Специфичность симбиотических взаимодействий бактерий рода Rhizobium leguminosarum bv. viciae с растениями трибы Vicieae

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Целью работы была оценка нодуляционной конкурентоспособности производственных штаммов на фоне аборигенных клубеньковых бактерий, а также анализ распределения генотипов штаммов, образовавших клубеньки на корнях четырёх видов растений. Объектами исследования являлись штаммы ризобий, образовавшие клубеньки на корнях растений (клубенёк-образующие единицы — КлОЕ) в результате проведенного полевого испытания с применением предпосевной обработки семян гороха (Pisum satіvum L.), бобов (Vicia faba L.), чины (Lathyrus sativus L.) и чечевицы (Lens culinaris L.). При инокуляции семян использовали смесь коллекционных штаммов, выделенных из клубеньков гороха и бобов и имеющих различные сочетания хромосомных и симбиотических генотипов. Идентификацию КлОЕ проводили с помощью анализа выделенной тотальной ДНК клубенька по нескольким хромосомным маркерам: фрагменту гена rpoB и hin-регио на и плазмидному (sym) маркеру nodD. Установлено, что только около 50 % клубеньков были образованы штаммами, использованными при инокуляции семян. Кроме того, были определены комбинации хромосомного и симбиотического генотипов, специфичные для ризобий — симбионтов конкретных растений-хозяев: IA-генотипа с sym-2 — для P. sativum; Ia (или IB)-генотипа с sym-4 — для V. faba. Результаты исследования создают предпосылки для подбора пар макро- и микросимбионтов с целью повышения эффективности микробно-растительных систем, в которых характер симбиотических взаимодействий определяет продуктивность партнеров.

Об авторах

Софья Арсеновна Хапчаева

Институт биохимии им. А.Н. Баха, ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sakhapchaeva.1990@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6900-8399
SPIN-код: 2456-8389
ResearcherId: H-9438-2014

младший научный сотрудник, группа альгобиотехнологии

Россия, 119071, г. Москва, Ленинский пр-т, 33к2.

Светлана Витальевна Дидович

ФГБУН «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма»

Email: sv-alex.68@mail.ru
SPIN-код: 4162-1908

кандидат с.-х. наук, старший научный сотрудник отдел сельскохозяйственной микробиологии

Россия, 295493, г. Симферополь, ул. Киевская, д.150

Алексей Федорович Топунов

Институт биохимии им. А.Н. Баха, ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН

Email: aftopunov@yandex.ru
SPIN-код: 8379-6221

д-р биол. наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией биохимии азотфиксации и метаболизма азота

Россия, 119071, г. Москва, Ленинский пр-т, 33к2

Андрей Львович Мулюкин

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского, ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН

Email: andlm@mail.ru
SPIN-код: 1269-5440

д-р биол. наук, ведущий научный сотрудник, руководитель ЦКП «Коллекция UNIQEM»

Россия, 117312, г. Москва, Проспект 60-летия Октября, 7к2

Василий Сергеевич Зотов

Институт биохимии им. А.Н. Баха, ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН

Email: adni83@yandex.ru

канд. биол. наук, старший научный сотрудник, руководитель группы альгобиотехнологии

