CC BY
212
СИМБИОГЕНЕГИКА
© о. ю. штарк, А. ю. Борисов, в. а. Жуков, т. а. неманкин, и. А. тихонович
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии РАСХН, Санкт-Петербург
& бобовые растения обладают генетической системой, обеспечивающей взаимодействие с различными полезными (для растений) почвенными микроорганизмами (ппМ). эта система сформировалась на основе генетических механизмов, возникших в ходе коэволюции растений с грибами арбускулярной микоризы (АМ) и обеспечивших преадаптацию к дальнейшей эволюции взаимодействия с ппМ. предложена концепция использования ппМ в адаптивном растениеводстве, предполагающая создание многокомпонентных растительно-микробных сообществ на основе сортов бобовых с высоким потенциалом взаимодействия с ппМ.
& ключевые слова: Бобовые (Leguminosae, или Fabaceae); мутуалистический симбиоз; Glomeromycota; арбускулярная микориза; клубеньковые бактерии; бобово-ризобиальный симбиоз; PGPB (стимулирующие рост растений бактерии); генетика растений; эволюция; симбиотическая эффективность; селекция растений; адаптивное растениеводство.
Поступила в редакцию 20.01.2011 Принята к публикации 22.04.2011
УДК 575:577.2:579.262:579.64:582.736: 631.147:631.52:631.86
многокомпонентный симбиоз бобовых C полезными почвенными микроорганизмами:
ГЕНЕТИЧЕСКОЕ И ЭВОЛЮЦИОННОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В адаптивном растениеводстве
список сокращений
ППМ — полезные почвенные микроорганизмы
АМ — арбускулярная микориза
БРС — бобово-ризобиальный симбиоз
PGPB (от англ. «plant growth-promoting bacteria») — бактерии, стимулирующие рост растений) ПБМ — перибактероидная мембрана ПАМ — периарбускулярная мембрана
CSP (от англ. «common symbiotic pathway») — общий симбиотический путь
МКС — многокомпонентный симбиоз
At, Cg, Lj, Mt, Os, Ps перед генетическими символами указывает вид растения: At — Arabidopsis thaliana, Cg — Casuarina glauca, Lj — Lotus japonicus, Mt — Medicago truncatula, Os — Oryza sativa, Ps — Pisum sativum.
введение
В современной концепции земледелия бобовые культуры, сем. Бобовые (Leguminosae, или Fabaceae), являются ключевым компонентом технологий производства сельскохозяйственной продукции растениеводства (Graham, Vance, 2003; http://www.grainlegumes.com/aep/). Бобовые способны к образованию, по крайней мере, двух типов мутуалистических (взаимовыгодных) эндосимбиозов: арбускулярной микоризы (АМ) с грибами Glomeromycota (Schüßler et al., 2001) и бобово-ризобиального симбиоза (БРС) с клубеньковыми бактериями различных филогенетически удаленных друг от друга таксонов (Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium и многими другими) (Sprent, 2001; Balachandar et al., 2007), объединяемых под названием ризо-бии. Оба симбиоза характеризуются формированием специализированных симбиотических структур, компартментов, высокой степенью генетической и метаболической интеграции партнеров, и в значительной степени контролируются растением (Provorov et al., 2010).
Симбиотические взаимодействия с грибами АМ, к которым способно большинство видов наземных растений (80—90 %), улучшают водный статус и минеральное питание растения необходимыми элементами, прежде всего фосфором и азотом, повышают устойчивость растений к фитопатогенам и абиотическим стрессам. Важными экологическими функциями грибов АМ являются объединение растений различных видов в фитоценозах посредством единой гифальной сети и участие в формировании структуры почвы (Smith, Read, 2008; Koltai, Kapulnik, 2010).
Особенностью БРС является высокая специфичность, проявляющаяся в том, что определенные виды/штаммы (или группы) клубеньковых бактерий образуют совместимые пары лишь с определенными родами/видами/
разновидностями (или группами) бобовых. При этом на корнях растений развиваются специализированные структуры — клубеньки, предоставляющие бактериям экологическую нишу и условия для фиксации атмосферного азота (Sprent, 2001; Dilworth et al., 2008). Благодаря образованию БРС бобовые растения могут расти в субстратах, не содержащих связанного азота. Осуществление процесса фиксации определяет значительную роль БРС в круговороте азота в природе (Vance, 2001).
Бобовые, как и многие другие растения, могут образовывать ассоциации с различными полезными для растений ризосферными бактериями-эпифитами и эндофитными бактериями, объединяемыми под термином PGPB (от англ. «plant growth-promoting bacteria» — бактерии, стимулирующие рост растений), родов Agrobacterium, Azospirillum, Bacillus, Erwinia, Flavobacterium, Paenibacillus, Pseudomonas, Streptomyces и др. Для подобных ассоциаций не характерно формирование специализированных симбио-тических структур, и взаимодействие с растением не является видо- или штаммоспецифичным. Описаны различные механизмы положительного влияния PGPB на рост растений, как прямого, так и опосредованного (Glick, 1995; Игнатов, 2005; Compant et al., 2005; Bakker et al., 2007; Schulz et al., 2006).
Таким образом, мутуалистические симбиозы с полезными (для растений) почвенными микроорганизмами (ППМ), такими как грибы АМ, клубеньковые бактерии и PGPB, предоставляют растениям дополнительные возможности для выживания в различных условиях, а микросимбионтам — продукты фотосинтеза и экологическую нишу (Bakker et al., 2007; White et al., 2007; Dilworth et al., 2008; Smith, Read, 2008; Koltai, Kapulnik, 2010). Такие растительно-микробные системы способствуют поддержанию естественного плодородия почв и биологического разнообразия экосистем. Применение микробных препаратов (микробиологических удобрений) на основе ППМ (Brockwell et al., 1995; Vance, 2001; Sessitsch et al., 2002; Кожемяков, Чеботарь, 2005; Sandhu et al., 2010) позволяет снизить затраты на агрохимикаты и уменьшить хемогенную нагрузку на окружающую среду, что соответствует принципам адаптивного земледелия.
Результативность применения биопрепаратов нередко оказывается низкой, что может быть связано с высокой конкуренцией или горизонтальным переносом генов между представителями аборигенной микрофлоры и интродуцентами (Brockwell et al., 1995; Glick, 1995). Кроме того, многие современные культурные сорта растений оказались неспособны к обоюдовыгодным взаимодействиям с ППМ по той причине, что их селекция проводилась на фоне высоких доз минеральных удобрений и химических средств защиты растений (Provorov, Tikhonovich, 2003). В то же время именно растение, имеющее продолжительный жизненный цикл и, соответственно, более генетически стабильное во
времени, чем микроорганизмы, является организующим и управляющим элементом взаимовыгодной растительно-микробной системы (Provorov, Vorobyov, 2009). К сожалению, в современной селекционной работе повышению эффективности взаимодействия растений с ППМ уделяется недостаточное внимание.
В последнее десятилетие благодаря использованию современных достижений в области молекулярной и клеточной биологии достигнут значительный прогресс в понимании механизмов взаимодействий во взаимовыгодных растительно-микробных системах. Установлено, что в генно-метаболической интеграции растений с разнообразными ППМ задействованы сходные механизмы, которые, по-видимому, имеют общее эволюционное происхождение. В данном обзоре основное внимание уделено общей роли растения в генетическом контроле формирования и функционирования различных мутуа-листических симбиозов бобовых, рассмотрены современные представления об их эволюции. Обсуждается возможность и необходимость практического использования комплекса ППМ для инокуляции бобовых и, в частности, при их селекции на повышение потенциала взаимодействий с ППМ. Предложена оригинальная концепция практического применения мутуалистичес-ких растительно-микробных взаимодействий в системах адаптивного растениеводства.
развитие и функционирование мутуалис-тических симбиозов бобовых
Взаимное «узнавание» партнеров
Первым этапом формирования симбиозов между растениями и микроорганизмами является процесс обмена диффундирующими сигнальными молекулами, предшествующий физическому контакту и обеспечивающий взаимное обнаружение и узнавание партнеров (рис. 1, г). В БРС роль специфических сигнальных молекул, выделяемых растением, принадлежит (изо)фла-воноидам (Hirsch et al., 2001). В клетках клубеньковых бактерий они индуцируют синтез так называемых Nod-факторов (от англ. «nodulation factor») — липохито-олигосахаридных молекул, структура которых уникальна для каждой видовой комбинации бактерия/растение (D'Haeze, Holsters, 2002; рис. 1, а). Растение, в свою очередь, распознает структуру Nod-факторов (благодаря наличию специфических рецепторных белков) и затем активирует программы развития БРС (Madsen et al., 2003; Radutoiu et al., 2003, рис. 1, з).
Известно, что при развитии АМ неспецифическими индукторами роста и ветвления грибных гиф могут служить различные фенольные соединения, включая флавоноиды, и сесквитерпены, известные также как индукторы прорастания спор растений-паразитов (Akiyama et al., 2005; Koltai, Kapulnik, 2010). Как и ризобии, грибы АМ продуцируют сигнальные молекулы, способные узнаваться рас-
тением. Они получили название Myc-факторов (от англ. «mycorrhization factor») (Kosuta et al., 2003) и представляют собой смесь нескольких липохитоолигосахаридов, близких по структуре Nod-факторам ризобий (Maillet et al., 2011; рис. 1, д). Молекулы сесквитерпенов и Myc-факто-ров выделяются конститутивно и в отсутствие физического контакта партнеров симбиоза (Navazio et al., 2007).
