Клубеньковые бактерии в искусственных симбиозах
Авторы:
Название:
Клубеньковые бактерии в искусственных симбиозах
Страницы:
356-363
Урожайность сельскохозяйственных культур зависит от многих факторов
но одним из важнейших является доступность соединений азота. Перенос азотфиксирующего бобово-ризобиального симбиоза на небобовые растения всегда был приоритетной областью исследований для многих ученых
работающих в области биотехнологии растений. Однако простой перенос генов
участвующих в процессе фиксации азота
к сожалению
ни разу не привел к успешному созданию азотфиксирующей симбиотической системы.
В данном обзоре кратко описываются достижения
сделанные учеными всего мира в области создания искусственных симбиозов между растениями и клубеньковыми бактериями. Особое внимание уделяется лектинам бобовых растений
которые являются гемагглютинирующими белками
функционирующими преимущественно на ранних этапах формирования бобово-ризобиального симбиоза. Трансформация генами лектинов небобовых растений приводит к повышенной колонизации трансгенных растений ризобиями
узнающими данный лектин на поверхности корней. Если для колонизации использовать ризобии с фунгистатической и ростостимулирующей активностями
то это приведет к тому
что созданные de novo симбиотические системы окажутся более устойчивы к грибным фитопатогенам и растения будут отличаться большими ростовыми показателями
благодаря ростостимулирующей активности бактерий.
Немаловажным является обзор работ
посвященных повышению конкурентоспособности ризобий в симбиотических системах путем трансформации различными генами. Особый интерес представляет увеличение копий генов pssA и rosR
участвующих в синтезе экзополисахаридов
так как они являются одними из генов
критичных для образования биопленок ризобиями
что является немаловажной частью конкурентной борьбы и помогает ризобиям выживать в неблагоприятных условиях. Другая перспективная с точки зрения получения новых симбиотических систем группа генов - это гены белков адгезинов Rap
участвующих в прикреплении ризобий к корневым волоскам растений. Также в данной статье небольшое внимание уделено трансформации с целью повышения конкурентоспособности в рамках симбиотических систем других ростостимулирующих грамотрицательных бактерий
в частности Pseudomonas putida и P. fluorescens.
но одним из важнейших является доступность соединений азота. Перенос азотфиксирующего бобово-ризобиального симбиоза на небобовые растения всегда был приоритетной областью исследований для многих ученых
работающих в области биотехнологии растений. Однако простой перенос генов
участвующих в процессе фиксации азота
к сожалению
ни разу не привел к успешному созданию азотфиксирующей симбиотической системы.
В данном обзоре кратко описываются достижения
сделанные учеными всего мира в области создания искусственных симбиозов между растениями и клубеньковыми бактериями. Особое внимание уделяется лектинам бобовых растений
которые являются гемагглютинирующими белками
функционирующими преимущественно на ранних этапах формирования бобово-ризобиального симбиоза. Трансформация генами лектинов небобовых растений приводит к повышенной колонизации трансгенных растений ризобиями
узнающими данный лектин на поверхности корней. Если для колонизации использовать ризобии с фунгистатической и ростостимулирующей активностями
то это приведет к тому
что созданные de novo симбиотические системы окажутся более устойчивы к грибным фитопатогенам и растения будут отличаться большими ростовыми показателями
благодаря ростостимулирующей активности бактерий.
Немаловажным является обзор работ
посвященных повышению конкурентоспособности ризобий в симбиотических системах путем трансформации различными генами. Особый интерес представляет увеличение копий генов pssA и rosR
участвующих в синтезе экзополисахаридов
так как они являются одними из генов
критичных для образования биопленок ризобиями
что является немаловажной частью конкурентной борьбы и помогает ризобиям выживать в неблагоприятных условиях. Другая перспективная с точки зрения получения новых симбиотических систем группа генов - это гены белков адгезинов Rap
участвующих в прикреплении ризобий к корневым волоскам растений. Также в данной статье небольшое внимание уделено трансформации с целью повышения конкурентоспособности в рамках симбиотических систем других ростостимулирующих грамотрицательных бактерий
в частности Pseudomonas putida и P. fluorescens.
Модификация растений для создания искусственных симбиотических систем
Работы по получению трансгенных небобовых растений
способных вступать в симбиоз с ризобиями
как правило
связаны с переносом генов
продукты которых принимают то или иное участие в прикреплении бактерий к корням и образовании клубеньков. Существует патент по созданию трансгенных растений с геном кальций и кальмодулин-зависимой протеинкиназы CCaMK. Данный фермент принимает участие в ранних этапах образования бобово-ризобиального симбиоза и его экспрессия в небобовых растениях может привести к образованию азотфиксирующих клубеньков
[Tirichine
2012].
Проводятся работы по получению растений
вырабатывающих изофлавоноиды. Ключевым ферментом в превращении естественных флавоноидов небобовых растений в изофлавоноиды является изофлавонсинтаза
[Jung et al.
2000]. Были получены растений риса и рапса
продуцирующие данный фермент и впоследствии накапливающие изофлавоноиднарингенин
[Sreevidya et al.
2006; Li et al.
2011].
Интересна работа по переносу нескольких симбиотических генов
а именно MtNFP
MtLYK3
MtDMI1
MtDM2
MtDMI3
MtNSP1 и MtNSP2 из генома Medicago truncatula в клубнику
табак
томат
тополь и арабидопсис. Продукты данных генов принимают участие во взаимодействии с Nod-фактором бактерий. Однако
различимых изменений в морфологии корневых волосков и делении клеток кортекса корня после инокуляции растений Sinorhizobium sp. NGR234 не произошло. Возможно
это связано с тем
что уровень экспрессии данных генов в трансгенных растениях сильно отличался от того
что был в M. truncatula
[Untergasser et al.
2012].
Эксперименты на трансгенных бобовых растениях с чужеродными генами лектинов подтверждают значимость этих гемагглютинирующих белков для формирования бобово-ризобиального симбиоза. Растения клевера белого
вступающего в симбиоз исключительно с Rhizobium leguminosarum bv trifolii
после введения в их геном гена лектина гороха посевного стали способны к неспецифическому клубенькообразованию в присутствии симбионта гороха R. leguminosarum bv. viciae
[Diaz et al.
