Полиморфизм и эволюция ризобий козлятника (Neorhizobium galegae)
Авторы:
Название:
Полиморфизм и эволюция ризобий козлятника (Neorhizobium galegae)
Страницы:
327-331
Ризобии козлятника (Neorhizobium galegae) – удобная модель для изучения эволюции и видообразования у симбиотических бактерий. Этот вид ризобий состоит из двух биотипов (bv. orientalis, bv. officinalis), которые образуют N2-фиксирующие клубеньки с разными видами козлятника (Galega orientalis, G. officinalis), тогда как перекрестная инокуляция между ними приводит к образованию клубеньков, лишенных нитрогеназной активности. Мы изучили нуклеотидный полиморфизм 11 штаммов N. galegae, выделенных из экосистем Северного Кавказа, где G. orientalis характеризуется гораздо более высоким разнообразием, чем G. officinalis. Оказалось, что как для симбиотически специализированных плазмидных sym-генов, контролирующих образование клубеньков (nod) и N2-фиксацию (nif/fix), так и для симбиотически неспециализированных хромосомных генов, кодирующих разнородные клеточные функции, полиморфизм у bv. orientalis выше, чем у bv. officinalis, что указывает на ведущую роль растений-хозяев в эволюции этих симбионтов. Дивергенция bv. orientalis и bv. officinalis по nif/fix-генам выражена сильнее, чем по nod-генам и по “несимбиотическим” генам, указывая на ключевую роль хозяин-специфичной N2-фиксации в эволюции N. galegae.
Симбиотические бактерии характеризуются высокой скоростью эволюции, индуцируемой растениями-хозяевами и определяющей пластичность микробных геномов. Их эволюция приводит к формированию кластеров симбиотических генов, которые наиболее подробно изучены у клубеньковых бактерий (ризобий) [Проворов и др. (Provorov et al.) 2016]. Для изучения закономерностей и механизмов эволюции симбиотических (sym) генов мы использовали в качестве модели клубеньковые бактерии Neorhizobium galegae, азотфиксирующие симбионты козлятника – рода многолетних травянистых бобовых, включающего два вида: козлятник восточный (Galega orientalis) и лекарственный (G. officinalis). Вид N. galegae разделяют 2 биотипа – bv. orientalis и bv. officinalis, фиксирующие азот в симбиозе только с растениями “своего” вида, а при инокуляции гетерологичного хозяина образующих недоразвитые клубеньки, лишенные нитрогеназной активности [Andronov et al., 2003]. В связи с этим, логично предположить, что дивергенция bv. orientalis и bv. officinalis по генам N2-фиксации (nif/fix) выражена сильнее, чем по генам образования клубеньков (nod).
Для проверки этого предположения мы изучили нуклеотидный полиморфизм двух групп генов: 1) специфически участвующих в симбиозе и экспрессирующихся только при взаимодействии с хозяевами sym-генов (входят в состав акцессорной части генома, имеют внехромосомную локализацию); 2) не связанных специфически с симбиозом генов, кодирующих разнообразные клеточные функции (входят в состав корового генома, расположены в хромосоме).
Для сравнительного анализа были выбраны три несцепленных участка бактериального генома – два хромосомных и плазмидный. Гены в участках хромосомы не являются специфичными для симбиоза и выполняют разнородные функции. Симбиотический регион, расположенный на Sym-плазмиде, содержит гены, функционирующие только при взаимодействии с хозяевами. Эти гены определяют два признака: образование клубеньков (nod) и фиксацию азота (nif/fix), то есть они функционально более однородны, чем “несимбиотические” гены.
Таблица 1.
Сравнение нуклеотидного полиморфизма (p-distance) разных групп генов у двух биотипов Neorhizobium galegae
Table 1. The comparison of nucleotide polymorphism (p-distance) of different gene groups in two biovars of Neorhizobium galegae
Биотипы ризобий Rhizobial biovarsГруппы генов / Gene groupst-Стьюдента (для сравнения групп генов)* t-Student (for comparison of gene groups)*
Симбиотически специализированные (плазмидные) Symbiologically specialized (plasmid)Несимбиотические (хромосомные) Non-symbiotic (chromosomal)
orientalis0,0041±0,00030,0520±0,001535,90
officinalis0,0010±0,00010,0056±0,000411,16
t-Стьюдента (для сравнения биотипов)* t-Student (for comparison of biovars)*9,8029,89
*Все различия достоверны при P0 меньше 0,01
*All differences are significant for P0 меньше 0.01
Рисунок 1. Сравнительный анализ нуклеотидного полиморфизма (p-distance) симбиотических и несимбиотических генов ризобий козлятника Neorhizobium galegae. А – несимбиотические (хромосомные) гены. Б – симбиотические (плазмидные) гены. В – дивергенция биотипов ризобий козлятника (bv. orientalis и bv. officinalis) по величине p-distance для разных групп генов (1 – несимбиотические,
2 – гены образования клубеньков, 3 – гены N2-фиксации).