Взаимное узнавание партнеров происходит также и на следующем этапе развития симбиоза — при установлении непосредственного контакта между микросимбионтом и корнем растения. Механизмы прикрепления бактерий к клеткам хозяина, по-видимому, являются универсальными. Как PGPB, так и ризобии (которые могут выступать в качестве PGPB при взаимодействии с не бобовыми растениями) формируют биопленки на поверхности корней и выделяют экзополисахариды, взаимодействующие с лектинами растительных клеток, что может определять специфичность симбиоза (Игнатов, 2005; Jones et al., 2007; Jones et al., 2008; Downie, 2010). Кроме того, некоторые экзополисахариды ризо-бий необходимы не только для прикрепления бактерий к корневому волоску, но и для успешного процесса колонизации, однако играют ли они при этом роль сигналов для растения, остается пока неизвестным (Jones et al., 2007; Fournier et al., 2008; Downie, 2010).
Процесс взаимного узнавания гриба АМ и растения при установлении физического контакта в симбиозе изучен слабо. Но известно, что апрессории, или гифоподии (структуры прикрепления гриба АМ к корню) (Smith, Read, 2008; Koltai, Kapulnik, 2010) развиваются только в присутствии фрагментов клеточной стенки микотрофного растения (Nagahashi, Douds, 1997).
Таким образом, взаимное узнавание партнеров, в котором важную роль играют как диффундирующие сигналы, так и непосредственное взаимодействие поверхностных молекул партнеров, является общим свойством мутуалистических симбиозов, образуемых бобовыми растениями.
Процесс колонизации и формирование симбиотических компартментов
Показано, что растения играют в проникновении микросимбионтов в корень активную роль, причем при развитии различных симбиозов задействованы сходные механизмы (Genre et al., 2005; Fournier et al., 2008; Parniske, 2008). Клубеньковые бактерии проникают в корень большинства видов бобовых растений через клетку корневого волоска (ризодермы) (рис. 1, г). Колонизация корня (включая корневой волосок и кору) происходит через специальную тубулярную структуру (так называемую инфекционную нить), которая строится растением вглубь от клетки к клетке. Образованию инфекционной нити предшествует формирование в клетках корня цитос-келетного цилиндра (так называемой пре-инфекционной нити), определяющего направление развития инфекци-
онной нити (van Brüssel et al., 1992; рис. 1, б). Проникновение гриба AM в растение через клетки ризодермы и коры корня также происходит при участии цитоскелета хозяина. Формирующаяся при этом структура получила название «аппарат, предшествующий проникновению» (Genre et al., 2005; Koltai, Kapulnik, 2010; рис. 1,
е). Наряду с перестройкой цитоскелета проникновению как ризобий, так и грибов AM предшествуют миграция ядра и инвагинация цитоплазматической мембраны растительной клетки (Takemoto, Hardham, 2004; Timmers et al., 2007; Fournier et al., 2008; Koltai, Kapulnik, 2010).
Результатом эволюции БРС является эндоцитозопо-добный «захват» клубеньковых бактерий цитоплазмой растительной клетки, происходящий при успешной колонизации (Limpens et al., 2005; Проворов, 2009). При этом бактерии обособляются от инфекционной нити и окружаются так называемой перибактероидной мембраной (ПБM) растительного происхождения, образуя симбиосо-мы (см. обзор Brewin, 2004) (рис. 1, в). Внутри симбиосом клубеньковые бактерии претерпевают дифференцировку, образуя бактероиды, осуществляющие фиксацию атмосферного азота. При развитии архаичных БРС фиксация азота происходит без эндоцитоза в так называемых фиксационных нитях (Sprent, 2001; 2007; Brewin, 2004).
Одной из особенностей AM является неразрывность мицелия гриба на всех стадиях развития симбиоза. Внутрикорневые и внешние участки мицелия остаются связанными с симбиотическими компартментами — ар-бускулами (Genre, Bonfante, 2005; рис. 1, г). Aрбускулы, образующиеся в результате многократного дихотомического ветвления грибной гифы в клетках внутренней коры корня, окружены так называемой периарбуску-лярной мембраной ^AM) (Smith, Read, 2008; рис. 1,
ж) растительного происхождения, которая гомологична TOM симбиосомы (Parniske, 2000; Parniske, 2008).
Симбиотические мембраны (ПБM и ПAM) обеспечивают метаболическую интеграцию партнеров при эндосимбиозах (БРС и AM, соответственно). Mежду симбиотической мембраной и клеткой микросимбионта формируется активный «интерфейс» (перибактероид-ное (для БРС) или периарбускулярное (для AM) пространство), включающий в себя полисахариды и ферменты, синтезируемые обоими партнерами (Parniske, 2000; Brewin, 2004; Genre, Bonfante, 2005; Fournier et al., 2008; Koltai, Kapulnik, 2010), что также отражает сходство БРС и AM.
Регуляция растением мутуалистических симбиозов
В клубеньках, микоризованных корнях и при взаимодействиях растений с PGPB наблюдается активация процессов, сходных с защитными реакциями растения на патогены (Gianinazzi-Pearson, 1996; Preston, 2004; Vallad, Goodman, 2004; Tikhonovich, Provorov, 2007; Jones et al., 2007; Koltai, Kapulnik, 2010). Следует от-
Рис. 1. Молекулярные и клеточные механизмы формирования бобово-ризобиального симбиоза (БРС) и арбускулярной микоризы (АМ). г — общая схема развития БРС и АМ. Основные этапы развития симбиоза: I — взаимное «узнавание» партнеров до установления физического контакта; II — проникновение микросимбионта в корень и его колонизация; III — формирование специализированных симбиотических структур, обеспечивающих метаболическую интеграцию партнеров симбиоза. а, б, в — БРС; д, е, ж — АМ. а, д — химическая структура молекулярных сигналов микросимбионтов в общем виде: a — Nod-фактор: n = 0...3, RL = C16:0, C16:1, С18:0...С18:4, C18:1A11Z или др., R2 = H или метил, R3, R4 и R5 = Н, карбомоил или ацетил, R = Н, SO3H, ацетил, фукозил, метил-фукозил, ацетил-метил-фукозил, сульфометил-фукозил или арабинозил, R7 = Н, глицерин или маннозил, R8 = H или метил, R = Н, фукозил или араби-нозил, Rg = Н, ацетил или фукозил. д — Myc-фактор: n = 1 или 2, RL = C16:0, C16:1, C16:2, C18:0 или C18:1A9Z, RS = H или SO3H. б, е — проникновение микросимбионтов в клетки корня. в, ж — формирование симбиотических структур. з — схема последовательного функционирования белковых продуктов регуляторных симбиотических генов (Sym-генов) в процессе развития БРС и АМ (описание см. в тексте). КБ — клубеньковая бактерия, Я — ядро растительной клетки, ПИН — пре-инфекционная нить, ИН — инфекционная нить, ИК — инфекционная капля, СС — симбиосома, БА — бактероид, ПБМ — перибактероидная мембрана, ПБП — перибактероидное пространство, КП — клубеньковый примордий, КЛ — клубенек, СП — спора гриба АМ, АП — апрессорий, ВНМ — внешний мицелий, АПП — аппарат, предшествующий проникновению, ВКГ — внутрикорневая гифа, ВКМ — внутрикорневой мицелий, АРБ — арбускула, ПАМ — периарбускулярная мембрана, ПАП — периарбускулярное пространство.
метить, что при мутуалистических взаимодействиях эти реакции растения менее выражены, чем при патогенезе, и, вероятно, находятся под контролем регуляторных симбиотических генов. Элиситорами защитных реакций при взаимодействиях с ППМ, по-видимому, могут служить Nod-фактор и специфические поверхностные полисахариды ризобий (Jones et al., 2007), Myc-фак-тор и/или компоненты клеточной стенки грибов АМ (Garcia-Garrido, Ocampo, 2002) и целый ряд молекул, находящихся на поверхности или секретируемых PGPB (Preston, 2004). Считается, что активация защитных механизмов растения в результате инокуляции ППМ может быть одной из причин повышения системной устойчивости растения к патогенам (Preston, 2004; Vallad, Goodman, 2004; Koltai, Kapulnik, 2010).
Кроме локальной регуляции развития мутуалисти-ческих эндосимбиозов, бобовые обладают также системной авторегуляцией, которая позволяет обеспечивать баланс симбиотрофного питания с энергетически более выгодным — автотрофным (Caetano-Anolles, Gresshoff, 1991) и проявляется, в частности, в инги-бировании развития БРС нитратами, а в случае АМ — фосфатами. Нарушение системной авторегуляции приводит к образованию избыточного количества сим-биотических структур как при БРС (Caetano-Anolles, Gresshoff, 1991; Krusell et al., 2002; Gresshoff et al., 2009), так и при развитии АМ (Morandi et al., 2000).