1989]. Тот же результат был получен на трансгенных по гену лектина гороха растениях люцерны
[van Rhijn et al.
2001]. При этом замена аминокислоты в углеводсвязывающем участке гена лектина подавляла или заметно уменьшала число растений клевера
инфицированных R. leguminosarum bv. viciae
[van Eijsden et al.
1995]. Инокуляция растений Lotus corniculatus
содержащих ген лектина сои
бактериями Bradyrhizobium japonicum (симбионтами сои) вызывала образование клубенькоподобных структур
[Hirsh et al.
1995]. Инокуляция растений L. corniculatus
трансформированных геном лектина сои Le1
бактериями B. japonicum в присутствии флавоноида генистеина
индуктора nod-генов
увеличивала количество псевдоклубеньков на корнях. Однако дальнейшие исследования показали
что для расширения хозяйской специфичности растений L. corniculatus критичными являются экзополисахариды на поверхности B. japonicum
а не синтез Nod факторов
[van Rhijn et al.
1998]. Лектин гороха
интродуцированный в красный клевер
вызывал формирование псевдоклубеньков на корнях растений при инокуляции не только ризобиями гороха
но и люцерны и чечевицы
[Diaz et al.
2000].
Именно углеводсвязывающий участок лектина определяет его специфичность в отношении того или иного штамма ризобий. В работе Баймиева с соавторами.
[2009] изучалось влияние гибридных лектинов
представляющих собой полноразмерный лектин гороха Pisum sativum (PSL) с углеводсвязывающим участком
замещенным на таковые лектинов донника белого Melilotus albus (PSL/MAL) и астрагала солодколистного Astragalus glycyphyllos (PSL/AGL) на симбиоз бобовых растений с ризобиями. Обработка лектином гороха PSL ризобий R. leguminosarum bv. viciae в ризосфере люцерны M. sativa привела к формированию на корнях данного растения неинфицированных псевдоклубеньков
в то время как обработка гибридным лектином PSL/AGL вызвала у бактерий из клубеньков A. cicer способность образовывать на люцерне инфицированные клубеньки.
Показана возможность колонизации бактериями R. leguminosarum поверхности трансгенных по гену psl корней риса
а также их способность проникать в межклеточное пространство эпидермиса
[Sreevidya et al.
2005].
Ранее в нашей лаборатории уже были получены растения табака
томата и рапса
с трансгенной по гену лектина psl корневой системой. Трансгенные корни были обработаны бактериями гороха посевного
и численность адгезированных бактерий на трансформированных геном лектина корнях оказалась выше
по сравнению с контролем
что доказывало взаимодействие R. leguminosarum с лектином гороха на поверхности трансформированных корней
[Вершинина и др.
2011; Vershinina et al.
2012]. Аналогичные результаты были получены для трансгенных по гену лектина растениях пшеницы
[Vershinina et al.
2013]. Более того
было обнаружено
что колонизация трансгенных по гену лектина корней композитных растений томата
перца и рапса бактериями R. leguminosarum с фунгистатической активностью может способствовать защите растений от фитопатогенных грибов
[Вершинина и др.
2013; Оркодашвили и др.
2013; Благова и др.
2015]. Аналогичные результаты были получены для полностью трансгенных растений томата
[Вершинина и др.
2015].
В ризобии люцерны (S. meliloti) был трансформирован ген dctA
контролирующий активацию транспорта дикарбоновых кислот
в результате возросла нитрогеназная активность бактерий и накопление азота в растениях
но при этом биомасса люцерны изменилась незначительно
[Онищук и др.
2009].
Сверхэкспрессия в косматых корнях фасоли обыкновенной гена RbohB (ген NADPH оксидазы Phaseolus vulgaris) приводила к повышению числа клубеньков и усилению азотфиксирующей активности растения при обработке бактериями R. irregularis или R. tropici
[Arthikala et al.
2014; Arthikala et al.
2015].
Растительные липид-транспортирующие белки (LTP) играют важную роль на начальных этапах симбиоза. Было доказано
что растения M. truncatula со сверхэкспрессией MtN5 гена
который является липид-транспортирующим белком
реагирующим на Nod факторы ризобий
образуют больше клубеньков с S. meliloti.
[Pii et al.
2009; Pii et al.
2010; Pii et al.
2012; Pii et al.
2013].
Трансгенные растения
синтезирующие N-acylhomoserinelactones
могут быть использованы для модуляции процессов
протекающих на начальных этапах симбиоза
в том числе с ризобиями
[Fray et al.
1999; Scott et al.
2006].
Данная глава была бы неполной без упоминания о трансформации растений с целью колонизации другими ростостимулирующими бактериями. Так было показано
что трансгенные растения табака и L. corniculatus с введенными в них генами биосинтеза опинов приобретают способность избирательно поддерживать на своей поверхности рекомбинантные штаммы псевдомонад
содержащие гены катаболизма этих соединений
[Wilson et al.
1995
Savkaand
Farrand
1997; Oger et al.
2000]. Ранее подобные опыты с генами опинов были проведены для штаммов агробактерий на растениях L. corniculatus
[Guyon et al.
1993]. Также ведутся исследования по использованию генов ризопинов в трансгенных растениях для повышения конкурентоспособности ризобиальных микросимбионтов
[Wilson et al.
1995; Murphy
Ryder
1994; Rossbach et al.
1994a; Rossbach et al.
1994b].
