2 81.7 ± 7.6 75.6 ± 6.6 37.8 ± 3.1 109.3 ± 8.8 13.7 ± 1.2

относительная, %***

Число клубеньков на 8.7 ± 0.79 7.9 ± 0.59 4.2 ± 0.17 3.7 ± 0.18 4.7 ± 0.21 1.9 ± 0.33

одно растение

Минеральное питание азотом (внесение 3 мМ KNO3) **

Масса побегов, мг 31.1 ± 1.67 27.4 ± 2.41 34.3 ± 1.14 26.2 ± 3.40 32.8 ± 1.96 14.9 ± 2.65

Высота побегов, см 11.72 ± 0.58 2.41 ± 0.42 9.29 ± 0.41 1.79 ± 0.65 9.04 ± 1.41 0.71 ± 0.39

Габитус, мг/см 2.66 ± 0.15 11.37 ± 0.99 3.69 ± 0.14 14.62 ± 1.17 3.63 ± 0.23 20.99 ± 3.54

Примечание. Жирным шрифтом выделены величины, д

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

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»