Simulation of evolution of the legume-rhizobia symbiosis under the conditions of ecological instability

Full Text

Введение Формирование взаимовыгодных (мутуалистических) симбиозов - ключевой фактор адаптивной эволюции организмов, основанной на их структурно-функциональной и генетической интеграции (Seckbach, 2002; Тихонович, Проворов, 2012). В растительно-микробных симбиосистемах осуществляется широкий спектр адаптивных реакций партнеров на абиотические (засуха, засоление, дефицит почвенных элементов питания) и биотические (фитопатогены, фитофаги) стрессы (Тихонович, Проворов, 2009). Анализ таксономического и экологического разнообразия модельных N2-фиксирующих бобово-ризобиальных симбиозов (БРС) показал, что их прогрессивная эволюция (возникновение новых типов развития и метаболизма клубеньков) тесно связана с адаптивной эволюцией, направленной на повышение экологической эффективности симбиоза (ЭЭС) - продуктивности партнеров, достигаемой ими при взаимодействии (Проворов, Воробьев, 2013). Проведенное нами ранее математическое моделирование показало, что важной предпосылкой для эволюции БРС является высокий полиморфизм партнеров по специфичности взаимодействия - приуроченности эффективного симбиоза к определенным комбинациям генотипов растений и бактерий (Воробьев, Проворов, 2008). В стабильной экологической среде (задаваемой постоянными величинами системных параметров, не изменяющимися в ходе эволюционного процесса) повышение ЭЭС наиболее характерно для «специфичных» штаммов-мутуалистов, эффективно взаимодействующих лишь с некоторыми генотипами растений-хозяев (Проворов, Воробьев, 2012). Однако в реальных условиях эволюция симбиосистем происходит при нестабильности внешней среды, которая вызывает хаотические флуктуации их адаптивно значимых параметров. Такая нестабильность весьма характерна для тропических экосистем, в которых БРС возник 60-70 млн лет назад и где ныне произрастает свыше 90 % видов бобовых. Тропические почвы характеризуются крайне низким содержанием гумуса, который играет ключевую роль в формировании и поддержании состава почвенной биоты (Pershina et al., 2013). Для многих тропических БРС характерна примитивная организация клубеньков (Sprent, 2001, 2005), которая ограничивает их нитрогеназную активность и интенсивность симбиотрофного питания растений азотом. В то же время в умеренных широтах, характеризующихся более стабильными и богатыми гумусом почвами, эволюция БРС привела к формированию сложно организованных клубеньков, обладающих высокой N2-фиксирующей активностью (Проворов, Тихонович, 2003). У «галегоидных» бобовых (трибы Galegae, Trifolieae, Vicieae) она связана с трансформацией внутриклеточных бактерий в нежизнеспособные бактероиды, происходящей под действием цистеин-богатых белков, синтезируемых растением (van de Velde et al., 2010). Специфичность взаимодействия партнеров БРС в умеренных широтах определяется образованием бактериями (Rhizobium, Sinorhizobium) особых форм сигнальных Nod-факторов: они содержат ненасыщенные ацильные цепи, которые синтезируются под контролем генов nodEF, отсутствующих у тропических ризобий (Wang et al., 2011). В связи с этим мы предположили, что нестабильность внешних условий является одним из ключевых факторов, ограничивающих эволюцию на повышение эффективности симбиозов, партнеры которых могут быть полиморфны по реакции на изменения этих условий. Для описания их эволюции мы модифицировали разработанную ранее математическую модель (Воробьев, Проворов, 2008, 2010) путем введения компьютерного генератора случайных чисел (ГСЧ). Цель нашей работы заключалась в моделировании эволюции БРС, компоненты которой обладают разной чувствительностью к хаотическим изменениям внешней среды, проявляемой на фоне генотипически специфичного, либо неспецифичного взаимодействия. Построение и анализ математической модели Структура моделируемой системы Для построения математической модели была использована сформированная ранее симбиосистема, состоящая из диморфной популяции растений (генотипы G1, G2) и низко-полиморфной популяции бактерий (Воробьев, Проворов, 2008, 2010). Последняя содержит родительский генотип Р - «симбионт-обманщик», образующий с обоими растительными генотипами не фиксирующие N2 клубеньки, а также три его N2-фиксирующих мутанта-мутуалиста, которые варьируют по характеру отношений с растительными генотипами. При специфичном взаимодействии партнеров мутант М1 наиболее интенсивно фиксирует N2 при симбиозе с растительным генотипом G1 (М1 специфичен по отношению к G1), мутант М2 специфичен к генотипу G2, а мутант М3 является неспецифичным симбионтом (его N2-фиксирующая активность не зависит от генотипа растений). При неспецифичном взаимодействии партнеров все бактериальные мутанты одинаково активно фиксируют N2 в симбиозе с растительными генотипами G1 и G2. Циклическая микроэволюция симбиоза Будем считать, что эволюция симбиосистемы носит циклический характер: каждый (t-ый) цикл включает в себя последовательность частных процессов, происходящих в популяциях партнеров (блок-схема представлена на рисунке 1). В бактериальной популяции на t-ом цикле происходит: а) мутационный процесс, условно приуроченный к почвенной нише; б) инокуляция ризосферной ниши почвенными бактериями и клубеньковой ниши ризосферными бактериями; в) колонизация симбиотических (ризосферных, клубеньковых) ниш путем размножения проникших в них бактерий (их общая численность после завершения колонизации является показателем ЭЭС со стороны бактерий); г) возвращение общей численности бактерий к равновесному уровню. В растительной популяции на t-ом цикле происходит: а) прорастание семян, некоторые из которых развиваются в симбиотически активные, фертильные растения; б) образование ими нового поколения семян, общее количество которых является показателем ЭЭС со стороны растений. Кроме того, в симбиосистеме происходят коэволюционные взаимодействия партнеров, которые определяются обратными связями между их популяциями и влияют на ЭЭС (рис. 1). Ранее мы показали, что среди параметров, используемых для моделирования эволюции рассматриваемой системы, наибольшее влияние на ЭЭС оказывают размеры симбиотических ниш, занимаемых бактериями в ризосфере и клубеньках растений, а также объем экологической ниши, занимаемой растительной популяцией во внешней среде (Воробьев, Проворов, 2010). В настоящей статье мы рассмотрели два типа реакций подсистем «G1+Р, M1, M2, M3» и «G2+Р, M1, M2, M3» на внешнее воздействие: а) синхронная реакция - размеры субниш (ризосферных, клубеньковых, растительных) в подсистемах изменяются в одном направлении (либо увеличиваются, либо уменьшаются); б) асинхронная реакция - размеры субниш каждой категории в одной из подсистем увеличиваются, в другой - уменьшаются. Компьютерные эксперименты Для изучения эволюционных процессов в симбиосистеме мы провели компьютерные эксперименты, используя программу «Симбиосистема-Эко», в которой применены математические формулы модели, блочный принцип конструирования и объектно-ориентированный язык программирования Visual Basic for Application (VBA) в среде MS Excel. Обоснование выбора численных значений системных параметров, на которые воздействует стохастический внешний фактор, дано нами ранее на основе анализа экспериментальных данных (Воробьев, Проворов, 2008; Provorov, Vorobyov, 2008). Для изучения стабильности симбиосистемы был применен метод Монте-Карло (Ермаков, 2009), который в качестве воздействующего на нее внешнего фактора использует последовательность случайных чисел, имитирующих флуктуации направления и интенсивности воздействия среды в ходе эволюционного процесса. Эта последовательность формируется путем обращения к стандартной ГСЧ-функции Rnd (), генерирующей случайным образом и с равномерной плотностью вероятности числа из интервала [0…1]. Полученное для t-го эволюционного цикла случайное число определяет значение экологического параметра Et, варьирование которого имитирует влияние на симбиосистему хаотических изменений факторов внешней среды (например, влажности или температуры почвы). В нашей модели величина Et задает размеры ризосферных, клубеньковых и растительных субниш, определяющие эволюционно значимые параметры симбиосистемы - частоты встречаемости бактериальных и растительных генотипов, а также генотипическую структуру и экологическую