Figure 1. The nucleotide polymorphism (p-distance) comparative analysis of symbiotic and non-symbiotic genes of goat's rhizobium Neorhizobium galegae.
A - non-symbiotic (chromosomal) genes. B - symbiotic (plasmid) genes. C – the biotype divergence of goat's rhizobium (bv. orientalis and bv. officinalis)
in p-distance for different groups of genes (1 - non-symbiotic, 2 - nodule formation genes, 3 - N2-fixation genes).
В ходе анализа было показано, что нуклеотидный полиморфизм как симбиотических, так и несимбиотических генов у bv. orientalis выше, чем у bv. officinalis (табл. 1; рис. 1А, 1Б). На филогенетических деревьях эти биотипы образуют два кластера (данные не приводятся). Таким образом наиболее разнообразному растению-хозяину соответствует наиболее разнообразный симбионт, что согласуется с ранее полученными результатами анализа геномных AFLP-фингерпринтов [Andronov et al., 2003; Osterman et al., 2011].
Крайне интересная тенденция прослеживается при анализе различий между bv. orientalis и bv. officinalis по разным группам генов: наибольшая дивергенция биотипов наблюдается по генам фиксации азота (nif/fix), тогда как по nod-генам различия минимальные (рис. 1В). Эти данные согласуются с фенотипическими различиями биотипов, выявляемыми при перекрёстной инокуляции, указывая на ключевую роль хозяин-специфичной азотфиксации в дивергентной эволюции вида N. galegae. Ранее было показано, что для биотипов вида Rhizobium leguminosarum характерна глубокая дивергенция по генам клубенькообразования, связанная с тем, что bv. viciae образует клубеньки на вике, горохе и чине, а bv. trifolii – на клевере, тогда как перекрестная инокуляция между ними не приводит к образованию клубеньков [Андронов и др. (Andronov et al.), 2015]. Четких различий этих биотипов по генам коровой части генома выявлено не было [Kumar et al., 2015]. Можно предположить, что генетические механизмы дивергентной эволюции у видов R. leguminosarum и N. galegae существенно различаются.
Для проверки этого предположения мы изучили нуклеотидный полиморфизм двух групп генов: 1) специфически участвующих в симбиозе и экспрессирующихся только при взаимодействии с хозяевами sym-генов (входят в состав акцессорной части генома, имеют внехромосомную локализацию); 2) не связанных специфически с симбиозом генов, кодирующих разнообразные клеточные функции (входят в состав корового генома, расположены в хромосоме).
Для сравнительного анализа были выбраны три несцепленных участка бактериального генома – два хромосомных и плазмидный. Гены в участках хромосомы не являются специфичными для симбиоза и выполняют разнородные функции. Симбиотический регион, расположенный на Sym-плазмиде, содержит гены, функционирующие только при взаимодействии с хозяевами. Эти гены определяют два признака: образование клубеньков (nod) и фиксацию азота (nif/fix), то есть они функционально более однородны, чем “несимбиотические” гены.
Таблица 1.
Сравнение нуклеотидного полиморфизма (p-distance) разных групп генов у двух биотипов Neorhizobium galegae
Table 1. The comparison of nucleotide polymorphism (p-distance) of different gene groups in two biovars of Neorhizobium galegae
Биотипы ризобий Rhizobial biovarsГруппы генов / Gene groupst-Стьюдента (для сравнения групп генов)* t-Student (for comparison of gene groups)*
Симбиотически специализированные (плазмидные) Symbiologically specialized (plasmid)Несимбиотические (хромосомные) Non-symbiotic (chromosomal)
orientalis0,0041±0,00030,0520±0,001535,90
officinalis0,0010±0,00010,0056±0,000411,16
t-Стьюдента (для сравнения биотипов)* t-Student (for comparison of biovars)*9,8029,89
*Все различия достоверны при P0 меньше 0,01
*All differences are significant for P0 меньше 0.01
Рисунок 1. Сравнительный анализ нуклеотидного полиморфизма (p-distance) симбиотических и несимбиотических генов ризобий козлятника Neorhizobium galegae. А – несимбиотические (хромосомные) гены. Б – симбиотические (плазмидные) гены. В – дивергенция биотипов ризобий козлятника (bv. orientalis и bv. officinalis) по величине p-distance для разных групп генов (1 – несимбиотические,
2 – гены образования клубеньков, 3 – гены N2-фиксации).
