Ecological geneticsEcological geneticsЭкологическая генетика1811-09322411-9202Eco-Vector1034510.17816/ecogen17111-18Genetic basis of ecosystems evolutionГенетические основы эволюции экосистемResearch ArticleEcological and genetic bases for construction of highly effective nitrogen-fixing microbe-plant symbiosesЭколого-генетические основы конструирования высокоэффективных азотфиксирующих микробно-растительных симбиозовhttps://orcid.org/0000-0001-9091-938467016393364548-1255ProvorovNikolai A.ПроворовНиколай Александрович
Russian Federation

Doctor of Biology, Director

д-р биол. наук, директор

provorovnik@yandex.ru66026979909288-8781OnishchukOlga P.ОнищукОльга Петровна
Russian Federation

Leading Researcher, Laboratory 2

ведущий научный сотрудник лаборатории № 2

olony@yandex.ruAll-Russia Research Institute for Agricultural MicrobiologyФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»1503201917111181610201821112018Copyright ©; 2019, Provorov N.A., Onishchuk O.P.Copyright ©; 2019, Проворов Н.А., Онищук О.П.2019Provorov N.A., Onishchuk O.P.Проворов Н.А., Онищук О.П.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/10345

Expression of quantitative traits characterizing the N2-fixing symbiosis of nodule bacteria and leguminous plants is associated with operation of the evolutionary derived polygenic systems controlling the symbiotic efficiency (SE) (impact of inoculation on the plant productivity) and nodulation competitiveness (NC) (formation of nodules by rhizobia under mixed inoculation). Optimization of balance between positive and negative symbiotic regulators aimed at an increase of nitrogenase activity and at a complete allocation of its products into the plant metabolism provides the generation of rhizobia strains with high SE and NC. Inactivation of the negative symbiotic regulators often results in a decreased survival of rhizobia under the edaphic stresses but is responsible for a balanced increase of plant biomass and N accumulation. Improvement of symbiotic activity is to be based on the complementary interactions of microorganisms with the genetically engineered plant cultivars which are able for selection from soil of actively fi xing N2 rhizobia strains and for their preferential multiplication in nodules. Construction of highly effective microbe-plant systems should be based on modifications of mechanisms controlling symbiosis development from the plant and bacterial sides providing the maintenance of N2-fixing zone in nodules and synthesis of NCR proteins activating the bacteroid differentiation.

Проявление количественных признаков, характеризующих симбиоз клубеньковых бактерий (ризобий) с бобовыми растениями, связано с действием эволюционно сложившихся полигенных систем, которые контролируют симбиотическую эффективность (СЭ) (влияние инокуляции на продуктивность растений) и нодуляционную конкурентоспособность (НКС) (формирование бактериями клубеньков в условиях смешанной инокуляции). Оптимизация баланса позитивных и негативных регуляторов эффективного симбиоза, направленная на повышение активности нитрогеназы и максимально полное вовлечение продуктов ее действия в метаболизм растений, позволяет создавать штаммы ризобий с высоким уровнем проявления СЭ и НКС. Инактивация генов — негативных регуляторов симбиоза — часто сопровож дается снижением выживаемости ризобий при действии эдафических стрессов, однако обеспечивает сбалансированное повышение биомассы растений и накопление в них азота. Это повышение требует взаимодействия ризобий с генетически сконструированными сортами бобовых, которые отбирают из почвы активно фиксирующие N2-штаммы, а также обеспечивают их избирательное размножение в клубеньках. Создание высокоэффективных бобово-ризобиальных систем должно базироваться на координированных модификациях механизмов контроля над развитием симбиоза со стороны бактерий и растений, обеспечивающих поддержание N2-фиксирующей зоны клубенька и синтез NCR-белков, активирующих дифференцировку бактероидов.

microbe-plant interactionsnodule bacteria (rhizobia)leguminous plantssymbiotic nitrogen fixationpositive and negative regulators of symbiosissignal interactionssystemic regulation of nodule developmentevolution of symbiosisgenetic engineeringмикробно-растительные взаимодействияклубеньковые бактерии (ризобии)бобовые растениясимбиотическая N2-фиксацияпозитивные и негативные регуляторы симбиозасигнальные взаимодействиясистемная регуляция развития клубеньковэволюция симбиозагенетическое конструированиеRussian Science FoundationРоссийский научный фондRSF 18-16-00073РНФ 18-16-00073Проворов Н.А., Тихонович И.А. Генетические основы эволюции бактерий – симбионтов растений. – СПб.: Информ-Навигатор, 2016. – 240 с. [Provorov NA, Tikhonovich IA. Geneticheskie osnovy evolutsii bakteriy – simbiontov rasteniy. Saint Petersburg: Inform-Navigator; 2016. 240 p. (In Russ.)]Peoples MB, Brockwell J, Herridge DF, et al. The contributions of nitrogen-fixing crop legumes to the productivity of agricultural systems. Symbiosis. 2009;48(1-3):1-17. https://doi.org/10.1007/bf03179980.Проворов Н.А., Долгих Е.А. Метаболическая интеграция организмов в системах симбиоза // Журнал общей биологии. – 2006. – Т. 67. – № 6. – C. 403–422. [Provorov NA, Dolgikh EA. Metabolic integration of organisms within symbiotic systems. Journal of general biology. 2006;67(6):403-422. (In Russ.)]Проворов Н.А., Андронов Е.Е. Эволюция клубеньковых бактерий: реконструкция процессов видо образования, обусловленных перестройками генома в системе симбиоза // Микробиология. – 2016. – Т. 85. – № 2. – С. 195–206. [Provorov NA, Andronov EE. Evolution of rootnodule bacteria: reconstruction of the speciation processes resulting from genomic rearrangements in a symbiotic system. Micro biology. 2016;85(2):131-139. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0026365616020166.Hirsch AM, Lum MR, Downie JA. What Makes the Rhizobia-Legume Symbiosis So Special? Plant Physiol. 2001;127(4):1484-1492. https://doi.org/10.1104/pp.010866.Онищук О.П., Воробьев 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. – № 2. – С. 3–10. [Onishchuk OP, Vorobyov NI, Provorov NA, Simarov BV. Simbioticheskaya aktivnost rizobiy lutserni (Sinorhizobium meliloti) s geneticheskimi modifikatsiyami sistemy transporta dikarbonovikh kislot. Ecological genetics. 2009;7(2):3-10. (In Russ.)]Онищук О.П., Проворов Н.А., Воробьев Н.И., Симаров Б.В. Оценка фенотипического проявления бактериальных генов, контролирующих эффективность азотфиксирующего симбиоза с растениями // Сельскохозяйственная биология. – 2011. – № 1. – С. 32–42. [Onishchuk OP, Provorov NA, Vorobyov NI, Simarov BV. Otsenka fenotipicheskogo proyavleniya bakterialnikh genov, kontroliruyushchikh effektivnost azotfiksiruiushchego simbioza s rastenyami. Agricultural Biology. 2011;(1):32-42. (In Russ.)]Проворов Н.А., Онищук О.П., Курчак О.Н. Габитус и продуктивность люцерны (Medicago sativa L.) в зависимости от инокуляции штаммами Sinorhizobium meliloti, различающимися по солеустойчивости // Сельскохозяйственная биология. – 2016. – Т. 51. – № 3. – С. 343–350. [Provorov NA, Onishchuk OP, Kurchak ON. Impacts of inoculation with Sinorhizobium meliloti strains differing in salt tolerance on the productivity and habitus of alfalfa (Medicago sativa L.). Agricultural Bio logy. 2016;51(3):343-350. (In Russ.)]. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2016.3.343rus.Azarakhsh M, Lebedeva MA, Lutova LA. Identification and Expression Analysis of Medicago truncatula Isopentenyl Transferase Genes (IPTs) Involved in Local and Systemic Control of Nodulation. Front Plant Sci. 2018;9:304. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00304.Lelandais-Briere C, Moreau J, Hartmann C, Crespi M. Noncoding RNAs, Emerging Regulators in Root Endosymbioses. Mol Plant Microbe Interact. 2016;29(3): 170-180. https://doi.org/10.1094/MPMI-10-15-0240-FI.Доросинский Л.М. Конкурентная способность клубеньковых бактерий // Биологический азот в сельском хозяйстве СССР. – М.: Наука, 1989. – С. 27–34. [Dorosinskiy LM. Konkurentnaya sposobnost klubenkovikh bakteriy. In: Biologicheskiy azot v sel’skom khozyaystve SSSR. Moscow: Nauka; 1989. P. 27-34. (In Russ.)]Онищук О.П., Симаров Б.В. Гены, контролирующие нодуляционную конкурентоспособность клубеньковых бактерий // Генетика. – 1996. – T. 32. – № 8. – C. 1157–1166. [Onishchuk OP, Simarov BV. Geni kontroloruyushchie nodulyatsionnuyu konkurentosposobnost klubenkovykh bakteriy. Russian Journal of Genetics. 1996;32(8):1157-1166. (In Russ.)]Pobigaylo N, Szymczak S, Nattkemper TW, Be cker A. Identification of genes relevant to symbiosis and competitiveness in Sinorhizobium meliloti using signature-tagged mutants. Mol Plant Microbe Interact. 2008;21(2):219-231. https://doi.org/10.1094/MPMI-21-2-0219.Онищук О.П., Воробьев Н.И., Проворов Н.А. Нодуляционная конкурентоспособность клубеньковых бактерий: генетический контроль и адаптивное значение // Прикладная биохимия и микробиология. – 2017. – Т. 53. – № 2. – С. 127–135. [Oni shchuk OP, Vorobyov NI, Provorov NA. Nodulation competitiveness of nodular bacteria: genetic control and adaptive significance. Applied Biochemistry and Microbiology. 2017;53(2):127-135. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0555109917020131.Haag AF, Arnold MF, Myka KK, et al. Molecular insights into bacteroid development during Rhizobium-legume symbiosis. FEMS Microbiol Rev. 2013;37(3):364-383. https://doi.org/10.1111/1574-6976.12003.Проворов Н.А., Воробьев Н.И. Эволюция полезных для растений признаков у азотфиксирующих бактерий: моделирование и конструирование систем межвидового альтруизма // Прикладная биохимия и микробиология. – 2015. – Т. 51. – № 4. – С. 363–370. [Provorov NA, Vorobyov NI. Evolution of host-beneficial traits in nitrogen-fixing bacteria: modeling and construction of systems for interspecies altruism. Applied Biochemistry and Microbiology. 2015;51(4):363-370. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0555109915040145.Zilber-Rosenberg I, Rosenberg E. Role of microorganisms in the evolution of animals and plants: the hologenome theory of evolution. FEMS Microbiol Rev. 2008;32(5):723-735. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2008.00123.x.Проворов Н.А., Симаров Б.В., Федоров С.Н. Симбиотические свойства разных типов мутантов клубеньковых бактерий // Известия АН СССР, серия биологическая. – 1985. – № 6. – С. 870–884. [Provorov NA, Simarov BV, Fedorov SN. Simbioticheskie svoystva raznikh tipov mutantov klubenkovykh bakteriy. Izvestiya AN SSSR, seriya biologicheskaya. 1985;(6):870-884. (In Russ.)]Sugawara M, Sadowsky MJ. Enhanced nodulation and nodule development by nolR mutants of Sinorhizobium medicae on specific Medicago host genotypes. Mol Plant Microbe Interact. 2014;27(4):328-335. https://doi.org/10.1094/MPMI-10-13-0312-R.Frederix M, Edwards A, Swiderska A, et al. Mutation of praR in Rhizobium leguminosarum enhances root biofilms, improving nodulation competitiveness by increased expression of attachment proteins. Mol Microbiol. 2014;93(3):464-478. https://doi.org/10.1111/mmi.12670.Plazinski J. Tn5-inherited mutant strain of Rhizobium meliloti with a highly increased ability to fix nitrogen for lucerne. Microbiol Lett. 1981;18(1):137-142.Sharypova LA, Onishchuk OP, Chesnokova ON, et al. Isolation and characterization of Rhizobium meliloti Tn5 mutants showing enhanced symbiotic effectiveness. Microbiology. 1994;140(3):463-470. https://doi.org/10.1099/00221287-140-3-463.Sharypova LA, Yurgel SN, Keller M, et al. The eff-482 locus of Sinorhizobium meliloti CXM1–105 that influences symbiotic effectiveness consists of three genes encoding an endoglycanase, a transcriptional regulator and an adenylate cyclase. Mol Gen Genet. 1999;261(6):1032-1044. https://doi.org/10.1007/s004380051052.Проворов Н.А., Онищук О.П., Юргель С.Н., и др. Конструирование высокоэффективных симбиотических штаммов бактерий: эволюционные модели и генетические подходы // Генетика. – 2014. – Т. 50. – № 11. – С. 1273–1285. [Provorov NA, Onishchuk OP, Yurgel SN, et al. Construction of highly effective symbiotic bacteria: evolutionary models and genetic approaches. Russian Journal of Genetics. 2014;50(11):1273-1285. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0016675814110113.Marroqui S, Zorreguieta A, Santamaria C, et al. Enhanced symbiotic performance by Rhizobium tropici glycogen synthase mutants. J Bacteriol. 2001;183(3):854-64. https://doi.org/10.1128/JB.183.3.854-864.2001.Юргель С.Н., Шарыпова Л.A., Симаров Б.В. Tn5 мутации Rhizobium meliloti, вызывающие повышение редокс-потенциала свободноживущих клеток и эффективность их симбиоза с люцерной // Генетика. – 1998. – Т. 34. – № 6. – С. 737–741. [Yurgel SN, Sharypova LA, Simarov BV. Tn5 mutatsii Rhizobium meliloti vyzyvaushchie povyshenie redox-potentsiala svobodnozhivushchikh kletok i effectivnost ikh simbioza s lutsernoy. Russian Journal of Genetics. 1998;34(6):737-741. (In Russ.)]Онищук О.П., Шарыпова Л.А., Курчак О.Н., и др. Выявление генов Sinorhizobium meliloti, влияющих на синтез поверхностных полисахаридов и конкурентоспособность // Генетика. – 2005. – Т. 41. – № 12. – С. 1617–1623. [Onishchuk OP, Sharypova LA, Kurchak ON, et al. Identification of Sinorhizobium meliloti genes influencing synthesis of surface polysaccharides and competitiveness. Russian Journal of Genetics. 2005;41(12): 1617-1623. (In Russ.)]Затовская Т.В. Получение и анализ Tn5-мутантов Sinorhizobium meliloti с измененными поверхностными полисахаридами: Автореф. дис. … канд. биол. наук. – СПб., 2012. – 18 с. [Zatovskaya TV. Poluchenie i analiz Tn5-mutantov Sinorhizobium meliloti s izmenennymi simbioticheskimi svoystvami. [dissertation] Saint Petersburg; 2012. 18 p. (In Russ.)]Provorov NA, Tikhonovich IA. Genetic resources for improving nitrogen fixation in legume-rhizobia symbiosis. Genet Resour Crop Evol. 2003;50(1):89-99. https://doi.org/10.1023/A:1022957429160.Meschini EP, Blanco FA, Zanetti ME, et al. Host genes involved in nodulation preference in common bean (Phaseolus vulgaris)-rhizobium etli symbiosis revealed by suppressive subtractive hybridization. Mol Plant Microbe Interact. 2008;21(4):459-468. https://doi.org/10.1094/MPMI-21-4-0459.Jorrin B, Imperial J. Population Genomics Analysis of Legume Host Preference for Specific Rhizobial Genotypes in the Rhizobium leguminosarum bv. viciae Symbioses. Mol Plant Microbe Interact. 2015;28(3):310-8. https://doi.org/10.1094/MPMI-09-14-0296-FI.Simonsen AK, Stinchcombe JR. Standing genetic variation in host preference for mutualist microbial symbionts. Proc Biol Sci. 2014;281(1797). https://doi.org/10.1098/rspb.2014.2036.Westhoek A, Field E, Rehling F, et al. Policing the legume-Rhizobium symbiosis: a critical test of partner choice. Sci Rep. 2017;7(1):1419. https://doi.org/10.1038/s41598-017-01634-2.Denison RF, Toby Kiers E. Why are most rhizobia beneficial to their plant hosts, rather than parasitic? Microbes Infect. 2004;6(13):1235-1239. https://doi.org/10.1016/j.micinf.2004.08.005.Novak K, Skrdleta V, Kropakova M, et al. Interaction of two genes controlling symbiotic nodule number in pea (Pisum sativum L.). Symbiosis. 1997;23(1):43-62.Sprent JI. Evolving ideas of legume evolution and diversity: a taxonomic perspective on the occurrence of nodulation. New Phytol. 2007;174(1):11-25. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2007.02015.x.Van de Velde W, Zehirov G, Szatmari A, et al. Plant peptides govern terminal differentiation of bacteria in symbiosis. Science. 2010;327(5969):1122-1126. https://doi.org/10.1126/science.1184057.