эффективность симбиоза (табл. 7). Статистические характеристики их варьирования мы использовали для вычисления дисперсий и доверительных интервалов, отражающих различную чувствительность компонентов симбиосистемы к внешним воздействиям. Влияние экологического параметра Et на генотипическую структуру симбиоза (ГСС) оценивали как отклонение соотношений бактериальных и растительных генотипов от равномерных распределений, при которых частоты каждого из 4 бактериальных генотипов равны 0,25, а частоты каждого из двух растительных генотипов равны 0,5. Индексы ГСС для бактерий (θB.t) и растений (θG.t) определяли с помощью векторной модели по формулам (Wier, 1996): , , где ψ80P.t, ψ80Mi.t - частоты встречаемости родительского генотипа и i-го мутанта (i = 1…3) в бактериальной популяции на входе в блок 9 (табл. 4); ψ2Gj.t - частота встречаемости j-го генотипа (j = 1,2) в растительной популяции (суммарном пуле семян) на выходе блока 11 (табл. 5) при t = 31…500. Влияние экологического параметра Et на ЭЭС определяли на основе максимальных (пиковых) уровней численности бактериальной и растительной популяций. Индексы ЭЭС определяли для бактерий по амплитуде популяционной волны на входе блока 9 (AB.t), для растений - по их семенной продуктивности на выходе блока 11 (AG.t): , , где Lt - популяционная волна бактерий, освобождаемых в почву после декомпозиции симбиоза (вход в блок 9, табл. 4); S - емкость почвенной ниши; P21.t, P22.t - семенная продуктивность растительных генотипов G1, G2, достигаемая по окончании t-го цикла (выход блока 11, табл. 5); P0 - минимальная суммарная продуктивность обоих растительных генотипов в отсутствие N2-фиксации и внешнего воздействия. Результаты Компьютерные эксперименты показали, что воздействие стохастически варьирующего экологического параметра Et, имитируемое с помощью ГСЧ, вызывает незатухающие квази-циклические колебания индексов ЭЭС и ГСС, а также генотипических частот бактерий и растений на всем протяжении эволюционного процесса (рис. 2). Индексы ЭЭС, вычисленные для обоих партнеров симбиоза, наиболее чувствительны к флуктуациям среды (испытывают максимальные колебания) при синхронной реакции подсистем «G1 + Р, M1, M2, M3» и «G2 + Р, M1, M2, M3» на внешние воздействия (достоверность этих различий может быть показана путем сравнения дисперсий отклонений изучаемых параметров от равновесных значений, достигаемых без внешнего воздействия; табл. 8). Однако индексы ГСС наиболее чувствительны к воздействию параметра Et при асинхронной реакции подсистем, что говорит о различной реакции генотипов партнеров на флуктуации среды. Действительно, при асинхронной реакции подсистем на внешнее воздействие в сочетании со специфичным взаимодействием партнеров (рис. 2, Б3, В3, Г3) бактериальные генотипы М1 и М2 наименее стабильны, а генотипы Р и М3 - наиболее стабильны по сравнению с другими эволюционными режимами (табл. 8). Логично предположить, что данный режим эволюции симбиосистемы не благоприятен для повышения ЭЭС, которое, как мы показали ранее (Воробьев, Проворов, 2008, 2010), возможно лишь в специфичных генотипических комбинациях партнеров (M1-G1, M2-G2) (Проворов, Воробьев, 2013). Однако в этом режиме наблюдается наибольшая стабильность количества семян, образуемых всей растительной популяцией (рис. 2, Г3), а также общей численности бактерий после выхода в почву из ризосферы и клубеньков (индексы ЭЭС в табл. 8), что может способствовать сохранению целостности симбиосистемы в условиях экологической нестабильности. При синхронной реакции подсистем на внешние воздействия в сочетании со специфичным взаимодействием партнеров стабильность М1, М2, G1, G2 существенно возрастает, а стабильность Р и М3 снижается по сравнению с асинхронной реакцией (табл. 8), что может способствовать эволюции симбиосистемы на повышение ЭЭС. Важно отметить, что частоты М1 и М2 значительно возрастают, а частоты М3 и Р снижаются при переходе от неспецифичного к специфичному взаимодействию партнеров (при обоих типах реакции подсистем на стохастическое внешнее воздействие), показывая важную роль специфичности в эволюции на повышение ЭЭС. При неспецифичном взаимодействии партнёров (индексы