Значительную роль в регуляции симбиотических взаимодействий с микроорганизмами играет и гормональная система растений. Цитокинин играет роль одного из главных позитивных регуляторов БРС (Murray et al., 2007; Tirichine et al., 2007) и АМ (Barker, Tagu, 2000). Этилен, являющийся универсальной сигнальной молекулой, запускающей защитные реакции растения в ответ на стрессовые условия, в том числе патогены (Bleecker, Kende, 2000), напротив, играет роль негативного регулятора в формировании БРС (Gresshoff et al., 2009), АМ (Geil et al., 2001) и при взаимодействии с PGPB (Vallad, Goodman, 2004).
Таким образом, несмотря на значительные различия в таксономии, специфичности, морфологии, а также разные механизмы положительного влияния микросимбионтов на рост растений, существуют общие биологические основы формирования и функционирования симбиозов бобовых. Наиболее выраженное сходство выявляется при сравнении развития БРС и АМ — на этапах узнавания (Nod- и Myc-факторы), колонизации (пре-инфек-ционная нить и аппарат, предшествующий проникновению), формирования симбиотических компартментов (инфекционная нить и внутрикорневой мицелий, ПБМ и ПАМ), локальных защитных реакциях, их интенсивности и принципе системной регуляции. Некоторые общие механизмы, например прикрепления клубеньковых бактерий к корню или активации защитных реакций растения, реализуются и при взаимодействии с PGPB. Следова-
тельно, должны существовать сходные системы генетического контроля различных мутуалистических симбиозов (в том числе, со стороны растения).
генетическая система бобовых,
контролирующая развитие
и функционирование симбиотических
систем
Изучение симбиозов, формируемых лядвенцем японским (Lotusjaponicus (Regel.) Larsen) и люцерной слабоусеченной (Medicago truncatula Gaertn.) — модельными объектами молекулярной симбиотической генетики растений (см. обзор: Жуков и др., 2009), позволило выявить основные закономерности развития и функционирования мутуалистических симбиозов бобовых. Благодаря высокому уровню макро- и микросинтении геномов бобовых полученная информация может быть использована для анализа сельскохозяйственнозначимых культур бобовых, таких как клевер (Trifolium sp.), соя (Glycine max Merr.), фасоль (Phaseolus vulgaris L.) и горох (Pisum sativum L.) (Жуков и др., 2009; Young, Udvardi, 2009).
Для идентификации генов бобовых, вовлеченных в развитие и функционирование симбиозов, традиционно используют два подхода: экспериментальный мутагенез, позволяющий выявлять однокопийные регуляторные гены (Sym-гены, Lie, 1971), и анализ дифференциальной экспрессии генов — для поиска генов, кодирующих «молекулярную машину» симбиоза.
Регуляторные гены бобовых, контролирующие развитие и функционирование БРС и Ам
Первые симбиотические гены были идентифицированы у спонтанных мутантов бобовых растений из природных популяций (Nutman, 1946) и позже — у экспериментально полученных мутантов с нарушениями образования клубеньков и/или азотфиксации (Jacobsen, 1984). Большинство Sym-генов экспрес-сируется только в корнях, что было показано методом прививок (Duc, Messager, 1989) и, по-видимому, участвует в локальной регуляции симбиоза. Удивительным оказался факт, что мутации, затрагивающие способность растения к формированию БРС, в некоторых случаях нарушали также развитие АМ (см. обзор: Gianinazzi-Pearson, 1996). Было сделано предположение о наличии «общих» генов, необходимых для развития обоих мутуалистических симбиозов бобовых (Gianinazzi-Pearson, 1996), которое было подтверждено после клонирования и секвенирования серии Sym-генов бобовых растений.
Благодаря изучению молекулярно-биохимических функций Sym-генов было выяснено, что они контролируют рецепцию сигнальных молекул микросимбионта и последующую передачу этого сигнала, а также регулируют экспрессию генов «молекулярной машины
Таблица 1
«общие» регуляторные симбиотические гены бобовых и их ближайшие гомологи у небобовых растений
Предполагаемая роль в симбиозе Предполагаемая функция генного продукта Гены бобовых растений Гены небобовых растений Ссылки
Lotus japonicus Medicago truncatula Pisum sativum Oryza sativa Arabidopsis thaliana
Трансдукция сигнала микросимбионта (общий симбиотический путь, CSP) Рецепторная киназа LjSYMRK MtDMI2 PsSym19 OsSYMRK Отсутствует Endre et al., 2002; Stracke et al., 2002; Zhu et al., 2005; Markmann, Parniske, 2009
Катионный канал LjCASTOR, LjPOLLUX MtDMI1 PsSym8 OsDMI1 At5g49960 Ane et al., 2004; Imaizu-mi-Anraku et al., 2005
Са2+/ кальмодулин-зависимая киназа (ССаМК) LjCCaMK MtDMI3 PsSym9 OsDMI1 Отсутствует Levy et al., 2004; Mitra et al., 2004; Zhu et al., 2005; Tirichine et al., 2006
Белок, взаимодействующий с ССаМК LjCY-CLOPS MtIPD3 PsSym33 OsIPD3 Отсутствует Messinese et al., 2007; Chen et al., 2008; Yano et al., 2008; Ovchin-nikova et al., 2010
Регуляция экспрессии генов, участвующих в развитии инфекции и органогенезе клубенька Регулятор транскрипции из GRAS-семейства LjNSP2 MtNSP2 PsSym7 OsNSP2 At4g08250 Kalo et al., 2005; Zhu et al., 2005; Murakami et al., 2007; Yokota et al., 2010; Dolgikh et al., 2011; Maillet et al., 2011
Системная регуляция Рецепторная киназа LjHAR1 MtSUNN PsSym29 OsFON1 AtCLAVATA1 Krusell et al., 2002; Nishimura et al., 2002; Suzaki et al., 2004; Schnabel et al., 2005
симбиоза». Показана также роль некоторых Sym-ге-нов в системной регуляции образования БРС и АМ (Parniske, 2008; Жуков и др., 2009; Provorov et al., 2010; Shtark et al., 2010; Madsen et al., 2010). Сек-венирование «общих» Sym-генов, необходимых для развития БРС и АМ (LjSYMRK/MtDMI2/PsSym19; LjCASTOR, LjPOLLUX/MtDMI1/PsSym8; LjCCaMK/ MtDMI3/PsSym9), показало, что они кодируют ключевые компоненты общего для обоих симбиозов сигнального каскада, обозначенного как общий симбиотичес-кий путь (CSP, от англ. «common symbiotic pathway») (Parniske, 2008; Жуков и др., 2009; Provorov et al., 2010; Shtark et al., 2010; табл. 1). К CSP может быть также отнесен ген LjCYCLOPS/MtIPD3/PsSym33, взаимодействующий с LjCCaMK/MtDMI3/PsSym9 (табл. 1), функция которого, однако, различается при развитии БРС и АМ. Кроме того, известны гены, не относящиеся к CSP, например LjHAR1/MtSUNN/PsSym29, задействованный в системной регуляции БРС и АМ, а также ген LjNSP2/MtNSP2/PsSym7 (табл. 1), кодирующий регулятор транскрипции. Таким образом, при формировании БРС и АМ трансдукция сигнала микросимбионта, как и регуляция интенсивности развития симбиоза, частично реализуются за счет «общих» для БРС и АМ генов.
Мутации в Sym-генах, ортологичных у люцерны, лядвенца и гороха, характеризуются сходным фенотипи-ческим проявлением, что свидетельствует об отсутствии принципиальных различий в регуляции развития и функционирования мутуалистических симбиозов, образуемых люцерной, лядвенцем и горохом (см. обзор: Жуков и др., 2009; Provorov et al., 2010), и в очередной раз под-тверждет «закон о рядах гомологической изменчивости» Н. И. Вавилова (Vavilov, 1922). Гены, ортологичные генам CSP, обнаружены также у небобовых растений (Zhu et al., 2005), например риса (Oryza sativa L.) (табл. 1). В частности, ген, гомологичный LjSYMRK/MtDMI2/ PsSyml9, кодирующий рецепторную киназу, обнаружен у представителей большинства таксонов высших растений, образующих актиноризные клубеньки (симбиоз с актинобактериями Frankia sp., близкий к БРС эволюци-онно и функционально) и/или АМ (Markmann, Parniske, 2009). Это позволяет предположить, что система регуляции развития АМ может быть едина для всех растений, способных к его образованию (Provorov et al., 2010). В то же время у семейства Капустные (Brassicaceae) (ранее крестоцветные), в частности у Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., способность к микоризации утрачена в эволюции, и отсутствует большая часть генов, гомологичных генам CSP (Zhu et al., 2005; табл. 1).
Нодулины, микоризины и симбиозины («молекулярная машина симбиоза»)
Анализ дифференциальной экспрессии генов делает возможным изучение генов и генных семейств, которые кодируют «молекулярную машину симбиоза» и необходимы для обеспечения метаболической интеграции симбионтов. Гены нодулины, характерные для БРС, и микоризины, характерные для АМ, были идентифицированы методами «обратной генетики» путем выявления белков и мРНК, синтезируемых de novo в симбио-тических клубеньках или корнях, колонизированных грибами АМ. Гены, экспрессия которых индуцируется при развитии как БРС, так и АМ, получили название симбиозинов (Küster et al., 2007). Предполагается, что индуцируемые гены кодируют ферменты усвоения фиксированного азота и фосфора, транспорта метаболитов через ПБМ и ПАМ, структурные компоненты симбиотических компартментов тканей и клеток растения, модуляторы гормонального статуса растений и др. (Gianinazzi-Pearson et al., 1996; Kistner et al., 2005; Küster et al., 2007).
Следует отметить, что некоторые нодулины, выявленные по повышению уровня их экспрессии в клубеньках, например LjENOD40a, LjENOD40b/ MtENOD40/PsENOD40 (ENOD — от англ. «early nodulin» — ранний нодулин), являются однокопий-ными генами, кодирующими транскрипционные регуляторы или компоненты мембран, и поэтому также могут исполнять регуляторную функцию, как и Sym-гены (Kumagai et al., 2006; Wan et al., 2007). В большинстве случаев, тем не менее, нодулины, микоризины и симбиозины играют опосредованную Sym-генами роль при развитии симбиозов, определяя их стабильность и эффективность (Küster et al., 2007; Kumagai et al., 2006; Wan et al., 2007). По этой причине весьма вероятно, что симбиозины могут являться детерминантами количественных признаков, характеризующих эффективность симбиозов. Наличие симбиозинов у бобовых также свидетельствует об эволюционной связи и общем генетическом базисе программ развития БРС и АМ.
Генетический контроль взаимодействия растений с pgpB
При взаимодействии растений с PGPB также наблюдается генетическая интеграция симбиотических партнеров, но менее выраженная, чем при БРС и АМ. Специфичность взаимодействия растений с PGPB невысока, однако показано, что его эффективность зависит как от генотипа бактерии, так и от генотипа растения-хозяина (Smith, Goodman, 1999; Belimov et al., 2000; Preston, 2004). Несмотря на отсутствие видимой анатомической дифференциации партнеров в ассоциациях растений с PGPB, в их развитие во-влечен ряд молекулярных механизмов (Preston,
2004; Игнатов, 2005; Sanchez et al., 2005), характерных для развития АМ и БРС. У M. truncatula при взаимодействии с Pseudomonas fluorescens индуцируется экспрессия ряда генов-микоризинов, в регуляции которых задействован ген CSP MtDMIS (Sanchez et al., 2005). Мутация в данном гене приводит к снижению численности псевдомонад, колонизирующих внутренние ткани корня, но не влияет на количество бактерий, ассоциированных с его поверхностью (Sanchez et al., 2005). Следовательно, ген MtDMIS является «общим» геном не только для БРС и АМ, но также для ассоциаций растений с PGPB и, по-видимому, контролирует проникновение симбиотических микроорганизмов в ткани корня растения.
Таким образом, существование общих механизмов генетического контроля рассмотренных выше растительно-микробных систем со стороны растения, а также высокая консервативность последовательностей симбиотических генов свидетельствуют об общих эволюционных корнях мутуалистических симбиозов. Вероятно, значительная часть генов, контролирующих эволюционно «молодой» БРС, не возникла de novo в процессе эволюции, а была заимствована из других программ развития растения, в первую очередь — развития АМ. Следовательно, за образование и функционирование БРС и АМ у бобовых ответственна единая система (разумеется, имеющая ряд элементов, специфичных для конкретных симбиозов), и этот факт необходимо учитывать в селекционных программах, направленных на повышение эффективности симбиозов бобовых растений.
эволюционная связь различных растительно-микробных систем
АМ существует уже около 400 млн. лет и в настоящее время рассматривается в качестве предковой формы му-туалистических симбиозов высших растений с микроорганизмами (Brundrett, 2002; Parniske, 2008; Проворов, 2009; Provorov et al., 2010). Эта гипотеза подтверждается данными палеоботаники (Remy et al., 1994) и молекулярной филогении растений и грибов АМ (Schüßler et al., 2001; Redecker, 2002). Грибы Glomeromycota представляют собой уникальную монофилетическую группу, предок которой является более древним, чем первые наземные растения (Schüßler et al., 2001). Предполагается, что появление способности растений к образованию мутуалистического симбиоза с грибами АМ позволило им перейти к наземному образу жизни. Анатомия корневой системы современных микотрофных растений свидетельствует о том, что она эволюционировала в симбиозе с грибами АМ (Brundrett, 2002).
БРС появился в эволюции значительно позже АМ, поскольку возраст бобовых насчитывает около 60 млн.
лет (см. обзор: Sprent, 2007). В то время как клубеньковые бактерии принадлежат к различным филогенетически удаленным друг от друга таксонам (Sprent, 2001; Balachandar et al., 2007), все растения, способные формировать азотфиксирующие клубеньки, включая БРС и актиноризу, принадлежат к единому таксону — кладе Ро-зиды I (Эурозиды I) (см. обзор: Sprent, 2007). Вероятно, общий предок этой клады не формировал клубеньки, но уже имел определенные преадаптации, позволившие этим симбиозам появиться в ходе эволюции. Эти преадаптации могут быть разделены на две относительно независимые группы: (1) различные механизмы, необходимые для формирования АМ, в том числе контроль микросимбионта в тканях растения; (2) способность растения формировать специальные ткани/органы и внутриклеточные компарт-менты, характерные для различных азотфиксирующих симбиозов (см. обзор: Проворов, 2009).
С использованием методов генетики, клеточной и молекулярной биологии был получен обширный материал для анализа преадаптаций первой группы. Было выявлено множество сходных процессов в ходе развития БРС и АМ, а также «общих» генов бобовых (Sym-генов и «симбиозинов»), участвующих в них (см. предыдущие части данного обзора). Некоторые из этих процессов, в частности регулируемых генами CSP, также задействованы в механизмах взаимодействия растений с PGPB (Sanchez et al., 2005) и актинобак-териями (Markmann, Parniske, 2009). Таким образом, некоторые растительные гены, вовлеченные во взаимодействие растений и грибов АМ, были «заимствованы» растениями для использования в программах развития БРС и других мутуалистических растительно-микробных симбиозов. С генетической системой, контролирующей развитие AM, по-видимому, в значительной степени перекрывается генетическая система растения, контролирующая развитие корней и минеральное питание, поскольку корневые системы современных наземных растений эволюционировали, очевидно, при постоянном взаимодействии с грибами AM (Brundrett, 2002).
Важную роль в эволюции взаимодействий растений и микроорганизмов играют конвергенция и параллельная эволюция. Растения обладают универсальными генными системами (Cronk et al., 2002), способными контролировать базовые функции эн-досимбиоза. Таким образом, по-видимому, растения-хозяева развивали сходные механизмы в ходе коэволюции с различными микроорганизмами (см. обзор: Проворов, 2009). В свою очередь, различные группы ППМ приобретали сходные механизмы адаптации к существованию в непосредственном контакте с различными тканями растений, используя более древнюю программу развития АМ (Проворов и др., 2008; Проворов, 2009). Действительно, микросимбионты многих других мутуалистических растительно-мик-
робных симбиозов, включая клубеньковые бактерии (Sprent, 2001; Balachandar et al., 2007), представляют собой полифилетические группы, что свидетельствует о более позднем появлении этих симбиозов в ходе параллельной эволюции.
Наиболее яркий пример адаптации микроорганизмов — приобретение различными неродственными видами клубеньковых бактерий способности к синтезу Nod-фактора. Эта молекула, близкая по структуре к Myc-фактору грибов АМ (Maillet, et al., 2011), является нехарактерным для бактерий хитин-подобным соединением. Предполагается, что «первые» ризобии использовали стратегию «молекулярной мимикрии», и впоследствии способность к синтезу Nod-фактора распространилась среди почвенных бактерий путем горизонтального переноса генов (см. обзор: Проворов, 2009).
Существует несколько гипотез происхождения клубеньковых бактерий. Согласно наиболее распространенному мнению, ризобии могли произойти от патогенных бактерий или PGPB, например агробак-терий, что подтверждается экспериментами с использованием замены плазмид агробактерий на плазмиды ризобий и наоборот, или азоспирилл, на что может указывать их таксономическое сходство с некоторыми ризобиями (см. обзоры: Sprent, 2001; Проворов, 2009). Эта гипотеза подтверждается также тем, что ризобии могут выступать в качестве PGPB (ризосфер-ных и эндофитных) для некомплементарных видов бобовых и широкого спектра растений, не являющихся бобовыми (Sessitsch et al., 2002), таким образом, вероятно, отражая ранние этапы эволюции клубеньковых бактерий.
По мнению авторов, наиболее вероятными предшественниками «первых» ризобий являются бактерии-спутники грибов АМ, среди которых есть внутриклеточные или обитающие на поверхности мицелия (включая бактерии-азотфиксаторы) (Barea et al., 2005; Artursson et al., 2006; Лабутова, 2009). Именно грибы АМ могли служить эффективным средством доставки бактерий в ткани растений, и, возможно, «первые» ризобии получили гены, необходимые для синтеза хитин-подобных сигналов, напрямую от грибов (Hirsch et al., 2001). Обнаружено таксономическое родство бактерий, формирующих БРС с относительно древним подсемейством бобовых Мимозовые (Mimosoideae), с некоторыми бактериальными эндосимбионтами грибов АМ (Minerdi et al., 2002; Balachandar et al., 2007). Для понимания роли этих бактерий в эволюции БРС необходимы дальнейшие сравнительные молекулярно-генетические исследования разнообразных видов ризобий и бактериальных спутников грибов.
Важно отметить, что в норме колонизация корней растения грибами АМ не сопровождается патогенезом корня растений (Smith, Read, 2008), следовательно, существует высокая избирательность грибов АМ в отно-
шении бактериальных спутников. Эта избирательность является важным фактором поддержания многосторонней мутуалистической симбиотической системы и устраняет нежелательные для растения и, соответственно, для всей мутуалистической системы сопутствующие микроорганизмы.
Таким образом, предполагается, что эволюция различных мутуалистических растительно-микробных систем происходила путем преобразования АМ в БРС и другие симбиозы. Однако данное преобразование не сопровождалось вытеснением исходного грибного симбионта. Существование подобной исторической преемственности позволяет рассматривать эти симбиозы как единый «эволюционный растительно-микробный континуум» (Проворов, 2009).
перспективы использования многокомпонентного симбиоза (мкс) в сельскохозяйственной практике
Потенциал использования многокомпонентного инокулюма ППм
Ризосфера является динамичной средой, где микроорганизмы подвержены влиянию корневых экссудатов и внутри- и межвидовым взаимодействиям друг с другом и с растением (Barea et al., 2005). Грибы АМ модифицируют окружающую их среду, формируя так называемую микоризосферу (Barea et al., 2005). Кроме того, стимуляция корневых выделений в результате взаимодействия с грибами АМ приводит к качественным и количественным изменениям бактериального сообщества ризосферы (Barea et al., 2005; Artursson et al., 2006). Грибы АМ проявляют синергизм при взаимодействии с PGPB (как аборигенными, так и интродуцированны-ми), осуществляющими биоконтроль, фиксацию азота и мобилизацию фосфатов при двойной и комплексной инокуляции (Barea et al., 2005). Формирование АМ усиливает образование клубеньков и фиксацию азота ри-зобиями, в частности за счет стимуляции минерального (преимущественно фосфорного) питания растения-хозяина (Barea et al., 2005).
Как уже отмечалось выше, жизнедеятельность грибов АМ тесно связана с симбиотическими бактериями (Barea et al., 2005; Artursson et al., 2006; Лабуто-ва, 2009). Известно, что PGPB могут стимулировать рост грибов АМ на пресимбиотической стадии развития, предшествующей установлению непосредственного контакта микросимбионта с корнем растения (Barea et al., 2005). Описан случай образования фер-тильных спор грибом АМ под воздействием бактерий Paenibacillus validus даже в отсутствие растения-хозяина (Hildebrandt et al., 2006).
Хорошо известен синергетический эффект совместной инокуляции растений ризобиями и PGPB (азоспи-риллами, бациллами, псевдомонадами), в частности,
связанный с продукцией PGPB индолил-3-уксусной кислоты, стимулирующей образование клубеньков (Barea et al., 2005; Bakker et al., 2007). Актинобактерии Streptomyces также оказывают положительное действие на формирование и функционирование клубеньков гороха (Tokala et al., 2002).
Таким образом, потенциал микробного синергизма на фоне общих эволюционных «корней» различных мутуалистических растительно-микробных систем позволяет говорить о перспективности биотехнологий создания многокомпонентных симбиозов (МКС), повышающих урожайность и качество сельскохозяйственных бобовых и не бобовых культур. В то же время результаты экспериментов с мультимикробными системами, включающими в себя грибы АМ, ризобии и PGPB, демонстрируют важную роль физиологической и генетической адаптации микроорганизмов к локальным условиям окружающей среды (Requena et al., 1997, 2001). Следовательно, при разработке таких биотехнологий рекомендуется использовать совокупность местных микробных изолятов, адаптированную к конкретным условиям окружающей среды.
Селекция бобовых на повышение симбиотического потенциала
Результаты вегетационных и полевых экспериментов с использованием гороха (P. sativum) (Якоби и др., 2000; Борисов и др., 2002, 2004; Штарк и др., 2006) и сои (G. max) (Лабутова и др., 2004; Лабутова, Левина, 2008) и комплексной инокуляции ППМ продемонстрировали возможность использования потенциала МКС в сельскохозяйственном производстве с целью уменьшения доз минеральных удобрений и химических средств защиты растений.
При изучении коллекции ВИР им. Н. И. Вавилова был выявлен высокий уровень генетического полиморфизма у гороха (P. sativum) по признаку «сим-биотическая эффективность» и отобраны генотипы, отличающиеся контрастной эффективностью мутуалис-тического симбиоза (Якоби и др., 2000; Борисов и др., 2002). Генотипы гороха с наиболее высокой симбиоти-ческой эффективностью были вовлечены в селекционный процесс.
Позже среди современных сортов гороха, созданных без учета потенциала взаимодействия с ППМ, были выявлены генотипы, обладающие как высокой симбиотической эффективностью, так и необходимой архитектоникой растения, которые могут быть непосредственно включены в селекционные программы (Борисов и др., 2004; Штарк и др., 2006). Было показано, что при использовании генотипов гороха, эффективных во взаимодействии с ППМ, комплексная инокуляция оказывает действие, сравнимое с применением полной дозы минеральных удобрений (Борисов и др., 2004; Штарк и др., 2006). В качестве критериев
для оценки эффективности взаимодействия растений c ППМ нужно использовать показатель увеличения их биомассы и семенной продуктивности за счет инокуляции комплексом ППМ, а не параметры развития систем мутуталистического симбиоза (Борисов и др., 2004; Штарк и др., 2006). Таким образом, была обоснована возможность и необходимость ведения селекции бобовых на повышение симбиотического потенциала. Селекционные программы, направленные на повышение эффективности симбиозов бобовых растений, должны проводиться с учетом знаний о процессах развития мутуалистических симбиозов. В частности, последовательности генов растения, определяющих стабильность и эффективность симбиозов, могут быть использованы в качестве ДНК-маркеров, облегчающих селекцию сортов бобовых растений с высокой эффективностью взаимодействия с ППМ.
заключение
В результате анализа сведений, изложенных выше, сформулирована концепция, предполагающая новый взгляд на развитие и функционирование мутуалисти-ческих симбиозов растений.
Во-первых, для управления процессами в агро- и природных фитоценозах необходимо рассматривать все компоненты растительно-микробного сообщества (растение, грибы АМ, клубеньковые бактерии и PGPB) как единую генно-метаболическую сеть.
Во-вторых, генетическая система бобовых, контролирующая взаимодействие с грибами АМ, клубеньковыми бактериями и PGPB, должна быть объектом селекции по интегральному признаку «эффективность взаимодействия с ППМ», а не по отдельным признакам, характеризующим эффективность образования отдельных типов взаимовыгодных симбиозов.
В-третьих, скорость эволюции геномов микросимбионтов превышает темпы эволюции растений, и поэтому растение может рассматриваться как наиболее стабильный во времени и главный регулирующий компонент растительно-микробной системы. Из этого следует, что необходимо проводить селекцию растений на повышение симбиотического потенциала взаимодействия с ППМ на фоне его максимального генетического разнообразия. Подобную селекцию необходимо вести по таким показателям, как дополнительная биомасса, накопленная за счет образования взаимовыгодной растительно-микробной системы, и качество получаемой продукции. В результате такой селекции будут получены коммерческие сорта сельскохозяйственных растений, максимально эффективно эксплуатирующие симбиотические взаимодействия в агрофитоценозах.
Примерами успешного использования разработанной концепции являются: (а) комплексное мик-
робиологическое удобрение, технология производства которого была разработана коллективом авторов (Чеботарь и др., 2008); (б) создание стационарного селекционного питомника, почва которого обогащена ППМ, для отбора растений с высокой симбиотической эффективностью; (в) разработка протокола селекции бобовых растений на повышение эффективности взаимодействия с ППМ; и (г) целенаправленное создание первого за всю историю селекции бобовых сорта гороха «Триумф», отличающегося повышенным потенциалом взаимодействия с ППМ по сравнению со стандартными сортами (по результатам конкурсных сортоиспытаний, г. Орел, 2004-2006 гг.). Данный сорт увеличивает продуктивность на 10-15 % при инокуляции комплексным микробиологическим удобрением вне зависимости от варьирования климатических условий (Штарк и др., 2006; Borisov et al., 2008). Сорт «Триумф», характеризующийся высокой продуктивностью также и при традиционной технологии возделывания, рекомендован по результатам государственных сортоиспытаний (2007-2008 гг.) для возделывания в Центральном регионе РФ. Таким образом, инновационная технология, изложенная выше и примененная к бобовым культурам, уже дает первые практические результаты.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (Государственные контракты № 02.740.11.0276, 16.512.11.2155, П1304), грантов: президента РФ (НШ-3440.2010.4), РФФИ (0904-91054, 10-04-00961, 10-04-01146), NW0-047 .117.2005.006 (Нидерланды).
Литература
1. Борисов А. Ю., Наумкина Т. С., Штарк О. Ю. и др., 2004. Эффективность использования совместной инокуляции гороха посевного (Pisum sativum L.) грибами арбускулярной микоризы и клубеньковыми бактериями для повышения продуктивности растений в устойчивом экологически ориентированном земледелии // Докл. РАСХН. № 2. С. 12-14.
2. Борисов А. Ю., Цыганов В. Е, Штарк О. Ю. и др., 2002. Каталог мировой коллекции ВИР. Вып. 728. Горох (Симбиотическая эффективность) / Под ред. И. А. Тихоновича, М. А. Вишняковой, СПб.: ВИР, 29 с.
3. Жуков В. А., Штарк О. Ю., Борисов А. Ю., Тихонович И. А., 2009. Молекулярно-генетические механизмы контроля растением ранних стадий развития взаимовыгодных (мутуалистических) симбиозов бобовых // Генетика. Т. 45. С. 1449-1460.
4. Игнатов В. В. (ред.), 2005. Молекулярные основы взаимоотношений ассоциативных микроорганизмов с растениями. М.: Наука, 262 с.
5. Кожемяков А. П., Чеботарь В. К., 2005. Биопрепараты для земледелия // Биопрепараты в сельском хозяйстве (Методология и практика применения микроорганизмов в растениеводстве и кормопроизводстве) / Под ред. И. А. Тихоновича, Ю. В. Круглова, М., С. 18-54.
6. Лабутова Н. М., 2009. Взаимоотношения эндомико-ризных грибов с микроорганизмами ризосферы // Ми-кол. Фитопатол. Т. 43. № 1. С. 3-19.
7. Лабутова Н. М., Левина Р. Л., 2008. Динамика подвижных форм макроэлементов в ризосфере бобовых растений при функционировании различных симбиотических систем // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Почвенные ресурсы Северо-Запада России: их состояние, охрана и рациональное использование», СПб., С. 135-140.
8. Лабутова Н. М., Поляков А. И., Лях В. А., Гордон В. Л., 2004. Влияние инокуляции клубеньковыми бактериями и эндомикоризным грибом Glomus intraradices на урожай различных сортов сои и содержание белка и масла в семенах // Докл. РАСХН. № 2. C. 10-12.
9. Проворов Н. А., Воробьев Н. И., Андронов Е. Е., 2008. Макро- и микроэволюция бактерий в системах симбиоза // Генетика. Т. 44. С. 12-28.
10. Проворов Н. А., 2009. Растительно-микробные симбиозы как эволюционный континуум // Ж. Общ. Биол. Т. 70. № 1. С. 10-34.
11. Чеботарь В. К., Казаков А. Е., Ерофеев С. В. и др., 2008. Способ получения комплексного микробиологического удобрения. Патент № 2318784 от 10.03.2008.
12.Штарк О. Ю., Данилова Т. Н., Наумкина Т. С. и др., 2006. Анализ исходного материала гороха посевного (Pisum sativum L.) для селекции сортов с высоким симбиотическим потенциалом и выбор параметров для его оценки // Экол. Генет. T. 4. № 2. С. 22-28.
13. якоби Л. М., Кукалев А. С., ушаков К. В. и др., 2000. Полиморфизм форм гороха посевного по эффективности симбиоза с эндомикоризным грибом Glomus sp. в условиях инокуляции ризобиями // Сельхоз. Биол. 2000. №3. C. 94-102.
14.Akiyama K., Matsuzaki K., Hayashi H., 2005. Plant sesquiterpenes induce hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi // Nature. Vol. 435. P 824-827.
15.Ané J. M., Kiss G. B., Riely B. K. et al., 2004. Medi-cago truncatula DMI1 required for bacterial and fungal symbioses in legumes // Science. Vol. 303. P. 1364-1367.
16. Artursson V., Finlay R. D., Jansson J. K., 2006. Interactions between arbuscular mycorrhizal fungi and bacteria and their potential for stimulating plant growth // Environ. Microbiol. Vol. 8. P. 1-10.
17. Bakker P. A. H. M., Raaijmakers J. M., Bloemberg G. et al. (eds.), 2007. New perspectives and approaches in plant growth-promoting rhizobacteria research (Reprinted from Eropean Journal of Plant Pathology, 119:2, 2007). Dordrecht: Springer. 126 p.
18. Balachandar D., Raja P., Kumar K., Sundaram S. P., 2007. Non-rhizobial nodulation in legumes // Biotech-nol. Molec. Biol. Rev. Vol. 2. P 49-57.
19. Barea J.-M., Pozo M.-J., Azcon R., Azcon-Aguilar C., 2005. Microbial cooperation in the rhizosphere // J. Exp. Botany. Vol. 56, N. 14, P 1761-1788.
20. Barker S. J., Tagu D, 2000. The role of auxins and cyto-kinins in mycorrhizal symbiosis // J. Plant Growth Regul. Vol. 19. P. 144-154.
21.Belimov A. A., Kunakova A. M., Safronova V. I. et al., 2000. Interaction between associative bacteria and barley under environmental stresses: input of partner genotypes and growth conditions // New approaches and techniques in breeding sustainable fodder crops and amenity grasses / Eds. N. A. Provorov et al., St-Peters-burg: VIRA Press. P. 146-148.
22. Bleecker A. B., Kende H, 2000. Ethylene: a gaseous signal molecule in plants // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. Vol. 16. P. 1-18.
23.Borisov A. Y., Danilova T. N., Shtark O. Y. et al., 2008. Tripartite symbiotic system of pea (Pisum sativum L.): applications in sustainable agriculture // Biological Nitrogen Fixation: Towards Poverty Alleviation through Sustainable Agriculture. Proceedings of 15th International Congress on Nitrogen Fixation & 12th International Conference of the African Association for Biological Nitrogen Fixation / Eds. F. D. Dakora et al., Dordrecht: Springer. P 15-17.
24. Brewin N. J., 2004. Plant cell wall remodeling in the Rhizobium-legume symbiosis // Crit. Rev. Plant. Sci. Vol. 23. P. 1-24.
25. Brockwell J., Bottomley P. J., Thies J. E., 1995. Manipulation of rhizobia microflora for improving legume productivity and soil fertility: a critical assessment // Plant Soil. Vol. 174. P 143-180.
26. Brundrett M. C, 2002. Coevolution of roots and myc-orrhizas of land plants // New Phytol. Vol. 154. P. 275304.
27. Caetano-Anolles G., GresshoffP. M., 1991. Plant genetic control of nodulation // Annu. Rev. Microbiol. Vol. 45. P. 345-382.
28. Chen C., Ane J-M. Zhu H., 2008. OsIPD3, an ortholog of the Medicago truncatula DMI3 interacting protein IPD3, is required for mycorrhizal symbiosis in rice // New Phytol. Vol. 180. P. 311-315.
29. Compant S., Duffy B., Nowak J., Clément C., Bar-ka E. A., 2005. Use of plant growth-promoting bacteria for biocontrol of plant diseases: principles, mechanisms of action, and future prospects // Appl. Environ. Microbiol. Vol. 71. P. 4951-4959.
30. Cronk Q. C. B., Bateman R. M, Hawkins J. A., 2002. Developmental genetics and plant evolution. Boca Raton: CRC Press. 543 p.
31.D'Haeze W., Holsters M, 2002. Nod factor structures, responses, and perception during initiation of nodule development // Glycobiol. Vol. 12. P. 79-105.
32. Dilworth M. J., James E. K., Sprent J. I., Newton W. E. (eds.), 2008. Nitrogen-fixing leguminous symbioses. Dordrecht: Springer. 404 p.
33. Dolgikh E. A., Leppyanen I. V., Osipova M. A. et al., 2011. Genetic dissection of Rhizobium-induced infection and nodule organogenesis in pea based on ENOD12A and ENOD5 expression analysis // Plant Biol. V 13. P. 285296.
34. Downie J. A., 2010. The roles of extracellular proteins, polysaccharides and signals in the interactions of rhizo-bia with legume roots // FEMS Microbiol. Rev. Vol. 34. P 150-170.
35. Duc G., Messager A., 1989. Mutagenesis of pea (Pisum sativum L.) and the isolation of mutants for nodulation and nitrogen fixation // Plant Sci. Vol. 60. P 207-213.
36. Endre G., Kereszt A., Kevei Z. et al., 2002. A receptor kinase gene regulating symbiotic nodule development // Nature. Vol. 417. P 962-966.
37. Fournier J., Timmers A. C. J., Sieberer B. J. et al., 2008. Mechanism of infection thread elongation in root hairs of Medicago truncatula and dynamic interplay with associated rhizobial colonization // Plant Physiol. Vol. 148. P 1985-1995.
38. Garcia-Garrido J. M., Ocampo J. A., 2002. Regulation of the plant defence response in arbuscular mycorrhizal symbiosis // J. ExP Bot. Vol. 53. P. 1377-1386.
39. Geil R. D., Peterson L., GuinelF. C., 2001. Morphological alterations of pea (Pisum sativum cv. Sparkle) arbuscular mycorrhizas as a result of exogenous ethylene treatment // Mycorrhiza. Vol. 11. P. 137-143.
40. Genre A., Bonfante P., 2005. Building a mycorrhizal cell: how to reach compatibility between plants and arbuscular mycorrhizal fungi // J. Plant Interact. Vol. 1. N. 1. P. 3-13.
41. Genre A., Chabaud M., Timmers T. et al., 2005. Arbuscular mycorrhizal fungi elicit a novel intracellular apparatus in Medicago truncatula root epidermal cells before infection // Plant Cell. Vol. 17. P 3489-3499.
42. Gianinazzi-Pearson V., 1996. Plant cell responses to arbuscular mycorrhizal fungi: getting to the roots of the symbiosis // Plant Cell. Vol. 8. P. 1871-1883.
43. Graham P. H., Vance C. P., 2003. Legumes: importance and constraints to greater use // Plant Physiology. Vol. 131. P. 872-877.
44. Gresshoff P. M, Lohar D., Chan P.-K. et al., 2009. Genetic analysis of ethylene regulation of legume nodula-tion // Plant Signaling & Behavior. Vol. 4. P 818-823.
45.Hildebrandt U., Ouziad F., Marner F. J., Bothe H., 2006. The bacterium Paenibacillus validus stimulates
growth of the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices up to the formation of fertile spores // FEMS Microbiol. Lett. Vol. 254. P. 258-267.
46. Hirsch A. M., Lum M. R., Downie J. A., 2001. What makes the rhizobia-legume symbiosis so special? // Plant Physiol. 2001. Vol. 127. P. 1484-1492.
47. Imaizumi-Anraku H., Takeda N., Charpentier M. et al., 2005. Plastid proteins crucial for symbiotic fungal and bacterial entry into plant roots // Nature. Vol. 433. P. 527-531.
48. Jacobsen E., 1984. Modification of symbiotic interaction of pea (Pisum sativum L.) and Rhizobium legu-minosarum by induced mutations // Plant Soil. Vol. 82. P. 427-438.
49. Jones K. M., Kobayashi H., Davies B. W. et al., 2007. How rhizobial symbionts invade plants: the Sinorhizo-bium-Medicago model // Nat. Rev. Microbiol. Vol. 5. P. 619-633.
50.Jones K. M., Sharopova N., Lohar D. P. et al., 2008. Differential response of the plant Medicago trunca-tula to its symbiont Sinorhizobium meliloti or an ex-opolysaccharide-deficient mutant // PNAS. Vol. 105. P. 704-709.
51. Kalo P., Gleason C., Edwards A. et al., 2005. Nodula-tion signaling in legumes requires NSP2, a member of the GRAS family of transcriptional regulators // Science. Vol. 308. P 1786-1789.
52. Kistner C., Winzer T., Pitzschke A. et al., 2005. Seven Lotus japonicus genes required for transcriptional reprogramming of the root during fungal and bacterial symbiosis // Plant Cell. Vol. 17. P. 2217-2229.
53. Koltai H., Kapulnik Y. (eds.), 2010. Arbuscular mycorrhizas: physiology and function. Dordrecht: Springer. 623 p.
54. Kosuta S., Chabaud M., Lougnon G. et al., 2003. A diffusible factor from arbuscular mycorrhizal fungi induces symbiosis-specific MtENOD11 expression in roots of Medicago truncatula // Plant Physiol. Vol. 131. P. 952962.
55. Krusell L., Madsen L. H., Sato S. et al., 2002. Shoot control of root development and nodulation is mediated by a receptor-like kinase // Nature. Vol. 420. P. 422426.
56.Kumagai H., Kinoshita E., Ridge R. W., Kouchi H., 2006. RNAi knock-down of EN0D40s leads to significant suppression of nodule formation in Lotus japonicus // Plant Cell Physiol. Vol. 47. P. 11021111.
57.Küster H, Vieweg M. F, Manthey K. et al., 2007. Identification and expression regulation of symbioti-cally activated legume gene // Phytochem. Vol. 68. P. 8-18.
58.Lie T. A., 1971. Temperature-dependent root-nodule formation in pea cv. Iran // Plant Soil. Vol. 34. P. 751752.
59. Limpens E., Mirabella R., Fedorova E. et al., 2005. Formation of organelle-like N2-fixing symbiosomes in legume root nodules is controlled by DMI2 // PNAS. Vol. 102. P 10375-10380.
60. Madsen E. B., Madsen L. H, Radutoiu S. et al., 2003. A receptor kinase gene of the LysM type is involved in legume perception of rhizobial signals // Nature. Vol. 425. P. 637-640.
61. Madsen L. H, Tirichine L, Jurkiewicz A. et al., 2010. The molecular network governing nodule organogenesis and infection in the model legume Lotus japonicus // Nature Communications. 1:10. doi: 10. 1038 / ncom-ms1009 (2010).
62. Maillet F, Poinsot V., André O. et al., 2011. Fungal lipochitooligosaccharide symbiotic signals in arbuscular mycorrhiza // Nature. Vol. 469. P. 58-64.
63. Markmann K, Parniske M, 2009. Evolution of root endosymbiosis with bacteria: how novel are nodules? // Trends Plant Sci. Vol. 14. P. 77-86.
64. Messinese E, Mun J. H, Yeun L. H, 2007. A novel nuclear protein interacts with the symbiotic DMI3 calcium- and calmodulin-dependent protein kinase of Medi-cago truncatula // Mol. Plant-Microbe Interact. Vol. 20. P. 912-921.
65. Minerdi D, Bianciotto V., Bonfante P., 2002. Endo-symbiotic bacteria in mycorrhizal fungi: from their morphology to genomic sequences // Plant Soil. Vol. 244. P. 211-219.
66. Mitra R. M, Gleason C. A., Edwards A. et al., 2004. A Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase required for symbiotic nodule development: gene identification by transcript-based cloning // PNAS. Vol. 101. P. 47014705.
67. MorandiD., SaganM., Prado-VivantE., Duc G., 2000. Influence of genes determining supernodulation on root colonisation by the mycorrhizal fungus Glomus mosseae in Pisum sativum and Medicago truncatula mutants // Mycorrhiza. Vol. 10. P. 37-42.
68.Murakami Y., Miwa H., Imaizumi-Anraku H. et al., 2006. Positional cloning identifies Lotus japonicus NSP2, a putative transcription factor of the GRAS family, required for NIN and ENOD40 gene expression in nodule initiation // DNA Res. Vol. 13. P. 255265.
69. Murray J. D., Karas B. J., Sato S. et al., 2007. A cyto-kinin perception mutant colonized by Rhizobium in the absence of nodule organogenesis // Science. Vol. 315. P. 101-104.
70. Nagahashi G., Douds J. D. D., 1997. Appressorium formation by AM fungi on isolated cell walls of carrot roots // New Phytol. Vol. 136. P 299-304.
71. Navazio L., Moscatiello R., Genre A. et al., 2007. A diffusible signal from arbuscular mycorrhizal fungi elicits a transient cytosolic calcium elevation in host plant cells // Plant Physiol. Vol. 144. P 673-681.
72. Nishimura R, Hayashi M., Wu G. J. et al., 2002. HAR1 mediates systemic regulation of symbiotic organ development // Nature. Vol. 420. P. 426-429.
73. Nutman P. S., 1946. Genetic factors concerned in the symbiosis of clover and nodule bacteria // Nature. Vol. 151. P 463-465.
74. Ovchinnikova E., Limpens E., Borisov A. et al., 2010. Intracellular accommodation of Rhizobium bacteria is controlled by the common symbiotic signaling pathway // Abstract book of the 9th European Nitrogen Fixation Conference, 6-10 Sept. 2010, Geneva, Switzerland. P. 214.
75. Parniske M., 2000. Intracellular accommodation of microbes by plants: a common developmental program for symbiosis and disease? // Curr. Opin. Plant Biol. Vol. 3. P. 320-328.
76. Parniske M, 2008. Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses // Nature Rev. Microbiol. Vol. 6. P 763-775.
77. Preston G. M., 2004. Plant perceptions of plant growth-promoting Pseudomonas // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. Vol. 359. P. 907-918.
78. Provorov N. A., Shtark O. Y, Zhukov V. A. et al., 2010. Developmental genetics of plant-microbe symbioses. — NY, USA: Nova Science Publishers. 152 p.
79. Provorov N. A., Tikhonovich I. A., 2003. Genetic resources for improving nitrogen fixation in legume-rhizo-bia symbiosis // Genet. Resources and Crop Evolution. Vol. 50. P. 89-99.
80. Provorov N. A., Vorobyov N. I., 2009. Host plant as an organizer of microbial evolution in the beneficial symbioses // Phytochem. Rev. Vol. 8. P. 519-534.
81.Radutoiu S., Madsen L. H., Madsen E. B. et al., 2003. Plant recognition of symbiotic bacteria requires two LysM receptor-like kinases // Nature. Vol. 425. P. 585-592.
82. RedeckerD, 2002. Molecular identification and phylog-eny of arbuscular mycorrhizal fungi // Plant Soil. Vol. 244. P. 67-73.
83. Remy W., Taylor T. N., Hass H., Kerp H., 1994. Four hundred-million-year-old vesicular arbuscular mycor-rhizas // PNAS. Vol. 91. P 11841-11843.
84.Requena N., Jimenez J., Toro M., Barea J. M., 1997. Interactions between plant-growth-promoting rhizobacteria (PGPR), arbuscular mycorrhizal fungi and Rhizobium spp. in the rhizosphere of Anthyllis cy-tisoides, a model legume for re-vegetation in Mediterranean semi-arid ecosystems // New Phytol. Vol. 136. P. 667-677.
