Эволюция микробно-растительных симбиозов: филогенетические, популяционно-генетические и селекционные аспекты
Рисунок 4. Симбиотическая активность рекомбинантов
жүктеу/скачать 4.14 Mb.
|
| Рисунок 4. Симбиотическая активность рекомбинантов Sinorhizobium meliloti, полученных при введении дополнительных генов транспорта дикарбоновых кислот в штамм Rm2011 (Онищук и др., 2009). Приведены средние данные по 9 рекомбинантам: 2011-121 (dctABD), 2011-121Н6 (dctABD), 2011-121SH2 (dctA), 2011-121/121SH2 (dctABD + dctA), 2011-H6/SH2 (dctABD + dctA), 2011-121HB4 (ntrA), 2011-SH2/HB4 (dctABD + ntrA), 2011-121HH5 (nifA), 2011-SH2/HH5 (dctA + nifA) (Engelke et al., 1989; Jording et al., 1992).
Таблица 8. Корреляции симбиотических признаков люцерны, инокулированной рекомбинантами Sinorhizobium meliloti с дополнительными копиями генов транспорта дикарбоновых кислот (Онищук и др., 2009)
В микровегетационном опыте №1 изучены 23 контрастно различающиеся по азотфиксирующей активности штамма (4 мутанта фенотипа Fix–, 6 мутантов Fix+/–, 13 рекомбинантов и штамм “дикого типа” Fix+ и Fix++), в опыте №2 – 9 рекомбинантов, генотипы которых указаны в подписи к рис. 4 (Fix+ и Fix++). М – надземная масса растений, N% и Nобщ – концентрация и общее накопление в них азота; C% и Cобщ – то же для углерода. Корреляции достоверны при *Р0 < 0,05; **Р0 < 0,01. Для изучения природы ограничений в проявлении признака повышенной симбиотической эффективности мы провели более детальное изучение группы из 9 рекомбинантов, полученных путем введения дополнительных копий “симбиотических” генов в штамм дикого типа (указаны в подписи к рис. 4). Мы сопоставили проявление их симбиотических признаков на двух неродственных сортах люцерны: с. Зайкевича (M. varia) и с. Du Puits (M. sativa), для которых в микровегетационном опыте раздельно исследовали влияние инокуляции на массу и элементный (N, C) состав корней и надземной части. При образовании эффективного симбиоза (сравнение растений в стерильном контроле и при инокуляции штаммом Rm2011) у обоих сортов наблюдали возрастание надземной массы растений, а также концентрации и общего накопления в ней азота (табл. 9). При этом концентрация азота в корнях резко возрастала у с. Du Puits, но не изменялась у с. Зайкевича. Очевидно, что при образовании эффективного симбиоза растения с. Зайкевича полностью передают фиксированный азот из клубеньков и корней в надземную часть, а у с. Du Puits значительная его часть остается в корнях. При повышении активности симбиоза, связанном с активизацией сукцинат-пермеазной системы (сравнение рекомбинантов с исходным штаммом Rm2011), у растений обоих сортов возрастает масса надземной части и накопление в ней азота. Однако это повышение невелико и сопровождается значительным накоплением азота в корнях (31% дополнительно фиксированного азота у сорта Зайкевича, 62% – у сорта Du Puits). У сорта Du Puits при этом возрастает также и масса корней, что требует дополнительных затрат углерода, еще более ограничивающих эффективность симбиоза. Таблица 9. Продуктивность люцерны сортов Зайкевича (M. varia) и Du Puits (M. sativa) при взаимодействии с эффективными рекомбинантами Sinorhizobium meliloti (указаны в подписи к рис. 4) в микровегетационном опыт №2 (Онищук и др., 2009)