Россия, 119071, г. Москва, Ленинский пр-т, 33к2

Список литературы

  1. Lira MA, Jr., Nascimento LR, Fracetto GG. Legume-rhizobia signal exchange: promiscuity and environmental effects. Front Microbiol. 2015;6:945. doi: 10.3389/fmicb.2015.00945.
  2. Oldroyd GE, Murray JD, Poole PS, Downie JA. The rules of engagement in the legume-rhizobial symbiosis. Annu Rev Genet. 2011;45:119-144. doi: 10.1146/annurev-genet-110410-132549.
  3. Проворов Н.А. Взаимосвязь между таксономией бобовых и специфичностью их взаимодействия с клубеньковыми бактериями // Ботанический журнал. – 1992. – Т. 77. – № 8. – С. 21–32. [Provorov NA. Vzaimosvyaz’ mezhdu taksonomiey bobovykh i spetsifichnost’yu ikh vzaimodeistviya s kluben’kovymi bakteriyami. Botanicheskii zhurnal. 1992;77(8):21-32. (In Russ.)]
  4. Mutch LA, Young JP. Diversity and specificity of Rhizobium leguminosarum biovar viciae on wild and cultivated legumes. Mol Ecol. 2004;13(8):2435-2444. doi: 10.1111/j.1365-294X.2004.02259.x.
  5. Laguerre G, Louvrier P, Allard MR, Amarger N. Compatibility of rhizobial genotypes within natural populations of Rhizobium leguminosarum biovar viciae for nodulation of host legumes. Appl Environ Microbiol. 2003;69(4):2276-2283. doi: 10.1128/AEM.69.4.2276-2283.2003.
  6. Alvarez-Martinez ER, Valverde A, Ramirez-Bahena MH, et al. The analysis of core and symbiotic genes of rhizobia nodulating Vicia from different continents reveals their common phylogenetic origin and suggests the distribution of Rhizobium leguminosarum strains together with Vicia seeds. Arch Microbiol. 2009;191(8):659-668. doi: 10.1007/s00203-009-0495-6.
  7. Mauchline TH, Hayat R, Roberts R, et al. Assessment of core and accessory genetic variation in Rhizobium leguminosarum symbiovar trifolii strains from diverse locations and host plants using PCR-based methods. Lett Appl Microbiol. 2014;59(2):238-246. doi: 10.1111/lam.12270.
  8. Онищук О.П., Воробьёв Н.И., Провозов Н.А. Нодуляционная конкурентоспособность клубеньковых бактерий: генетический контроль и адаптивное значение (обзор) // Прикладная биохимия и микробио логия. – 2017. – Т. 53. – № 2. – С. 127–135. [Onishchuk OP, Vorobyov NI, Provorov NA. Nodulation Competitiveness of Nodular Bacteria: Genetic Control and Adaptive Significance. Applied biochemistry and microbiology. 2017;53(2):127-135. (In Russ.)] doi: 10.7868/S0555109917020131.
  9. Yang C, Bueckert R, Schoenau J, et al. Symbiosis of selected Rhizobium leguminosarum bv. viciae strains with diverse pea genotypes: effects on biological nitrogen fixation. Can J Microbiol. 2017;63(11):909-919. doi: 10.1139/cjm-2017-0281.
  10. Bourion V, Heulin-Gotty K, Aubert V, et al. Co-ino culation of a Pea Core-Collection with Diverse Rhizobial Strains Shows Competitiveness for Nodulation and Efficiency of Nitrogen Fixation Are Distinct traits in the Interaction. Front Plant Sci. 2017;8:2249. doi: 10.3389/fpls.2017.02249.
  11. Zou L, Chen YX, Penttinen P, et al. Genetic Diversity and Symbiotic Efficiency of Nodulating Rhizobia Isolated from Root Nodules of Faba Bean in One Field. PLoS One. 2016;11(12):e0167804. doi: 10.1371/journal.pone.0167804.
  12. Патент РФ на изобретение № 2486251/ 25.08.11. Зотов В.С., Пунина Н.В., Топунов А.Ф. Способ идентификации и дифференциации прокарио тических организмов. [Patent RUS No 2486251/ 25.08.11. Zotov VS, Punina NV, Topunov AF. Sposob identifikatsii i differentsiatsii prokarioticheskikh organizmov. (In Russ.)]
  13. Laguerre G, Mazurier SI, Amarger N. Plasmid profiles and restriction fragment length polymorphism of Rhizobium leguminosarum bv. viciae in field populations. FEMS Microbiol Lett. 1992;101(1):17-26. doi: 10.1111/j.1574-6968.1992.tb05757.x.
  14. Martens M, Dawyndt P, Coopman R, et al. Advantages of multilocus sequence analysis for taxonomic studies: a case study using 10 housekeeping genes in the genus Ensifer (including former Sinorhizobium). Int J Syst Evol Microbiol. 2008;58(Pt 1):200-214. doi: 10.1099/ijs.0.65392-0.
  15. Зотов В.С., Пунина Н.В., Хапчаева С.А., и др. Новый таксономический маркер клубеньковых бактерий рода Rhizobium и его эволюция // Экологическая генетика. – 2012. – Т. 10. – № 2. – С. 50–63. [Zotov VS, Punina NV, Khapchaeva SA, et al. A new taxonomic marker of nodule bacteria of the Rhizobium genus and its evolution. Ecological genetics. 2013;3(2):102-113. (In Russ.)]. doi: 10.17816/ecogen10250-63.
