Histological and ultrastructural nodule organization of the pea (Pisum sativum) mutant sgefix–-5 in the Sym33 gene encoding the transcription factor PsCYCLOPS/PsIPD3

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. The transcription factor CYCLOPS/IPD3 is a key activator of the organogenesis of symbiotic nodules. Its participation in the development of infection threads and symbiosomes is also shown. In pea, three mutant alleles were identified for this gene (sym33-1 – sym33-3). The phenotypic manifestations of the sym33-3 allele of the SGEFix¯-2 mutant, characterized by a “leaky” phenotype (the formation of two types of nodules: white and pinkish) were the most studied. The sym33-2 allele in the mutant SGEFix¯-5 was described as a strong allele, however, its phenotypic manifestations have not been studied in detail.

Materials and methods. In this study, the histological and ultrastructural nodule organization of the SGEFix¯-5 mutant was analyzed using confocal laser scanning microscopy and transmission electron microscopy.

Results. In the nodules “locked” infection threads were observed, from which no bacteria release into the cytoplasm of the plant cell occurs. In this case, in some infection threads, bacteria were degraded, which may indicate the activation of strong defense reactions in the nodules of the SGEFix¯-5 mutant.

Conclusions. The sym33-2 allele in the mutant SGEFix¯-5 is a strong allele, which triggers the severe defense reactions, when rhizobia are already perceived as pathogens in infection threads.

About the authors

Anna V. Tsyganova

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: isaakij@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3505-4298

Leading Scientist, Laboratory of Molecular and Cellular Biology

Russian Federation, 3, Podbelsky highway, Pushkin, Saint-Petersburg, 196608

Kira A. Ivanova

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: kivanova@arriam.ru
ORCID iD: 0000-0002-9119-065X

Junior Scientist, Laboratory of Molecular and Cellular Biology

Russian Federation, 3, Podbelsky highway, Pushkin, Saint-Petersburg, 196608

Viktor E. Tsyganov

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Author for correspondence.
Email: tsyganov@arriam.spb.ru
ORCID iD: 0000-0003-3105-8689
SPIN-code: 6532-1332
Scopus Author ID: 7006136325
ResearcherId: Q-5634-2016
http://arriam.ru/departments/laboratoriya-molekulyarnoj-i-kletochnoj-biologii/