инокуляции и колонизации симбиотических субниш, а также развиваемой в них суммарной азотфиксирующей активности штаммов-мутуалистов не зависят от генотипа растений) динамика мутантов М1, М2, М3 является идентичной (табл. 8, рис. 2). Эта идентичность сохраняется даже в том случае, если мутанты различаются по всем или по некоторым из перечисленных параметров (например, М1 проявляет с обоими генотипами растений максимальный, М2 - промежуточный, а М3 - минимальный уровень азотфиксации: ее индексы, представленные в таблице 6, принимают значения: β11 = β21 = 0,50; β12 = β22 = 0,33; β13 = β23 = 0,17). Важно отметить, что динамика частот генотипов растений (рис. 2, В1, В2, В3), а также общей продуктивности их популяции (рис. 2, Г1, Г2, Г3) при специфичном и неспецифичном взаимодействиях партнеров является сходной. Это показывает, что диверсификация бактерий, которая играет ключевую роль в их эволюции на повышение ЭЭС, возможна лишь при специфичном взаимодействии партнеров: в отсутствие хозяйской специфичности повышение N2-фиксирующей активности ризобий не дает им адаптивных преимуществ. Обсуждение Проведенные с моделями компьютерные эксперименты показали, что адаптационно перспективные (способные активно эволюционировать на повышение эффективности взаимодействия с растениями) бактериальные генотипы-мутуалисты, проявляющие высокую специфичность по отношению к хозяину, более чувствительны к хаотическим изменениям внешней среды, чем менее перспективные неспецифичные мутуалисты. Снижение биоразнообразия растительных компонентов симбиосистемы, которое выражается в синхронизации реакций составляющих ее подсистем на внешние условия, способствует не только стабилизации адаптационно перспективных мутуалистов, но и дестабилизации не фиксирующих N2«симбионтов-обманщиков» (табл. 8), что может приводить к повышению ЭЭС. Полученные данные позволяют предположить, что эволюция БРС на повышение эффективности, которая, по данным анализа построенных ранее моделей (Воробьев, Проворов, 2008, 2010), сопряжена с возрастанием специфичности взаимодействия партнёров, является наиболее результативной в стабильной окружающей среде. При ее нестабильности эволюция симбиоза может быть переориентирована на неспецифичные генотипические взаимодействия, что ограничивает возможность повышения ЭЭС. Иными словами, в стабильной среде обитания эволюция симбиоза направлена главным образом на увеличение эффективности взаимодействия партнеров, а в нестабильной среде - на поддержание устойчивости симбиоза к ее неконтролируемым изменениям. Представленные результаты позволяют подойти к решению вопроса о том, почему эволюция БРС на повышение эффективности взаимодействия партнеров наиболее активно происходит в экосистемах умеренных широт, где почвы гораздо богаче питательными веществами и потребность растений в «биологическом» азоте ниже, чем в тропических экосистемах. Логично предположить, что в умеренных широтах условия развития клубеньковых симбиозов характеризуются высокой стабильностью, которую обеспечивают значительные количества гумуса и органических остатков в почвах (Добровольский, 1989). В тропических почвах при высокой скорости минерализации накопление гумуса крайне ограничено, вследствие чего условия существования симбиозов могут быть весьма нестабильными, блокируя повышение ЭЭС. Другой возможный фактор снижения ЭЭС в тропических симбиосистемах - широкое распространение неспецифичных по отношению к хозяину штаммов ризобий, которое является результатом чрезвычайно высокого разнообразия растений-хозяев. В тропиках, где бобовые возникли 60-70 млн лет назад, обитают их деревянистые, кустарниковые и травянистые формы (от ксерофитов до водных форм), относящиеся ко всем трем подсемействам сем. Fabaceae (Papilionoideae, Caesalpinioideae, Mimosoideae). Поскольку формирование растениями стабильных одновидовых популяций для тропиков нехарактерно (Wright, 2002), ризобии здесь взаимодействуют с весьма разнородными фитоценозами, компоненты которых могут обладать асинхронными реакциями на внешние воздействия, а также широкой специфичностью симбиотического взаимодействия, которые неблагоприятны для повышения ЭЭС. В умеренных широтах, при гораздо более низком разнообразии бобовых (оно ограничено травянистыми формами подсемейства Papilionoideae), бактерии взаимодействуют с популяциями бобовых, относящихся к одному виду или к нескольким родственным видам, которые могут обладать синхронными реакциями на внешние воздействия в сочетании с узкой специфичностью симбиотического взаимодействия (входят в одну группу перекрестной инокуляции). Анализ нашей модели позволяет предположить, что эти особенности растений, наряду со стабильными почвенными условиями, открывают перед симбиосистемами умеренных широт гораздо большие (по сравнению с тропическими симбиосистемами) возможности для эволюции на повышение ЭЭС даже при низкой потребности растений в азоте. Итак, на основе полученных результатов могут быть выделены два фактора, ограничивающие эволюцию БРС на повышение эффективности: 1) сильное хаотическое варьирование почвенно-климатических условий, к которому наиболее чувствительны специфичные штаммы ризобий, перспективные для эволюции на повышение ЭЭС; 2) широкое биоразнообразие растительного сообщества, которое блокирует повышение избирательности взаимодействия партнеров в связи с отбором против специфичных мутуалистов, а также с асинхронностью реакций растений на стрессы. С этими различиями может быть связано и то, что в тропиках распространены бобовые с упрощенным развитием клубеньков (Sprent, 2001, 2005), возникших в результате редукционной эволюции и не способных активно фиксировать N2. В связи с этим наиболее вероятный сценарий эволюции БРС, реализуемый при переходе бобовых из тропиков в умеренные широты, заключается в том, что на первом ее этапе произошел переход от асинхронной к синхронной реакции на стрессы компонентов растительного сообщества, характеризующихся неспецифичным взаимодействием с ризобиями (сужение таксономического разнообразия фитоценоза), а на втором этапе - повышение специфичности и эффективности взаимодействия партнеров клубенькового симбиоза, оказавшегося в более стабильных почвенных условиях. Это повышение могло способствовать формированию специализированного механизма сигналлинга, основанного на взаимодействии Nod-факторов ризобий, содержащих ненасыщенные ацильные остатки, с растительными LysM-содержащими рецепторами (Wang et al., 2012). Альтернативный эволюционный сценарий (специализация генотипических взаимодействий партнеров в тропических экосистемах при сохранении асинхронной реакции растений на стрессы) представляется маловероятным: он предусматривает резкое снижение стабильности специфичных мутуалистов (табл. 8), которое в сочетании со стабилизацией не фиксирующих N2 «симбионтов-обманщиков» ограничивает эволюцию симбиоза на повышение ЭЭС, несмотря на возрастание частот специфичных мутуалистов. Логично предположить, что именно это ограничение способствует упрощению организации клубеньков, выявленному у ряда тропических бобовых (Sprent, 2001, 2005). Показанное нами влияние нестабильности внешней среды на эффективность мутуализма может быть характерным для широкого спектра растительно-микробных систем. Например, оно может индуцировать возникновение новых фитопатогенов под влиянием антропогенных изменений сельскохозяйственных территорий, связанных с интенсивной обработкой почвы и с широким использованием агрохимикатов. Разработанная нами модель будет полезной для оценки экологических и генетических последствий интродукции растительно-микробных симбиозов в нарушенные экосистемы, где взаимовыгодные отношения партнёров часто снижают свою эффективность и даже трансформируются в патогенез. Список сокращений: БРС - бобово-ризобиальный симбиоз; ГСС - генотипическая структура симбиоза; ГСЧ - генератор случайных чисел; ЭЭС - экологическая эффективность симбиоза;

About the authors

Nikolay Ivanovich Vorobyov

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: vorobyov@arriam.spb.ru
Candidate of Technical Sciences, Head of the Group of Bioinformatics and Mathematical Simulation

Nikolay Alexandrovich Provorov

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

Email: provorov@newmail.ru
Doctor of Biological Sciences, Deputy Director

References

Supplementary files