  16. Laguerre G, Mavingui P, Allard MR, et al. Typing of rhizobia by PCR DNA fingerprinting and PCR-restriction fragment length polymorphism analysis of chromosomal and symbiotic gene regions: application to Rhizobium leguminosarum and its different biovars. Appl Environ Microbiol. 1996;62(6):2029-2036.
  17. Sanger F, Air GM, Barrell BG, et al. Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA. Nature. 1977;265(5596):687-695. doi: 10.1038/265687a0.
  18. Altschul SF, Gish W, Miller W, et al. Basic local alignment search tool. J Mol Biol. 1990;215(3):403-410. doi: 10.1016/S0022-2836(05)80360-2.
  19. Hall TA. BioEdit: a user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. Nucleic Acids Symp Ser (Oxf). 1999;41(2):95-98.
  20. Tamura K, Peterson D, Peterson N, et al. MEGA5: molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Mol Biol Evol. 2011;28(10):2731-2739. doi: 10.1093/molbev/msr121.
  21. Nei M, Kumar S. Molecular evolution and phylogenetics. New York: Oxford University Press; 2000.
  22. Khapchaeva SA, Punina NV, Zotov VS, et al. Specific effectiveness of symbioses between Pisum satіvum and Vicia faba and different genotypes of rhizobia. In: Proceedings of the 42nd Annual meeting ESNA 2013; Thessaloniki, 4-8 Sep 2013. Thessaloniki; 2013. p. 31.
  23. Зотов В.С., Пунина Н.В., Хапчаева С.А., и др. Использование методов saAFLP и hin-регион ПЦР для генотипирования штаммов ризобий — симбионтов Phaseolus vulgaris // Таврический вестник аграрной науки. – 2013. – № 1. – С. 15–23. [Zotov VS, Punina NV, Khapchaeva SA, et al. Using of saaflp and hin-region pcr for genotyping analysis of nodulating rhizobial symbionts of Phaseolus Vulgaris. Tavricheskiy vestnik agrarnoy nauki. 2013;(1):15-23. (In Russ.)]
  24. Depret G, Laguerre G. Plant phenology and genetic variability in root and nodule development strongly influence genetic structuring of Rhizobium leguminosarum biovar viciae populations nodulating pea. New Phytol. 2008;179(1):224-235. doi: 10.1111/j.1469-8137.2008.02430.x.
  25. Jorrin B, Imperial J. Population Genomics Analysis of Legume Host Preference for Specific Rhizobial Genotypes in the Rhizobium leguminosarum bv. viciae Symbioses. Mol Plant Microbe Interact. 2015;28(3):310-8. doi: 10.1094/MPMI-09-14-0296-FI.
  26. Пунина Н.В., Макридакис Н.М., Хапчаева С.А., и др. Применение молекулярных методов при создании растительных микробных препаратов // Таврический вестник аграрной науки. – 2016. – Т. 1. – № 5. – С. 20–34. [Punina NV, Makridakis NM, Khapchaeva SA, et al. Application of molecular methods for microbial inoculants for plants. Tavricheskiy vestnik agrarnoy nauki. 2016;1(5):20-34. (In Russ.)]
  27. Gopalakrishnan S, Sathya A, Vijayabharathi R, et al. Plant growth promoting rhizobia: challenges and opportunities. 3 Biotech. 2015;5(4):355-377. doi: 10.1007/s13205-014-0241-x.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Филогенетическое дерево, построенное на основе данных сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей фрагмента гена rpoB бактерий рода Rhizobium — симбионтов растений группы перекрестной инокуляции c использованием алгоритма NJ. В скобках указано число КлОЕ данного генотипа, выявленных в клубеньках гороха (Pisum), чечевицы (Lens), чины (Lathyrus) и кормовых бобов (Vicia). Масштаб соответствует пяти заменам на 1000 пар оснований. Цифрами показана статистическая достоверность порядка ветвления (в %), определенная с помощью bootstrap-анализа 1000 реплик. Значения bootstrap ниже 70 % не показаны

Скачать (87KB)
Метаданные
3. Рис. 2. RFLP-анализ фрагмента гена nodD с использованием рестриктазы MspI. Маркер длин ДНК 50+ bp DNA Ladder (ЗАО «Евроген»). Представлены результаты электрофоретического разделения продуктов реакции для 12 КлОЕ каждого вида растения: чечевицы, чины, кормовых бобов и гороха. Цифрами (1–4) указаны соответствующие sym-генотипы

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Диаграмма распределения sym-генотипов КлОЕ у растений группы перекрестной инокуляции: чечевицы, чины, бобов и гороха

Скачать (47KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Диаграмма распределения hin-генотипов КлОЕ у растений группы перекрестной инокуляции: чечевицы, чины, бобов и гороха

Скачать (52KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Структура hin-региона Rhizobium leguminosarum bv. viciae

Скачать (31KB)
Метаданные

© Хапчаева С.А., Дидович С.В., Топунов А.Ф., Мулюкин А.Л., Зотов В.С., 2018

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах