Эволюция микробно-растительных симбиозов: филогенетические, популяционно-генетические и селекционные аспекты
жүктеу/скачать 4.14 Mb.
|
| Заключение
Цель нашей работы заключалась в изучении филогенетических закономерностей и популяционно-генетических механизмов эволюции мутуалистического симбиоза, необходимом для реконструкции процессов коэволюции растений и микроорганизмов, а также для создания хозяйственно-ценных надорганизменных комплексов. Используя модель бобово-ризобиального симбиоза, мы исследовали связь филогении растений со специфичностью, проявляемой ими при взаимодействии с бактериями. Оказалось, что специфичность, проявляемая бобовыми при образовании клубеньков, коррелирует с таксономическим делением растений, тогда как для специфичности, проявляемой при образовании эффективного (N2-фиксирующего) симбиоза, такой корреляции не обнаружено. Это показывает, что способность индуцировать и поддерживать азотфиксирующую активность у находящихся в клубеньках ризобий представляет собой эволюционно более лабильный признак растений, чем само образование клубеньков, и что генетические механизмы эволюции этих признаков существенно различаются. Данный вывод подтвердился при изучении симбиотических признаков у культурных бобовых, которое мы проводили, исходя из того, что окультуривание и селекция растений являются важнейшими факторами их эволюции, которые по своей формообразующей активности не уступают природным эволюционным факторам (Вавилов, 1934; Жуковский, 1950). Анализ полученных данных показал, что при доместикации и селекции бобовых происходило существенное снижение эффективности азотфиксирующих симбиозов, наблюдаемое на фоне сохранения растениями способности к образованию клубеньков. Это снижение определяется, в первую очередь, интенсивным использованием азотных удобрений, которое привело к авто-селекции растений, у которых баланс между симбиотрофным и автотрофным типами азотного питания сдвинут в пользу второго типа. На биохимическом уровне снижение симбиотической активности бобовых растений может быть связано с повышением чувствительности азотфиксирующей системы к ингибированию азотными соединениями, например, накапливающимися в клубеньках продуктами N2-фиксации. Определенную роль в снижении симбиотической активности растений могла сыграть селекция на повышение регенерационной активности, а также содержания в семенах С-соединений (крахмала, жиров), которое у некоторых бобовых (маш, арахис) проявляет отрицательную корреляцию с симбиотической активностью. Очевидно, что восстановление и преумножение симбиотического потенциала, утраченного бобовыми в ходе сельскохозяйственной деятельности человека, является одной из первоочередных задач селекции и генетической инженерии растений. Для оценки потенциала изменчивости азотфиксирующих симбиотических систем, который может быть использован для решения этой задачи, мы изучили генетический полиморфизм симбиозов, образуемых рядом бобовых растений с ризобиями (люцерна, донник и пажитник – с Sinorhizobium meliloti, горох – с Rhizobium leguminosarum bv. viceae). Оказалось, что основные признаки, характеризующие проявление мутуализма – N2-фиксирующая (нитрогеназная) активность и симбиотическая эффективность (влияние инокуляции бактериями на биологическую продуктивность растений) – существенно различаются по закономерностям своего варьирования, что может быть связано с разным генетическим контролем этих признаков. Отбор ризобий на повышение нитрогеназной активности обычно сопровождается более существенным ростом количества азота, чем биомассы растений, что может быть связано с их неспособностью к полной передаче фиксированного азота из корней и клубеньков в надземные органы. Связь между показателями азотфиксирующей активности и симбиотической эффективности обычно не выявляется при сопоставлении генетически разнородных сортов бобовых, однако может быть достаточно четкой при анализе более однородного материала (например, индивидуальных растений внутри сортов или линий, полученных из одного сорта). Селекция растений на повышение симбиотической эффективности может проводиться путем экспресс-анализа нитрогеназной активности “ацетиленовым методом”, что было подтверждено нами в опытах с козлятником восточным, у которого путем отбора по нитрогеназной активности получены формы, способные развивать повышенную продуктивность при инокуляции ризобиями. Ранее аналогичные результаты были получены на горохе (Тихонович и др., 1987), у которого повышение биомассы было выявлено при достоверном, но умеренном (на 30-40%) увеличении нитрогеназной (C2Н2 – редуктазной) активности, тогда как ее резкое (в 5-7 раз) возрастание может приводить к снижению массы растений, связанному с перерасходом энергии. По-видимому, повышение эффективности симбиоза требует