Модификация микроорганизмов для повышения эффективности существующих и создания искусственных симбиотических систем
Зачастую в экспериментах по созданию искусственных симбиотических систем небобовых растений с ризобиями используются генетически модифицированные бактерии. В исследовании Nielsen с соавторами
[1993] для инокуляции растений ячменя сорго
риса
эвкалипта
рапса
пшеницы применялись трансконъюгаты ризобий
полученные путем скрещивания в различных комбинациях R. phaseoli
R. lupini
R. cowpealeucaena
R. meliloti
R. trifoli
R. leguminosarum R. meliloti. На обработанных такими бактериями растениях было отмечено образование клубеньков
а так же увеличение сухой массы растений и содержания в них азота. В работе же Rolfe и Bender
[1990] были получены трансгенные ризобии
содержащие ген nodD
реагирующий на вещества
продуцируемые корнями риса. При заражении данными бактериями происходила нодуляция растений.
Ранее было показано
что штаммы R. leguminosarum bv. trifolii
вырабатывающие трифолотоксин
обладают повышенной конкурентоспособностью и образуют больше клубеньков
чем штаммы без данного бактериоцина
[Triplett
1990]. Были получены штаммы R. etli
содержащие гены для синтеза трифолотоксина
выделенные из R. leguminosarum bv. trifolii
что значительно увеличивало конкурентоспособность первых по сравнению с дикими штаммами и повышало образование клубеньков на растениях фасоли
[Robleto et al.
1998]. Также были успешно созданы штаммы Sinorhizobium sp.
вырабатывающие трифолотоксин
[Kent et al.
1998]. Еще один бактериоцин с похожими свойствами описан в работе
[Oresnik et al.
1999].
Увеличение копий генов nifA и dctABD в штаммах R. meliloti приводило к повышению урожайности растений люцерны
[Bosworth et al.
1994; Scupham et al.
1996]. Также перенос плазмид Agrobacterium rhizogenes 15834 в штаммы R. meliloti увеличивало конкурентоспособность данного микросимбионта и приводило к увеличению количества клубеньков на люцерне
[Novikova
Pavlova
1993].
Увеличение копий генов pssA и rosR
участвующих в синтезе экзополисахаридов
в бактериях R. leguminosarum bv. trifolii приводило к увеличению клубенек образующей активности данных микросимбионтов и усиливало конкурентоспособность по сравнению с дикими штаммами
[Janczarek et al.
2009]. Повышение экспрессии гена пролиндегидрогеназы putA в штаммах S. meliloti также приводило к увеличению клубенекобразующей активности данных бактерий в условиях засухи
[Van Dillewijn et al.
2001].
Существует ряд данных
свидетельствующих о возможности использования бактериальных агглютининов для повышения эффективности ризобиальных штаммов
[Ausmees et al.
2001; Mongiardini et al.
2008; Mongiardini et al.
2009]. Ранее в нашей лаборатории для экспериментов по повышению конкурентоспособности и эффективности ризобий был использован ген rapA1 из R. leguminosarum
кодирующий бактериальный агглютинин RapA1. RapA1 - поверхностный Ca2+-связывающий белок
распознающий полисахарид на поверхности бактерий и способствующий бактериальной аутоагглютинации через клеточные полюса. Обеспечив конститутивную экспрессию белка RapA1 у хозяйственно полезных штаммов ризобий
потенциально возможно увеличить их адсорбцию к корням бобовых растений
что позволит повысить эффективность образования клубеньков и будет способствовать формированию биопленки на поверхности корней растений. Ранее нами было показано
что
усилив экспрессию гена адгезина rapA1 в ризобиях R. leguminosarum PVu5
возможно повысить эффективность образования клубеньков на корнях фасоли при инокуляции модифицированным штаммом
[Нигматуллина и др.
2015]. Кроме того белок RapA1 был использован для повышения эффективности формирования симбиотических систем при многокомпонентной инокуляции растений
[Хакимова и др.
2017].
Интересно упомянуть о модификации других бактерий с целью повышения их конкурентоспособности. Например
показано
что экспрессия гена pupA
который является рецептором Fe3+-сидерофорного комплекса штамма P. putida WCS358
в штамме P. putida WCS374 повышает конкурентоспособность данного штамма по отношению P. putida WCS358
[Raaijmakers et al.
1995].
Увеличение числа копий гена сайт-специфичной рекомбиназы sss
выделенной из P. fluorescens WCS365
усиливает колонизацию штаммов F113 и WCS307 на корнях томата
[Dekkers et al.
2000]. Этот ген
играющий важную роль в перестройках ДНК
возможно
позволяет бактериям сохранять стабильность в неблагоприятных условиях.
Искусственный тройной мутант по генам sadB
wsp R and kinB P. fluorescens F113 лучше колонизирует корни растений и обладает лучшей фунгистатической активностью против Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici и Phytophthora cactorum по сравнению с диким штаммом P. fluorescens F113
[Barahona et al.
2011].
Заключение
Для создания искусственных симбиотических систем наиболее перспективным является применение генов
продукты которых непосредственно участвуют в формировании растительно-микробных взаимодействий. Для успешной колонизации корневых волосков штаммы ризобий должны обладать высокой конкурентоспособностью
чтобы соперничать со множеством различных микроорганизмов
обитающих в ризосфере. Поэтому
несомненно
актуально изучение способов повышения конкурентоспособности ризобий
в том числе и с помощью модификации растений
чтобы последние поддерживали на поверхности своих корней лишь определенных микросимбионтов. Бактериальные поверхностные полисахариды и адгезины
растительные лектины и флавоноиды - все эти вещества являются молекулами-посредниками на ранних этапах становления симбиозов между ризобиями и бобовыми растениями. Несомненно
данные вещества являются перспективными инструментами для модификации существующих и создания новых ассоциативных симбиотических систем. Что касается создания новых эндосимбиозов с формированием специализированных симбиотических структур (клубеньков)
то этот вопрос требует дальнейшего изучения
так как в данном случае развитие симбиотической системы связано с согласованной работой множества генов.
Работы по получению трансгенных небобовых растений
способных вступать в симбиоз с ризобиями
как правило
связаны с переносом генов
продукты которых принимают то или иное участие в прикреплении бактерий к корням и образовании клубеньков. Существует патент по созданию трансгенных растений с геном кальций и кальмодулин-зависимой протеинкиназы CCaMK. Данный фермент принимает участие в ранних этапах образования бобово-ризобиального симбиоза и его экспрессия в небобовых растениях может привести к образованию азотфиксирующих клубеньков
[Tirichine
2012].