Figure 1. The nucleotide polymorphism (p-distance) comparative analysis of symbiotic and non-symbiotic genes of goat's rhizobium Neorhizobium galegae.
A - non-symbiotic (chromosomal) genes. B - symbiotic (plasmid) genes. C – the biotype divergence of goat's rhizobium (bv. orientalis and bv. officinalis)
in p-distance for different groups of genes (1 - non-symbiotic, 2 - nodule formation genes, 3 - N2-fixation genes).
В ходе анализа было показано, что нуклеотидный полиморфизм как симбиотических, так и несимбиотических генов у bv. orientalis выше, чем у bv. officinalis (табл. 1; рис. 1А, 1Б). На филогенетических деревьях эти биотипы образуют два кластера (данные не приводятся). Таким образом наиболее разнообразному растению-хозяину соответствует наиболее разнообразный симбионт, что согласуется с ранее полученными результатами анализа геномных AFLP-фингерпринтов [Andronov et al., 2003; Osterman et al., 2011].
Крайне интересная тенденция прослеживается при анализе различий между bv. orientalis и bv. officinalis по разным группам генов: наибольшая дивергенция биотипов наблюдается по генам фиксации азота (nif/fix), тогда как по nod-генам различия минимальные (рис. 1В). Эти данные согласуются с фенотипическими различиями биотипов, выявляемыми при перекрёстной инокуляции, указывая на ключевую роль хозяин-специфичной азотфиксации в дивергентной эволюции вида N. galegae. Ранее было показано, что для биотипов вида Rhizobium leguminosarum характерна глубокая дивергенция по генам клубенькообразования, связанная с тем, что bv. viciae образует клубеньки на вике, горохе и чине, а bv. trifolii – на клевере, тогда как перекрестная инокуляция между ними не приводит к образованию клубеньков [Андронов и др. (Andronov et al.), 2015]. Четких различий этих биотипов по генам коровой части генома выявлено не было [Kumar et al., 2015]. Можно предположить, что генетические механизмы дивергентной эволюции у видов R. leguminosarum и N. galegae существенно различаются.
- Андронов Е.Е., Иголкина А.А., Кимеклис А.К., Воробьев Н.И., Проворов Н.А. Характеристика естественного отбора в популяциях клубеньковых бактерий (Rhizobium leguminosarum), взаимодействующих с различными видами растений-хозяев. Генетика. 2015. Т. 51(10). С.1108–1116. doi:10.7868/S0016675815100021 @@ Andronov E.E., Igolkina A.A., Kimeklis A.K., Vorobyov N.I., Provorov N.A. Kharakteristika estestvennogo otbora v populyaciyah kluben'kovyh bakterij (Rhizobium leguminosarum), vzaimodeystvuyushchikh s razlichnymi vidami rasteniy-hozyaev." Genetics. 2015. P. 51, No. 10, p. 1108-1116 (in Russian) [Characteristic of natural selection in populations of nodule bacteria (Rhizobium leguminosarum) interacting with different species of host plants]
- Проворов Н., Тихонович И., Андронов Е.Е. и др. Генетические основы эволюции бактерий – симбионтов растений. СПб: изд-во Информ-Навигатор, 2016. @@ Provorov N.A., Tikhonovich I., Andronov E. et al. Geneticheskie osnovy evolutsii bacteriy – simbiontov rasteniy. SPb: izd-vo Inform-Navigator, 2016. (in Russian) [Genetic bases of the evolution of bacteria - plant symbionts]
- Andronov E.E., Terefework Z., Roumiantseva M.L., Dzyubenko N.I., Onichtchouk O.P., Kurchak O.N., Dresler-Nurmi A., Young J.P.W., Simarov B.V., Lindström K. Symbiotic and genetic diversity of Rhizobium galegae isolates collected from the Galega orientalis gene center in the Caucasus. Applied and Environmental Microbiology. 2003. V. 69, P. 1067-1074. doi:10.1128/AEM.69.2.1067-1074.2003
- Kumar N., Lad G., Giuntini E., Kaye M.E., Udomwong P., Shamsani N.J., Young J.P.W., Bailly X. Bacterial genospecies that are not ecologically coherent: population genomics of Rhizobium leguminosarum. Open Biol. 2015.V. 5:140133. doi:10.1098/rsob.140133
- Osterman J., Chizhevskaya E.P., Andronov E.E., Fewer D.P., Terefework Z., Roumiantseva M.L., Onichtchouk O.P., Dresler-Nurmi A., Simarov B.V., Dzyubenko N.I., Lindström K. Galega orientalis is more diverse than Galega officinalis in Caucasus—whole-genome AFLP analysis and phylogenetics of symbiosis-related genes. Molecular Ecology. 2011. V.20. P. 4808-4821. doi:10.1111/j.1365-294X.2011.05291.x