Head of the Laboratory, Laboratory of Molecular and Cellular Biology

Russian Federation, 3, Podbelsky highway, Pushkin, Saint-Petersburg, 196608

References

  1. Tsyganov VE, Voroshilova VA, Priefer UB, et al. Genetic dissection of the initiation of the infection process and nodule tissue development in the Rhizobium-pea (Pisum sativum L.) symbiosis. Ann Bot. 2002;89(4):357-366. https://doi.org/10.1093/aob/mcf051.
  2. Tsyganova AV, Tsyganov VE. Plant genetic control over infection thread development during legume-rhizobium symbiosis. In: Symbiosis. Ed. by E.C. Rigobelo. London: IntechOpen; 2018. P. 23-52. https://doi.org/10.5772/intechopen.70689.
  3. Soyano T, Hayashi M. Transcriptional networks leading to symbiotic nodule organogenesis. Curr Opin Plant Biol. 2014;20:146-154. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2014.07.010.
  4. Messinese E, Mun JH, Yeun LH, et al. A novel nuclear protein interacts with the symbiotic DMI3 calcium- and calmodulin-dependent protein kinase of Medicago truncatula. Mol Plant Microbe Interact. 2007;20(8):912-921. https://doi.org/10.1094/MPMI-20-8-0912.
  5. Yano K, Yoshida S, Muller J, et al. CYCLOPS, a mediator of symbiotic intracellular accommodation. Proc Natl Acad Sci USA. 2008;105(51):20540-20545. https://doi.org/10.1073/pnas.0806858105.
  6. Ovchinnikova E, Journet EP, Chabaud M, et al. IPD3 controls the formation of nitrogen-fixing symbiosomes in pea and Medicago spp. Mol Plant Microbe Interact. 2011;24(11):1333-1344. https://doi.org/10.1094/MPMI-01-11-0013.
  7. Singh S, Katzer K, Lambert J, et al. CYCLOPS, a DNA-binding transcriptional activator, orchestrates symbiotic root nodule development. Cell Host Microbe. 2014;15(2):139-152. https://doi.org/10.1016/j.chom.2014.01.011.
  8. Tsyganov VE, Borisov AY, Rozov SM, Tikhonovich IA. New symbiotic mutants of pea obtained after mutagenesis of laboratory line SGE. Pisum Genet. 1994;26:36-37.
  9. Tsyganov VE, Morzhina EV, Stefanov SY, et al. The pea (Pisum sativum L.) genes sym33 and sym40 control infection thread formation and root nodule function. Mol Gen Genet. 1998;259(5):491-503. https://doi.org/10.1007/s004380050840.
  10. Engvild KC. Nodulation and nitrogen fixation mutants of pea, Pisum sativum. Theor Appl Genet. 1987;74(6):711-713. https://doi.org/10.1007/BF00247546.
  11. Tsyganov VE, Voroshilova VA, Rozov SM, et al. A new series of pea symbiotic mutants induced in the line SGE. Russ J Genet Appl Res. 2013;3(2):156-162. https://doi.org/10.1134/s2079059713020093.
  12. Safronova VI, Novikova NI. Comparison of two me thods for root nodule bacteria preservation: lyophilization and liquid nitrogen freezing. J Microbiol Methods. 1996;24(3):231-237. https://doi.org/10.1016/0167-7012(95)00042-9.
  13. Wang TL, Wood EA, Brewin NJ. Growth regulators, Rhizobium and nodulation in peas: The cytokinin content of a wild-type and a Ti-plasmid-containing strain of R. leguminosarum. Planta. 1982;155(4):350-355. https://doi.org/10.1007/BF00429464.
  14. Fahraeus G. The infection of clover root hairs by nodu le bacteria studied by a simple glass slide technique. J Gen Microbiol. 1957;16(2):374-381. https://doi.org/10.1099/00221287-16-2-374.
  15. Kitaeva AB, Demchenko KN, Tikhonovich IA, et al. Comparative analysis of the tubulin cytoskeleton organization in nodules of Medicago truncatula and Pisum sativum: bacterial release and bacteroid positioning correlate with characteristic microtubule rearrangements. New Phytol. 2016;210(1):168-183. https://doi.org/10.1111/nph.13792.
  16. Voroshilova VA, Boesten B, Tsyganov VE, et al. Effect of mutations in Pisum sativum L. genes blocking different stages of nodule development on the expression of late symbiotic genes in Rhizobium leguminosarum bv. viciae. Mol Plant Microbe Interact. 2001;14(4):471-476. https://doi.org/10.1094/MPMI.2001.14.4.471.
  17. Tsyganov VE, Seliverstova EV, Voroshilova VA, et al. Double mutant analysis of sequential functioning of pea (Pisum sativum L.) genes Sym13, Sym33, and Sym40 during symbiotic nodule deve lopment. Russ J Genet Appl Res. 2011;1(5):343-348. https://doi.org/10.1134/s2079059711050145.
  18. Ivanova KA, Tsyganova AV, Brewin NJ, et al. Induction of host defences by Rhizobium during ineffective nodulation of pea (Pisum sativum L.) carrying symbio tically defective mutations sym40 (PsEFD), sym33 (PsIPD3/PsCYCLOPS) and sym42. Protoplasma. 2015;252(6):1505-1517. https://doi.org/10.1007/s00709-015-0780-y.
  19. Tsyganova AV, Seliverstova EV, Brewin NJ, Tsyganov VE. Bacterial release is accompanied by ectopic accumulation of cell wall material around the vacuole in nodules of Pisum sativum sym33-3 allele enco ding transcription factor PsCYCLOPS/PsIPD3. Protoplasma. Forthcoming 2019.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Histological organization of nodules of the mutant line SGEFix–-5 (sym33-2): a – sagittal nodule section; b – colonized cells with infection threads. Merge of single optical sections of differential-interference contrast and red channels (nuclei and bacteria), presented in grayscale. CC –colonized cell, N –nucleus, IT –infection thread, arrows indicate infection threads. Scale bar: a – 50 µm, b –10 µm

Download (635KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Ultrastructural organization of nodules of the mutant line SGEFix–-5 (sym33-2): а – colonized cells; b – infection threads with thickened walls and intact bacteria in the matrix; c – infection thread with thickened walls and degraded bacteria assembled in clusters; d – infection thread with completely degraded bacteria in the lumen. CC – colonized cell, IT – infection thread, ITW – infection thread wall, CW – cell wall, B – bacterium, DB – degrading bacterium, arrows indicate vesicles, asterisks indicate clusters of bacteria inside the infection thread. Scale bar: а – 10 µm, b-d – 1 µm

Download (813KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2019 Tsyganova A.V., Ivanova K.A., Tsyganov V.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».