Проводятся работы по получению растений
вырабатывающих изофлавоноиды. Ключевым ферментом в превращении естественных флавоноидов небобовых растений в изофлавоноиды является изофлавонсинтаза
[Jung et al.
2000]. Были получены растений риса и рапса
продуцирующие данный фермент и впоследствии накапливающие изофлавоноиднарингенин
[Sreevidya et al.
2006; Li et al.
2011].
Интересна работа по переносу нескольких симбиотических генов
а именно MtNFP
MtLYK3
MtDMI1
MtDM2
MtDMI3
MtNSP1 и MtNSP2 из генома Medicago truncatula в клубнику
табак
томат
тополь и арабидопсис. Продукты данных генов принимают участие во взаимодействии с Nod-фактором бактерий. Однако
различимых изменений в морфологии корневых волосков и делении клеток кортекса корня после инокуляции растений Sinorhizobium sp. NGR234 не произошло. Возможно
это связано с тем
что уровень экспрессии данных генов в трансгенных растениях сильно отличался от того
что был в M. truncatula
[Untergasser et al.
2012].
Эксперименты на трансгенных бобовых растениях с чужеродными генами лектинов подтверждают значимость этих гемагглютинирующих белков для формирования бобово-ризобиального симбиоза. Растения клевера белого
вступающего в симбиоз исключительно с Rhizobium leguminosarum bv trifolii
после введения в их геном гена лектина гороха посевного стали способны к неспецифическому клубенькообразованию в присутствии симбионта гороха R. leguminosarum bv. viciae
[Diaz et al.
1989]. Тот же результат был получен на трансгенных по гену лектина гороха растениях люцерны
[van Rhijn et al.
2001]. При этом замена аминокислоты в углеводсвязывающем участке гена лектина подавляла или заметно уменьшала число растений клевера
инфицированных R. leguminosarum bv. viciae
[van Eijsden et al.
1995]. Инокуляция растений Lotus corniculatus
содержащих ген лектина сои
бактериями Bradyrhizobium japonicum (симбионтами сои) вызывала образование клубенькоподобных структур
[Hirsh et al.
1995]. Инокуляция растений L. corniculatus
трансформированных геном лектина сои Le1
бактериями B. japonicum в присутствии флавоноида генистеина
индуктора nod-генов
увеличивала количество псевдоклубеньков на корнях. Однако дальнейшие исследования показали
что для расширения хозяйской специфичности растений L. corniculatus критичными являются экзополисахариды на поверхности B. japonicum
а не синтез Nod факторов
[van Rhijn et al.
1998]. Лектин гороха
интродуцированный в красный клевер
вызывал формирование псевдоклубеньков на корнях растений при инокуляции не только ризобиями гороха
но и люцерны и чечевицы
[Diaz et al.
2000].
Именно углеводсвязывающий участок лектина определяет его специфичность в отношении того или иного штамма ризобий. В работе Баймиева с соавторами.
[2009] изучалось влияние гибридных лектинов
представляющих собой полноразмерный лектин гороха Pisum sativum (PSL) с углеводсвязывающим участком
замещенным на таковые лектинов донника белого Melilotus albus (PSL/MAL) и астрагала солодколистного Astragalus glycyphyllos (PSL/AGL) на симбиоз бобовых растений с ризобиями. Обработка лектином гороха PSL ризобий R. leguminosarum bv. viciae в ризосфере люцерны M. sativa привела к формированию на корнях данного растения неинфицированных псевдоклубеньков
в то время как обработка гибридным лектином PSL/AGL вызвала у бактерий из клубеньков A. cicer способность образовывать на люцерне инфицированные клубеньки.
Показана возможность колонизации бактериями R. leguminosarum поверхности трансгенных по гену psl корней риса
а также их способность проникать в межклеточное пространство эпидермиса
[Sreevidya et al.
2005].
Ранее в нашей лаборатории уже были получены растения табака
томата и рапса
с трансгенной по гену лектина psl корневой системой. Трансгенные корни были обработаны бактериями гороха посевного
и численность адгезированных бактерий на трансформированных геном лектина корнях оказалась выше
по сравнению с контролем
что доказывало взаимодействие R. leguminosarum с лектином гороха на поверхности трансформированных корней
[Вершинина и др.
2011; Vershinina et al.
2012]. Аналогичные результаты были получены для трансгенных по гену лектина растениях пшеницы
[Vershinina et al.
2013]. Более того
было обнаружено
что колонизация трансгенных по гену лектина корней композитных растений томата
перца и рапса бактериями R. leguminosarum с фунгистатической активностью может способствовать защите растений от фитопатогенных грибов
[Вершинина и др.
2013; Оркодашвили и др.
2013; Благова и др.
2015]. Аналогичные результаты были получены для полностью трансгенных растений томата
[Вершинина и др.
2015].
В ризобии люцерны (S. meliloti) был трансформирован ген dctA
контролирующий активацию транспорта дикарбоновых кислот
в результате возросла нитрогеназная активность бактерий и накопление азота в растениях
но при этом биомасса люцерны изменилась незначительно
[Онищук и др.
2009].
Сверхэкспрессия в косматых корнях фасоли обыкновенной гена RbohB (ген NADPH оксидазы Phaseolus vulgaris) приводила к повышению числа клубеньков и усилению азотфиксирующей активности растения при обработке бактериями R. irregularis или R. tropici
[Arthikala et al.
2014; Arthikala et al.
2015].
Растительные липид-транспортирующие белки (LTP) играют важную роль на начальных этапах симбиоза. Было доказано
что растения M. truncatula со сверхэкспрессией MtN5 гена
который является липид-транспортирующим белком
реагирующим на Nod факторы ризобий
образуют больше клубеньков с S. meliloti.
[Pii et al.
2009; Pii et al.
2010; Pii et al.
2012; Pii et al.
2013].
Трансгенные растения
синтезирующие N-acylhomoserinelactones
могут быть использованы для модуляции процессов
протекающих на начальных этапах симбиоза
в том числе с ризобиями
[Fray et al.