*Отклонения статистически значимы (P0 < 0,05). МИ – масса инокулированных растений, МК – масса контрольных (не инокулированных) растений, Nобщ – общее накопление азота, N% – концентрация азота. Важными особенностями анализа фенотипического эффекта бактериальных генов, контролирующих симбиотическую эффективность, является зависимость ее проявления от генотипов хозяина, которые вносят более значимый вклад в варьирование признаков симбиоза, чем бактериальные генотипы (см. табл. 17), а также сильное неконтролируемое варьирование этих признаков, обусловленное полиморфизмом растительных популяций (разд. 3.1). При сопоставлении результатов проведенных опытов не удалось выявить достоверные корреляции между величинами симбиотической эффективности рекомбинантов, содержащих дополнительные копии генов транспорта дикарбоновых кислот, что затрудняет определение относительной ценности этих генов при конструировании высокоактивных штаммов ризобий. Для решения этой задачи мы определяли уровни влияния амплификации генов dctABD, dctA, nifA, ntrA на показатели симбиотической эффективности с помощью факторного анализа. Оказалось (табл. 10), что в МВО №1 и №2 с сортом Du Puits совместная амплификация структурного гена сукцинат-пермеазы dctA и специфичных для него регуляторов dctBD демонстрирует наибольшее влияние на симбиотическую эффективность (о чем говорят высокие величины факторной нагрузки для dctABD) по сравнению с амплификацией гена dctA или неспецифичных регуляторов nifA и ntrA. В ВО с сортом Du Puits факторные нагрузки для dctA и dctABD одинаково высоки, а для неспецифичных регуляторов nifA и ntrA они ниже, чем в МВО. В МВО №2 с сортом Зайкевича уровни влияния изученных генов на эффективность симбиоза оказались такими же, как в ВО с сортом Du Puits. Таблица 10. Уровни влияния амплификации генов транспорта дикарбоновых кислот на показатели эффективности симбиоза Sinorhizobium meliloti с разными сортами люцерны
*Факторные нагрузки (приведены со стандартными ошибками) вычисляли для Min-вектора в многомерном пространстве, координатные оси которого характеризуют количества копий генов транспорта дикарбоновых кислот, а также параметры эффективности симбиоза – массу растений, содержание в них азота и углерода. Значения факторных нагрузок находятся в диапазоне 0…1 (чем они выше, тем более значимо влияние амплификации гена, рассчитанное на одну копию). Полученные данные позволяют предположить, что в неблагоприятных для симбиоза условиях (МВО с сортом Du Puits, где продолжительность азотфиксации составила 8-10 суток) лимитирующей стадией образования N2-фиксирующей системы оказывается активация синтеза сукцинат-пермеазы DctA, осуществляемая на уровне транскрипции структурного гена, в которой важную роль играют не только специфичные регуляторы dctBD, но и неспецифичные регуляторы nifA и ntrA. В более благоприятных условиях (ВО с сортом Du Puits, где период азотфиксации составляет 28-30 суток, а также МВО с сортом Зайкевича, который даже в условиях ограниченного роста обеспечивает активный отток продуктов N2-фиксации в надземную часть растений) эффективность симбиоза зависит от работы уже сформировавшейся пермеазной системы, и для ее повышения достаточно амплификации гена dctA. Одним из механизмов ингибирующего действия накапливающихся в клубеньках продуктов N2-фиксации может быть блокировка образования дикарбоновых кислот, снижающая уровень синтеза пермеазы DctA (на уровне активности транскрипционных регуляторов). Итак, использование симбиосистем (“Rhizobium leguminosarum bv. viceae – горох”, “Sinorhizobium meliloti – люцерна”) показало, что возрастание азотфиксирующей активности бактерий (в результате аналитической селекции, либо генетического конструирования бактерий) повышает накопление азота в растениях более существенно, чем их массу. Из этого следует, что для полной реализации азотфиксирующего потенциала ризобий необходим подбор генотипов бобовых, способных полностью использовать для развития биомассы дополнительно получаемый азот. На примере двух сортов люцерны, изученных на отзывчивость к инокуляции генетически модифицированными штаммами S. meliloti, можно видеть, что “узким местом”, ограничивающим использование дополнительно фиксированного азота, является его передача из корней в надземную часть растений. жүктеу/скачать 4.14 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||