85.Requena N., Perez-Solis E., Azcon-Aguilar C. et al., 2001. Management of indigenous plant-microbe symbioses aids restoration of decertified ecosystems // Appl. Environ. Microbiol. Vol. 67. P. 495-498.
86. Sanchez L., Weidmann S., Arnould C. et al., 2005. Pseudomonas fluorescens and Glomus mosseae trig-
ger DMI3-dependent activation of genes related to a signal transduction pathway in roots of Medicago trun-catula // Plant Physiol. Vol. 139. P. 1065-1077.
87. Sandhu H. S., Gupta V. V. S. R., Wratten S. D., 2010. Evaluating the economic and social impact of soil microbes // Soil microbiology and sustainable crop production / Eds. G. R. Dixon, E. L. Tilston. Dordrecht: Springer. P. 399-417.
88. Schnabel E, Journet E. P., de Carvalho-Niebel F. et al, 2005. The Medicago truncatula SUNN gene encodes a CLV1-like leucine-rich repeat receptor kinase that regulates nodule number and root length // Plant Mol. Biol. Vol. 58. P 809-822.
89. Schulz B., Boyle S., Sieber T. (eds.), 2006. Microbial root endophytes. Dordrecht: Springer. 367 p.
90. Schufiler A., Schwarzott D., Walker C, 2001. A new fungal phylum, the Glomeromycota: phylogeny and evolution // Mycol. Res. Vol. 105. P. 1413-1297.
91. Sessitsch A., Howieson J. G., Perret X. et al., 2002. Advances in Rhizobium research // Crit. Rev. Plant Sci. Vol. 21. P. 323-378.
92. Shtark O. Y, Borisov A. Y, Zhukov V. A. et al., 2010. Intimate associations of beneficial soil microbes with the host plants // Soil microbiology and sustainable crop production / Eds. G. R. Dixon, E. L. Tilston, Dordrecht: Springer. P. 119-196.
93. Smith K. P., Goodman R. M., 1999. Host variation for interactions with beneficial plant-associated microbes // Annu. Rev. Phytopathol. Vol. 37. P. 473-491.
94. Smith S. E., Read D. J., 2008. Mycorrhizal symbiosis, 3nd ed. Maryland Heights, USA: Elsevier, Academic Press. 800 p.
95. Sprent J. I., 2001. Nodulation in Legumes. Kew, Royal Botanical Gardens: Cromwell Press Ltd. 146 p.
96. Sprent J. I., 2007. Evolving ideas of legume evolution and diversity: a taxonomic perspective on the occurrence of nodulation. // New Phytol. Vol. 174. P 11 -25.
97. Stracke S., Kistner C., Yoshida S. et al., 2002. A plant receptor-like kinase required for both bacterial and fungal symbiosis // Nature. Vol. 417. P. 959-962.
98. Suzaki T., Sato M., Ashikari M. et al., 2004. The gene FLORAL ORGAN NUMBER1 regulates floral meristem size in rice and encodes a leucine-rich repeat receptor kinase orthologous to Arabidopsis CLAVATA1 // Development. Vol. 131. P. 5649-5657.
99. Tikhonovich I. A., Provorov N. A., 2007. Cooperation of plants and microorganisms: getting closer to the genetic construction of sustainable agro-systems // Biotechnol. J. Vol. 2. P. 833-848.
100. Timmers A. C. J., Vallotton P., Heym C., Menzel D., 2007. Microtubule dynamics in root hairs of Medicago truncatula // Eur. J. Cell Biol. Vol. 86. P. 69-83.
101. Tirichine L., Imaizumi-Anraku H., Yoshida S. et al., 2006. Deregulation of a Ca2+/calmodulin-dependent ki-
nase leads to spontaneous nodule development // Nature. Vol. 441. P. 1153-1156.
102. Tirichine L., Sandal N., Madsen L. H. et al., 2007. A gain-of-function mutation in a cytokinin receptor triggers spontaneous root nodule organogenesis // Science. Vol. 315. P. 104-107.
103. Tokala R. K, Strap J. L., Jung C. M. et al., 2002. Novel plant-microbe rhizosphere interaction involving Streptomyces lydicus WYEC108 and the pea plant (Pisum sativum) // Appl. Environ. Microbiol. Vol. 68. P. 2161-2171.
104. Vallad E., Goodman R. M., 2004. Systemic acquired resistance and induced systemic resistance in conventional agriculture // Crop Sci. Vol. 44. P. 1920-1934.
105. van Brussel A. A. N., Bakhuizen R., van Spron-sen P. C. et al., 1992. Induction of pre-infection thread structures in the leguminous host plant by mitogenic lipo-oligosaccharides of Rhizobium // Science. Vol. 257. P. 70-72.
106. Vance C. P., 2001. Symbiotic nitrogen fixation and phosphorus acquisition. Plant nutrition in the world of declining renewable resources // Plant Physiol. Vol. 127. P. 390-397.
107. Vavilov N. I., 1922. The law of homologous series in variation // J. Genet. Vol. 12. N 1. P. 47-89.
108. Wan X., Hontelez J., Lillo A. et al., 2007. Medicago truncatulaENOD40-1 and ENOD40-2 are both involved in nodule initiation and bacteroid development // J. Exp. Bot. Vol. 58. P. 2033-2041.
109. Yano K., Yoshida S., Muller J. et al., 2008. CYCLOPS, a mediator of symbiotic intracellular accommodation // PNAS. Vol. 105. P. 20540-20545.
110. Yokota K., Takashi S., Kouchi H., Hayashi M., 2010. Function of GRAS proteins in root nodule symbiosis is retained in homologs of a non-legume, rice // Plant Cell Physiol. Vol. 51. P 1436-1442.
111. Young N. D., Udvardi M., 2009. Translating Medicago truncatula genomics to crop legumes // Curr. Opin. Plant Biol. Vol. 12. P 193-201.
112. Zhu H., Choi H. K., Cook D. R., Shoemaker R. C, 2005. Bridging model and crop legumes through comparative genomics // Plant Physiol. Vol. 137. P. 1189— 1196.
multi-component symbiosis of legumes with beneficial soil microbes: genetic and evolutionary basis of application in sustainable crop production
Shtark O. Y., Borisov A. Y., Zhukov V. A., Nemankin T. A., Tikhonovich I. A.
SUMMARY: Leguminous plants have a genetic system that provides interaction with different beneficial soil microorganisms (BSM). The sys-
tem has been formed on the basis of the genetic mechanisms that had arisen during the co-evolution of plants with arbuscular-mycorrhizal (AM) fungi and appeared to provide pre-adaptations for further evolution of interaction with various BSM. A concept of the use of BSM in sustainable agriculture is proposed, which postulates an establishment of the multi-component beneficial plant-microbe communities based on varieties of legumes with high potential for interaction with the BSM.
* KEY WORDS: Leguminosae (Fabaceae); Mutualistic Symbioses; Glomeromycota; Arbuscular Mycorrhiza; Rhizobia; Legume-Rhizobial Symbiosis; Plant Growth-Promoting Bacteria (PGPB); Plant Genetics; Evolution; Symbiotic Effectiveness; Plant Breeding; Sustainable Crop Production.
* Информация об авторах
Алексей Юрьевич Борисов — д. б. н., руководитель лаборатории Генетики растительно-микробных взаимодействий. ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии РАСХН. Россия, 196608, Санкт-Петербург, Пушкин-8, шоссе Подбельского, д. 3. E-mail: AYBorisov@yandex.ru.
Оксана Юрьевна Штарк — к. б. н., старший научный сотрудник лаборатории Генетики растительно-микробных взаимодействий. ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии РАСХН. Россия, 196608, Санкт-Петербург, Пушкин-8, шоссе Подбельского, д. 3. E-mail: AYBorisov@yandex.ru.
Владимир Александрович Жуков — к.б.н., научный сотрудник лаборатории Генетики растительно-микробных взаимодействий. ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии РАСХН. Россия, 196608, Санкт-Петербург, Пушкин-8, шоссе Подбельского, д. 3. E-mail: AYBorisov@yandex.ru.
Игорь Анатольевич Тихонович — д. б. н., профессор, директор института.
ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии РАСХН. Россия, 196608, Санкт-Петербург, Пушкин-8, шоссе Подбельского, д. 3. E-mail: AYBorisov@yandex.ru.
Borisov Alexey Y. — Dr. Sci., Head of the laboratory of Genetics of Plant-Microbe Interactions.
All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology. Podbelsky chaussee 3, St. Petersburg, Pushkin 8, 196608, Russia. E-mail: AYBorisov@yandex.ru.
Shtark Oksana Y. — PhD, Senior scientists of the laboratory of Genetics of Plant-Microbe Interactions.
All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology. Podbelsky chaussee 3, St. Petersburg, Pushkin 8, 196608, Russia. E-mail: AYBorisov@yandex.ru.
Vladimir A. Zhukov — PhD, Researcherof the laboratory of Genetics of Plant-Microbe Interactions.
All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology. Podbelsky chaussee 3, St. Petersburg, Pushkin 8, 196608, Russia. E-mail: AYBorisov@yandex.ru.
Tikhonovich Igor A. — Dr. Sci., Professor, Director of the Institute. All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology. Podbelsky chaussee 3, St. Petersburg, Pushkin 8, 196608, Russia. E-mail: AYBorisov@yandex.ru.