отбора не только на повышение интенсивности работы нитрогеназы, но и на оптимизацию широкого комплекса признаков, связанных с ассимиляцией азота, снабжением симбиотического аппарата углеродом и энергией, а возможно также с процессами узнавания и сигнального взаимодействия партнеров. Полученные данные позволили выявить сопряженную изменчивость растений и микроорганизмов по ключевым показателям активности симбиоза, которая говорит о тесно скоординированной эволюции растений и микроорганизмов. Для ее изучения мы создали и проанализировали экспериментальные и математические модели, которые позволили нам исследовать связь эффективности мутуалистического симбиоза с его специфичностью и с уровнем полиморфизма партнеров. Анализ взаимодействия разных сортов растений и штаммов бактерий показал, что высокая эффективность (которую оценивали на основе биомассы растений или накопления в них азота) характерна для тех бобово-ризобиальных систем, у которых в наибольшей степени проявляется специфичность взаимодействия партнеров (неаддитивные генетические эффекты, выявляемые при двухфакторном дисперсионном анализе). На основании этих данных, а также анализа динамики симбиотических признаков при окультуривании растений, мы сформулировали основные принципы координированной селекции партнеров на повышение симбиотической активности, которые заключаются в необходимости: 1) максимально широкого использования дикорастущих и мало окультуренных форм бобовых, в полном объёме сохранивших природный симбиотический потенциал, 2) подбора комплементарных сочетаний генотипов партнеров, оптимальных для эффективного симбиоза. Использование обоих подходов наиболее результативно при снижении популяционной изменчивости растений до уровня, который обеспечивает возможность подбора штаммов бактерий, специфичных для всего спектра имеющихся в сорте генотипов. С целью анализа популяционно-генетических механизмов коэволюции растений и микроорганизмов в системах мутуализма мы разработали методику математического моделирования популяционной динамики бобово-ризобиального симбиоза, реализуемой при действии микроэволюционных факторов (различные формы естественного отбора и генетико-автоматические процессы), которые индуцируются при развитии клубеньков. В основу построения и анализа моделей было положено представление о растении-хозяине как о ведущем факторе эволюции симбиотических микроорганизмов, поскольку в системе “хозяин-среда” микросимбионты претерпевают регулярную смену экологических ниш (у ризобий она осуществляется по схеме “почва→ризосфера→клубеньки→почва”), в ходе которой происходят закономерные преобразования пространственной и генетической структуры микробных популяций. Построенные модели позволили нам приступить к изучению действия в симбиотических системах естественного отбора, которое исследовано гораздо менее полно, чем молекулярные механизмы эволюции симбиоза. Результаты компьютерных экспериментов позволили предположить, что одним из основных факторов эволюции симбиотических признаков ризобий является частотно-зависимый отбор, индуцируемый в почвенных или ризосферных популяциях при конкуренции за формирование клубеньков. Мы показали, что этот отбор может определять основные свойства популяций ризобий – их повышенную, по сравнению со свободноживущими бактериями, генетическую гетерогенность и панмиктивность. На основе построенных моделей была предложена обобщенная схема формирования ризобиальных популяций, в соответствии с которой их панмиктическая структура устанавливается в тесной связи с поддержанием сбалансированного (“экотипического”) полиморфизма по способности вступать в симбиоз с растениями. При изучении механизмов, направляющих эволюцию симбиоза на повышение эффективности мутуализма, мы исходили из того, что ключевую роль в этом повышении играют положительные обратные связи, которые основаны на обмене партнеров продуктами азотфиксации и фотосинтеза. Результаты проведенных нами компьютерных экспериментов показали, что закрепление или даже доминирование в популяции ризобий N2-фиксирующих “истинных мутуалистов”, которое происходит, несмотря на присутствие не фиксирующих N2, но вирулентных “симбионтов-обманщиков”, может быть обеспечено положительной обратной связью партнеров в сочетании с частотно-зависимым отбором. Метаболические обратные связи партнеров индуцируют их популяционные обратные связи, обеспечивающие коэволюцию растений и бактерий на повышение эффективности симбиоза. Анализ наших моделей позволил объяснить многие важные закономерности, выявленные при эмпирическом изучении бобово-ризобиальных систем, а также предложить эволюционно обоснованные подходы для их генетического улучшения. Использование модели мультиштаммовой конкуренции показало, что, корреляция эффективности и специфичности симбиоза