1999; Scott et al.
2006].
Данная глава была бы неполной без упоминания о трансформации растений с целью колонизации другими ростостимулирующими бактериями. Так было показано
что трансгенные растения табака и L. corniculatus с введенными в них генами биосинтеза опинов приобретают способность избирательно поддерживать на своей поверхности рекомбинантные штаммы псевдомонад
содержащие гены катаболизма этих соединений
[Wilson et al.
1995
Savkaand
Farrand
1997; Oger et al.
2000]. Ранее подобные опыты с генами опинов были проведены для штаммов агробактерий на растениях L. corniculatus
[Guyon et al.
1993]. Также ведутся исследования по использованию генов ризопинов в трансгенных растениях для повышения конкурентоспособности ризобиальных микросимбионтов
[Wilson et al.
1995; Murphy
Ryder
1994; Rossbach et al.
1994a; Rossbach et al.
1994b].
Модификация микроорганизмов для повышения эффективности существующих и создания искусственных симбиотических систем
Зачастую в экспериментах по созданию искусственных симбиотических систем небобовых растений с ризобиями используются генетически модифицированные бактерии. В исследовании Nielsen с соавторами
[1993] для инокуляции растений ячменя сорго
риса
эвкалипта
рапса
пшеницы применялись трансконъюгаты ризобий
полученные путем скрещивания в различных комбинациях R. phaseoli
R. lupini
R. cowpealeucaena
R. meliloti
R. trifoli
R. leguminosarum R. meliloti. На обработанных такими бактериями растениях было отмечено образование клубеньков
а так же увеличение сухой массы растений и содержания в них азота. В работе же Rolfe и Bender
[1990] были получены трансгенные ризобии
содержащие ген nodD
реагирующий на вещества
продуцируемые корнями риса. При заражении данными бактериями происходила нодуляция растений.
Ранее было показано
что штаммы R. leguminosarum bv. trifolii
вырабатывающие трифолотоксин
обладают повышенной конкурентоспособностью и образуют больше клубеньков
чем штаммы без данного бактериоцина
[Triplett
1990]. Были получены штаммы R. etli
содержащие гены для синтеза трифолотоксина
выделенные из R. leguminosarum bv. trifolii
что значительно увеличивало конкурентоспособность первых по сравнению с дикими штаммами и повышало образование клубеньков на растениях фасоли
[Robleto et al.
1998]. Также были успешно созданы штаммы Sinorhizobium sp.
вырабатывающие трифолотоксин
[Kent et al.
1998]. Еще один бактериоцин с похожими свойствами описан в работе
[Oresnik et al.
1999].
Увеличение копий генов nifA и dctABD в штаммах R. meliloti приводило к повышению урожайности растений люцерны
[Bosworth et al.
1994; Scupham et al.
1996]. Также перенос плазмид Agrobacterium rhizogenes 15834 в штаммы R. meliloti увеличивало конкурентоспособность данного микросимбионта и приводило к увеличению количества клубеньков на люцерне
[Novikova
Pavlova
1993].
Увеличение копий генов pssA и rosR
участвующих в синтезе экзополисахаридов
в бактериях R. leguminosarum bv. trifolii приводило к увеличению клубенек образующей активности данных микросимбионтов и усиливало конкурентоспособность по сравнению с дикими штаммами
[Janczarek et al.
2009]. Повышение экспрессии гена пролиндегидрогеназы putA в штаммах S. meliloti также приводило к увеличению клубенекобразующей активности данных бактерий в условиях засухи
[Van Dillewijn et al.
2001].
Существует ряд данных
свидетельствующих о возможности использования бактериальных агглютининов для повышения эффективности ризобиальных штаммов
[Ausmees et al.
2001; Mongiardini et al.
2008; Mongiardini et al.
2009]. Ранее в нашей лаборатории для экспериментов по повышению конкурентоспособности и эффективности ризобий был использован ген rapA1 из R. leguminosarum
кодирующий бактериальный агглютинин RapA1. RapA1 - поверхностный Ca2+-связывающий белок
распознающий полисахарид на поверхности бактерий и способствующий бактериальной аутоагглютинации через клеточные полюса. Обеспечив конститутивную экспрессию белка RapA1 у хозяйственно полезных штаммов ризобий
потенциально возможно увеличить их адсорбцию к корням бобовых растений
что позволит повысить эффективность образования клубеньков и будет способствовать формированию биопленки на поверхности корней растений. Ранее нами было показано
что
усилив экспрессию гена адгезина rapA1 в ризобиях R. leguminosarum PVu5
возможно повысить эффективность образования клубеньков на корнях фасоли при инокуляции модифицированным штаммом
[Нигматуллина и др.
2015]. Кроме того белок RapA1 был использован для повышения эффективности формирования симбиотических систем при многокомпонентной инокуляции растений
[Хакимова и др.
2017].
Интересно упомянуть о модификации других бактерий с целью повышения их конкурентоспособности. Например
показано
что экспрессия гена pupA
который является рецептором Fe3+-сидерофорного комплекса штамма P. putida WCS358
в штамме P. putida WCS374 повышает конкурентоспособность данного штамма по отношению P. putida WCS358
[Raaijmakers et al.
1995].
Увеличение числа копий гена сайт-специфичной рекомбиназы sss
выделенной из P. fluorescens WCS365
усиливает колонизацию штаммов F113 и WCS307 на корнях томата
[Dekkers et al.
2000]. Этот ген
играющий важную роль в перестройках ДНК
возможно
позволяет бактериям сохранять стабильность в неблагоприятных условиях.
Искусственный тройной мутант по генам sadB
wsp R and kinB P. fluorescens F113 лучше колонизирует корни растений и обладает лучшей фунгистатической активностью против Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici и Phytophthora cactorum по сравнению с диким штаммом P. fluorescens F113
[Barahona et al.
2011].
Заключение
Для создания искусственных симбиотических систем наиболее перспективным является применение генов
продукты которых непосредственно участвуют в формировании растительно-микробных взаимодействий. Для успешной колонизации корневых волосков штаммы ризобий должны обладать высокой конкурентоспособностью
чтобы соперничать со множеством различных микроорганизмов
обитающих в ризосфере. Поэтому
несомненно
актуально изучение способов повышения конкурентоспособности ризобий
в том числе и с помощью модификации растений
чтобы последние поддерживали на поверхности своих корней лишь определенных микросимбионтов. Бактериальные поверхностные полисахариды и адгезины
растительные лектины и флавоноиды - все эти вещества являются молекулами-посредниками на ранних этапах становления симбиозов между ризобиями и бобовыми растениями. Несомненно
данные вещества являются перспективными инструментами для модификации существующих и создания новых ассоциативных симбиотических систем. Что касается создания новых эндосимбиозов с формированием специализированных симбиотических структур (клубеньков)
то этот вопрос требует дальнейшего изучения
так как в данном случае развитие симбиотической системы связано с согласованной работой множества генов.
- Благова Д.К.Вершинина З.Р.Нигматуллина Л.Р.Лавина А.М.Баймиев Ан.ХБаймиев Ал.Х. Искусственные ассоциативные симбиозы между томатом и ризобиямиобладающими фунгистатической активностью // Сельскохозяйственная биология. 2015. Т. 50. С. 107-114.
- Вершинина З.Р.Баймиев Ан.Х.Благова Д.К.Князев А.В.Баймиев Ал.Х.Чемерис А.В. Биоинженерия симбиотических систем: создание новых ассоциативных симбиозов с помощью лектинов на примере табака и рапса // Прикладная биохимия и микробиология. 2011. Т. 47. С. 336-342.
- Вершинина З.Р.Благова Д.К.Нигматуллина Л.Р.Лавина А.М.Баймиев Ал.Х.Чемерис А.В. Ассоциативный симбиоз трансгенных томатов с ризобиями повышает устойчивость растений к Fusarium oxysporum f. sp lycopersici // Биотехнология. 2015. № 3. С. 42-53.
- Вершинина З.Р.Нигматуллина Л.Р.Благова Д.К.Оркодашвили А.М.Баймиев Ал.Х. Искусственная ассоциативная симбиотическая система рапса с ризобиями для защиты от фитопатогенов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т.15. С. 1579-1582.
- Нигматуллина Л.Р.Лавина А.М.Вершинина З.Р.Баймиев Ал.Х. Вклад бактериального адгезина RapA1 в эффективность формирования симбиоза Rhizobium leguminosarum с растениями фасоли // Микробиология. Т. 84. 2015. С. 705–711.
- Онищук О.ПВоробьев Н.И.Проворов Н.А.Симаров Б.В. Симбиотическая активность ризобий люцерны (Sinorhizobium meliloti) с генетическими модификациями системы транспорта дикарбоновых кислот // Экологическая генетика. 2009. Т. 7. С. 3-10.
- Оркодашвили А.М.Вершинина З.Р.Нигматуллина Л.Р.Лутфуллин А. З.Баймиев Ал.Х. Создание новых ассоциативных симбиозов между сладким перцем и ризобиямиобладающими фунгистатической активностью // Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием "Современные проблемы биохимии и биотехнологии". Уфа. 2013. С. 143-147. ISBN 978-5-7477-3307-7.
- Хакимова Л.Р.Лавина А.М.Вершинина З.Р.Баймиев А.Х. Использование штаммов-продуцентов адгезина RapA1 из Rhizobium leguminosarum для создания бинарных биоудобрений // Прикладная биохимия и микробиология. 2017. Т. 53. С. 400-405.
- Arthikala M.-K.Nava N.Quinto C. Effect of Rhizobium and arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on electrolyte leakage in Phaseolus vulgaris roots overexpressing RbohB // Plant Signal Behav. 2015. V. 10:e1011932 DOI:10.1080/15592324.2015.1011932
- Arthikala M.K.Sanchez-Lopez R.Nava N.Santana O.Cardenas L.Quinto C.Rboh B. A Phaseolus vulgaris NADPH oxidase geneenhances symbiosome numberbacteroid sizeand nitrogen fixation in nodules and impairs mycorrhizal colonization // New Phytologist. 2014. V. 202. P. 886-900. DOI:10.1111/nph.12714
- Ausmees N.Jacobsson K.Lindberg M. A unipolarly locatedcell-surface-associated agglutinin RapA belongs to a family of Rhizobium-adhering proteins (Rap) in Rhizobium leguminosarum bv. trifolii. Microbiology. 2001. V. 147. P. 549–559. DOI:10.1099/00221287-147-3-549
- Barahona E.Navazo A.Martínez-Granero F.Zea-Bonilla T.Pérez-Jiménez R.M.Martín M. and Rivilla R. Pseudomonas fluorescens F113 mutant with enhanced competitive colonization ability and improved biocontrol activity against fungal root pathogens // Appl. Environ. Microbiol. 2011. V. 77. P. 5412-5419. DOI:10.1128/AEM.00320-11
- Bosworth A.H.Williams M.K.Albrecht K.A.Kwiatwoski R.Beynon J.Hankinson T.R.Ronson C.W.Cannon F.Wacek T.J.Triplett E.W. Alfalfa yield response to inoculation with recombinant strains of Rhizobium meliloti with an extra copy of dctABD and/or modified nifA expression // Appl. Environ. Microbiol. 1994. V. 60. P. 3815–3832.
- Dekkers L.C.Mulders I.H.Phoelich C.C.Chin-A-Woeng T.F.Wijfjes A.H.Lugtenberg B.J. The sss colonization gene of the tomato-Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici biocontrol strain Pseudomonas fluorescens WCS365 can improve root colonization of other wild-type Pseudomonas spp. bacteria // Mol. Plant Microbe Interact. 2000. V. 13. P. 1177-1183. DOI:10.1094/MPMI.2000.13.11.1177
- Diaz C.L.Melchers L.S.Hooykaas P.J.J.Lugtenberg B.J.J.Kijne J.W. Root lectin as a determinant of host-plant specificity in the Rhizobium-legume symbiosis // Nature. 1989. V. 338. P. 579–581. DOI:10.1038/338579a0
- Díaz C.L.Spaink H.P.Kijne J.W. Heterologous rhizobial lipochitin oligosaccharides and chitin oligomers induce cortical cell divisions in red clover rootstransformed with the pea lectin gene // Mol. Plant Microbe Interact. 2000. V. 13. P. 268–276. DOI:10.1094/MPMI.2000.13.3.268
- Fray R.G.Throup J.P.Daykin M.Wallace A.Williams P.Stewart G.S.Grierson D. Plants genetically modified to produce N-acylhomoserine lactones communicate with bacteria // Nat. Biotechnol. 1999. V. 171. P. 1017–1020. DOI:10.1038/13717
- Guyon P.Petit A.Tempé J.Dessaux Y. Transformed plants producing opines specifically promote growth of opine-degrading agrobacteria // Mol. Plant Microbe Interact. 1993. V. 6. P. 92–98. DOI:10.1094/MPMI-6-092
- Hirsch A.M.Brill L.M.Lim P.O.Scambray J.van Rhijn P. Steps toward defining the role of lectins in nodule development in legumes // Symbiosis. 1995. V. 19. P. 155–173.
- Janczarek M.Jaroszuk-Ściseł J.Skorupska A. Multiple copies of rosR and pssA genes enhance exopolysaccharide productionsymbiotic competitiveness and clover nodulation in Rhizobium leguminosarum bv. trifolii // Antonie Van Leeuwenhoek. 2009. V. 96. P. 471–486. DOI:10.1007/s10482-009-9362-3
- Jung W.Yu O.Lau C.S.M.O’Keefe D.P.Odell J.Fader G.McGonigle B. Identification and expression of isoflavone synthasethe key enzyme for biosynthesis of isoflavones in legumes // Nat Biotechnol. 2000. V. 18. P. 208–212. DOI:10.1038/72671
- Kent A.D.Wojtasiak M.L.Robleto E.A.Triplett E.W. A transposable partitioning locus used to stabilize plasmid-borne hydrogen oxidation and trifolitoxin production genes in a Sinorhizobium strain // Appl. Environ. Microbiol. 1998. V. 64. P. 1657-1662.
- Li X.Qin J.C.Wang Q.Y.Wu X.Lang C.Y.Pan H.Y.Gruber M.Y.Gao M.J. Metabolic engineering of isoflavonegenistein in Brassica napus with soybean isoflavone synthase // Plant Cell Rep. 2011. V. 30. P. 1435-1442. DOI:10.1007/s00299-011-1052-8
- Mongiardini E. J.Perez-gimenez J.Althabegoiti M. J.Covelli J.Quelas J. I.Lopez-garcia S. L.Lodeiro A. Overproduction of the rhizobial adhesin RapA1 increases competitiveness for nodulation // Soil Biol. Biochem. 2009. V. 41. P. 2017–2020. DOI:10.1016/j.soilbio.2009.06.014
- Mongiardini E.J.Ausmees N.Perez-Gimenez J. The rhizobial adhesion protein RapA1 is involved inadsorption of rhizobia to plant roots but not in nodulation // FEMS Microbiol. Ecol. 2008. V. 65. P. 279–288. DOI:10.1111/j.1574-6941.2008.00467.x
- Murphy P.J.Ryder M.H. The use of rhizopines for artificial rhizosphere colonization. In: Improving plant productivity with rhizosphere bacteria. Ed.by M.H. RyderP.M. Stephens and G.D. Bowen. Commonwealth Scientific and Industrial Research OrganisationGlen OsmondAustralia. 1994. P. 251–253.
- Nielsen S.E. and Sorensen G.M. Rhizobia transformants which symbiotically fixes nitrogen in non-legumesa material for treating seeds of a non-legume plantnon-legume seedsa non legume plant and a method for producing. U.S. Patent N. 5,229,291. 20 Jul. 1993.
- Novikova N.I. and Pavlova E.A. Enhanced competitiveness for nodulation of Medicago sativa by Rhizobium meliloti transconjugant sharbouring the root-inducing plasmids of Agrobacterium rhizogenes strain 15834 // FEMS Microbiology Ecology. 1993. V. 12. P. 61-68. DOI:10.1111/j.1574-6941.1993.tb00017.x
- Oger P.Mansouri H.Dessaux Y. Effect of crop rotation and soil cover on alteration of the soil microflora generated by the culture of transgenic plants producing opines // Mol. Ecol. 2000. V. 9. P. 881-890. DOI:10.1046/j.1365-294x.2000.00940.x
- Oresnik I.J.Twelker S.Hynes M.F. Cloning and characterization of a Rhizobium leguminosarum gene encoding a bacteriocin with similarities to RTX toxins // Appl. Environ. Microbiol. 1999. V. 65. P. 2833-2840.
- Pii Y.Astegno A.Peroni E.Pandolfini T.Crimi M. The Medicago truncatula N5 gene encoding a root-specific lipid transfer protein is required for the symbiotic interaction with Sinorhizobium meliloti // Mol. Plant Microbe. Interact. 2009. V. 22. P. 1577-1587. DOI:10.1094/MPMI-22-12-1577
- Pii Y.Molesini B.Masiero S.Pandolfini T. The nonspecific lipid transfer protein N5 of Medicago truncatula is implicated in epidermal stages of rhizobium-host interaction // BMC Plant Biology. 2012. V. 12. P. 233. DOI:10.1186/1471-2229-12-233
- Pii Y.Molesini B.Pandolfini T. The involvement of Medicago truncatula non-specific lipid transfer protein N5 in the control of rhizobial infection // Plant Signal Behav. 2013. V. 8. DOI:10.4161/psb.24836
- Pii Y.Pandolfini T.Crimi M. Signaling LTPs: a new plant LTPs sub-family? // Plant Signal Behav. 2010. V. 5. P.594-597. DOI:10.4161/psb.11499
- Raaijmakers J.M.van der Sluis I.Koster M.Bakker P.A.H.M.Weisbeek P.J.Schippers B. Utilization of heterologous siderophores and rhizosphere competence of fluorescent Pseudomonas spp. // Can. J. Microbiol. 1995. N. 41. P. 126-135. DOI:10.1139/m95-017
- Robleto E.A.Kmiecik K.Oplinger E.S.Nienhuis J.Triplett E.W. Trifolitoxin production increases nodulation competitiveness of Rhizobium etli CE3 under agricultural conditions // Appl. Environ. Microbiol. 1998. V. 64. P. 2630-2633.
- Rolfe В.G.Bender G.L. Evolving a Rhizobium for non-legume nodulation. In: Nitrogen fixation: Achievements and objectives. Ed.by P.M. Gresshofl L.E. Rolh. G. Stacey and W.E. Newton. Chapman and HallNew York. 1990. P. 329-339. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4684-6432-0_65
- Rossbach S.McSpadden B.Kulpa D.LeTinevez R.Rasul G.Schneider M. and de Bruijn F. J. Use of rhizopine synthesis and catabolism genes to create biased rhizospheres. In: Abstracts of the 7th International Symposium on Molecular Plant-Microbe Interactions. Edinburgh. 1994.
- Rossbach S.McSpadden B.Kulpa D.Rasul G.Ganoff M.and de Bruijn F. J. Use of rhizopine synthesis and catabolism genes to monitor soil bacteria and to create biased rhizospheres // Mol. Ecol. 1994. V. 3. P. 610–611.
- Savka M.A.Farrand S.K. Modification of rhizobacterial populations by engineering bacterium utilization of a novel plant-produced resource // Nat. Biotechnol. 1997. V. 15. P. 363-368. DOI:10.1038/nbt0497-363
- Scott R.A.Weil J.Le P.T.Williams P.Fray R.G.von Bodman S.B.Savka M.A. Long- and short-chain plant-produced bacterial N-acyl-homoserine lactones become components of phyllosphererhizosphereand soil // Mol. Plant Microbe. Interact. 2006. V. 19. P. 227–239. DOI:10.1094/MPMI-19-0227
- Scupham A.J.Bosworth A.H.Ellis W.R.Wacek T.J.Albrecht K.A.Triplett E.W. Inoculation with Sinorhizobium meliloti RMBPC-2 increases alfalfa yield compared with inoculation with a non-engineered wild-type strain // Appl. Environ. Microbiol. 1996. V. 62. P. 4260–4262.
- Sreevidya V.S.Hernandez-Oane R.J.So R.B.Sullia S.B.Stacey G.Ladha J.K.Reddy P.M. Expression of the legume symbiotic lectin genes psl and gs52 promotes rhizobial colonization of roots in rice // Plant Sci. 2005. V. 169. P. 726–736. DOI:10.1016/j.plantsci.2005.05.024
- Sreevidya V.S.Srinivasa Rao C.Sullia S.B.Ladha J.K.Reddy P.M. Metabolic engineering of rice with soybean isoflavone synthase for promoting nodulation gene expression in rhizobia // J. Exp. Bot. 2006. V. 57. P. 1957-1969. DOI:10.1093/jxb/erj143
- Tirichine L.Jensen J.S.Sandal N.Madsen L.H. Spontaneous nodulation in plants. U.S. Patent N. 8,273,955. 25 Sep. 2012.
- Triplett E.W. Construction of a symbiotically effective strain of Rhizobium leguminosarum bv. trifolii with increased nodulation competitiveness // Appl. Environ. Microbiol.1990. V.56. P. 98–103.
- Untergasser A.Bijl G.J.Liu W.Bisseling T.Schaart J.G.Geurts R. One-step Agrobacterium mediated transformation of eight genes essential for Rhizobium symbiotic signaling using the novel binary vector system pHUGE // PLoS One. 2012. V. 7. e47885. DOI:10.1371/journal.pone.0047885.
- van Dillewijn P.Soto M.J.Villadas P.J.Toro N. Construction and environmental release of a Sinorhizobium meliloti strain genetically modified to be more competitive for alfalfa nodulation // Appl. Environ. Microbiol. 2001.V. 67. P. 3860-3865. DOI:10.1128/AEM.67.9.3860–3865.2001
- van Eijsden R.R.Díaz C.L.de Pater B.S.Kijne J.W. Sugar-binding activity of pea (Pisum sativum) lectin is essential for heterologous infection of transgenic white clover hairy roots by Rhizobium leguminosarum bv. viciae // Plant Mol. Biol. 1995. V. 29. P. 431–439. DOI:10.1007/BF00020975
- van Rhijn P.Fujishige N.A.Lim P.O.Hirsch A.M. Sugar-binding activity of pea lectin enhances heterologous infection of transgenic alfalfa plants by Rhizobium leguminosarum bv. viciae // Plant Physiol. 2001. V. 126. P. 133–144 DOI:10.1104/pp.126.1.133
- van Rhijn P.Goldberg R.B.Hirsch A.M. Lotus corniculatus nodulation specificity is changed by the presence of a soybean lectin gene // Plant Cell. 1998. V. 10. P. 1233–1250. DOI:10.1105/tpc.10.8.1233
- Vershinina Z.R.Baymiev An.K.Baymiev Al.K. and Chemeris A.V. A tool for creation artificial symbiotic associations of wheat // WASET. 2013. V. 75. P. 157-159.
- Vershinina Z.R.Baymiev An.K.Blagova D.K.Chubukova O.V.Baymiev Al.K.Chemeris A.V. Artificial colonization of non-symbiotic plants roots with the use of lectins // Symbiosis. 2012. V. 56. P. 25-33. DOI:10.1007/s13199-012-0156-4
- Wilson MSavka MAHwang IFarrand SKLindow SE. Altered epiphytic colonization of mannityl opine-producing transgenic tobacco plants by a mannityl opine-catabolizing strain of Pseudomonas syringae // Appl Environ Microbiol. 1995. V. 61. P. 2151–2158.