может быть обусловлена тем, что при взаимодействии полиморфных популяций партнеров интенсивность отбора в пользу специфичных штаммов ризобий, образующих азотфиксирующие клубеньки лишь с некоторыми имеющимися растительными генотипами, выше, чем интенсивность отбора в пользу неспецифичных штаммов, которые образуют азотфиксирующие клубеньки со всеми растительными генотипами. Однако высокая эффективность симбиоза не может быть достигнута в отсутствии неспецифичных мутуалистов, которые обеспечивают оптимальную конфигурацию процессов отбора на повышение общей продуктивности системы и, по-видимому, поддерживаются в ней благодаря групповым формам отбора. Представленные результаты могут и должны быть использованы в генетико-селекционных программах создания сортов растений и комплементарных им бактериальных штаммов, сочетание которых обеспечивает высокую эффективность мутуализма в условиях конкуренции высокоэффективных производственных штаммов ризобий с неэффективными местными штаммами. При организации этой работы необходимо исходить из того, что в системах симбиоза обычно устанавливается равновесие между генотипами микросимбионтов, различающихся по характеру взаимодействия с хозяином (“истинные мутуалисты” и “симбионты-обманщики” в системах трофического симбиоза; патогенные и биоконтрольные организмы в системах защитного симбиоза). Однако положение этого равновесия может быть существенно изменено в пользу полезных для хозяина форм благодаря отбору, происходящему в его популяциях и определяемого положительными обратными связями партнеров. В природных условиях установление этого равновесия является результатом длительного коэволюционного процесса, который в условиях агроценоза может быть существенно ускорен благодаря использованию методов селекции, генной инженерии и биотехнологии. Очевидно, что для “искусственной эволюции” симбиоза необходим синтез знаний о генетике, молекулярной биологии, морфо-физиологической организации и экологии симбиоза, который не представляется возможным без использования эволюционных подходов. Поддержание в бобово-ризобиальных системах равновесия различных типов симбионтов показывает, что в популяциях партнеров действуют селективные факторы, направленные как на повышение, так и на снижение азотфиксирующей активности (Foster, Kokko, 2006), и следовательно в геномах бактерий должны существовать гены, функционирование которых обеспечивает как высокую, так и низкую интенсивность азотфиксации. Выявление генов обеих групп представляет большой интерес для конструирования хозяйственно-ценных штаммов ризобий, которое может быть связано как с усилением активности генов первой категории, так и элиминацией генов второй категории. Генетические модификации обоих типов описаны в литературе (Bosworth et al., 1992; Sharypova et al., 1998), и в сочетании с формированием оптимальной генетической структуры симбиосистемы эти модификации могут обеспечить существенное возрастание агрономической эффективности микробно-растительных симбиозов. Использование метода факторного анализа может оказаться полезным для оценки фенотипического проявления созданных генетических конструкций, которая затруднена влиянием растительного генотипа и неконтролируемых факторов среды на экспрессию бактериальных генов (разд. 2.1.2). Другой практически значимый аспект предложенной модели заключается в оценке эколого-генетических последствий интродукции в агроценозы генетически модифицированных растительных симбионтов. Распространение новых конструкций, содержащих гены симбиоза, среди местных бактерий создает риск возникновения рекомбинантов с непредсказуемыми инфекционными свойствами (Dresing et al., 1998; Selbitzska et al., 2008), для снижения которого предлагалось вводить в модифицированные штаммы ризобий факторы, подавляющие либо их рекомбинационную активность, либо выживаемость в почве (Pühler et al., 2004). Анализ нашей модели показал, что эти меры будут эффективными лишь на фоне низкого давления ЧЗО, который вызывает размножение редких, в том числе и рекомбинантных генотипов (Проворов, Воробьев, 2003). Снижение давления ЧЗО может быть достигнуто путем селекции растений-хозяев, генотипы которых существенно влияют на параметр “а” нелинейной модели конкуренции, определяющий давление ЧЗО (формула 3). Еще более радикальный подход для снижения нежелательных эффектов ЧЗО заключается в регуляции циклической микроэволюции бактерий, например, в использовании севооборотов, “разрывающих” этот процесс. Завершая анализ представленных данных, отметим, что он подводит нас к необходимости изучения мутуалистического симбиоза как генетически интегрированной системы, целостность которой проявляется не только на организменном уровне (координация биохимических и онтогенетических процессов, осуществляемых партнерами под действием перекрестно передаваемых сигналов, регулирующих активность “симбиотических” генов), но и на популяционном уровне (сопряженное действие в популяциях партнеров ключевых микроэволюционных факторов, в первую очередь, специфичных для симбиоза форм отбора). Наибольшая эффективность симбиоза достигается при поддержании в нем различных типов бактерий-мутуалистов, вне зависимости от их индивидуальной селективной ценности. Изучение генетико-эволюционной целостности мутуалистических симбиозов является важным условием для выяснения механизмов природной ко-эволюции партнеров, а также для использования полученных данных в селекционной, генно-инженерной и биотехнологической практике. Выводы Показано, что у бобовых растений, относящихся к группам перекрестной инокуляции люцерны (Medicago, Melilotus, Trigonella) и вики (Vicia), корреляция таксономического деления со специфичностью симбиозов, образуемых с клубеньковыми бактериями (Sinorhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum bv. viceae), отсутствует на уровне формирования эффективного (N2-фиксирующего) симбиоза, хотя проявляется на уровне развития клубеньков. Установлено, что у люцерны (Medicago sativa, M. varia, M. falcata) и пажитника (Trigonella foenum graecum) дикорастущие и мало окультуренные формы существенно превосходят сорта по интенсивности образования клубеньков и N2-фиксирующей активности. Дикорастущие и мало окультуренные виды бобовых растений превосходят высоко окультуренные виды по активности симбиотрофного питания азотом. Показано, что генетический полиморфизм бобово-ризобиальных систем по N2-фиксирующей активности и симбиотической эффективности, проявляемой со стороны растений-хозяев (люцерна, донник, пажитник, горох, козлятник) и их микросимбионтов, характеризуется разными параметрами, что говорит о различном генетическом контроле этих признаков. Двухфакторный дисперсионный анализ варьирования показателей эффективности симбиозов (“Sinorhizobium meliloti – люцерна”, “Rhizobium leguminosarum bv. viceae – вика”) показал, что их наибольшая эффективность достигается при высокой комплементарности генотипов партнеров, когда вклад специфичных (неаддитивных) сорто-штаммовых взаимодействий в варьирование признаков симбиоза максимален. Эффективность симбиоза контролируется генотипами хозяев более строго, чем генотипами микросимбионтов, тогда как нитрогеназная активность в равной степени зависит от генотипов партнеров. Сформулированы основные принципы координированной селекции растений и бактерий на повышение симбиотической активности: 1) максимально широкое использование дикорастущих и мало окультуренных форм растений, сохранивших природный симбиотический потенциал; 2) подбор комплементарных сочетаний генотипов партнеров, оптимальных для эффективного симбиоза. Использование обоих подходов наиболее результативно при снижении популяционной изменчивости бобовых до уровня, который обеспечивает возможность подбора штаммов бактерий, специфичных для всего спектра растительных генотипов, имеющихся в сортовых популяциях. Разработана методика моделирования циклических микроэволюционных процессов в популяциях микроорганизмов, взаимодействующих с растениями, которая позволяет представить преобразования пространственной и генетической структуры микробных популяций как составную часть онтогенеза симбиотической системы, связанную с обменом партнеров продуктами азотфиксации и фотосинтеза. Показана ключевая роль частотно-зависимого отбора в формировании экотипически полиморфных, панмиктичных популяций симбиотических бактерий. Предложена обобщенная схема микроэволюции симбиотической бобово-ризобиальной системы, в соответствии с которой закрепление новых генотипов в популяциях микросимбионтов соответствует стратегии “утраты-приобретения” sym-генов, осуществляемой под действием селективных факторов, индуцируемых хозяином. Показана важная роль асимбиотических штаммов, являющихся оптимальными реципиентами для переносимых sym-генов, в формировании эволюционно перспективной (высоко полиморфной, панмиктичной) структуры ризобиальных популяций. 8. Показано, что эволюция симбиотических бактерий происходит под влиянием положительных обратных метаболических связей с растением, которые индуцируют в бактериальной популяции селективные давления в пользу признаков мутуализма. В генетически полиморфных системах давление отбора в пользу специфичных симбионтов (фиксирующих N2 в симбиозе лишь с некоторыми из имеющихся растительных генотипов) выше, чем в пользу неспецифичных симбионтов (фиксирующих N2 со всеми растительными генотипами). Однако, наиболее высокая эффективность симбиотической системы достигается при поддержании в ней различных типов бактерий-мутуалистов. жүктеу/скачать 4.14 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|