Ризобии — это диазотрофные бактерии , которые фиксируют азот после того, как обосновались внутри корневых клубеньков бобовых ( Fabaceae ) . Для экспрессии генов фиксации азота ризобиям требуется растение- хозяин ; они не могут самостоятельно фиксировать азот . [1] Как правило, это грамотрицательные , подвижные , не образующие спор палочки.
Ризобии — это «группа почвенных бактерий, которые заражают корни бобовых, образуя корневые клубеньки ». [2] Ризобии обнаруживаются в почве и после заражения образуют клубеньки на бобовых, где они фиксируют газообразный азот (N 2 ) из атмосферы, превращая его в более полезную форму азота. Отсюда азот выводится из клубеньков и используется для роста бобовых. После гибели бобового растения клубень распадается и высвобождает ризобии обратно в почву, где они могут жить индивидуально или повторно заразить нового бобового растения-хозяина. [2]
Первый известный вид ризобий, Rhizobium leguminosarum , был идентифицирован в 1889 году, а все дальнейшие виды первоначально были отнесены к роду Rhizobium . Большинство исследований было проведено на зерновых и кормовых бобовых, таких как клевер , люцерна , фасоль , горох и соевые бобы ; проводятся дополнительные исследования бобовых в Северной Америке. [ нужна цитата ]
Ризобии — парафилетическая группа, которая делится на два класса Pseudomonadota — альфапротеобактерии и бетапротеобактерии . Как показано ниже, большинство из них принадлежат к отряду Hyphomicrobiales , но некоторые ризобии встречаются в отдельных бактериальных отрядах Pseudomonadota. [3] [4] [5] [6]
В эти группы входят разнообразные несимбиотические бактерии . Например, патоген растений Agrobacterium является более близким родственником Rhizobium , чем Bradyrhizobium , образующий клубеньки сои. [7]
Хотя большая часть азота удаляется при сборе богатого белком зерна или сена , значительные его количества могут оставаться в почве для будущих культур. Это особенно важно, когда азотные удобрения не используются, как в схемах органического севооборота или в некоторых менее промышленно развитых странах. [8] Азот является наиболее часто дефицитным питательным веществом во многих почвах по всему миру и является наиболее часто поставляемым питательным веществом для растений. Поставка азота через удобрения вызывает серьезные экологические проблемы .
Специфические штаммы ризобий необходимы для образования функциональных клубеньков на корнях, способных фиксировать N 2 . [9] Наличие этих специфических ризобий полезно для бобовых, поскольку фиксация N 2 может повысить урожайность. [10] Инокуляция ризобиями имеет тенденцию увеличивать урожайность. [11]
Инокуляция бобовых уже много лет используется в сельском хозяйстве и с течением времени постоянно совершенствуется. [10] Ежегодно прививается 12–20 миллионов гектаров соевых бобов. Идеальный инокулянт включает в себя некоторые из следующих аспектов: максимальная эффективность, простота использования, совместимость, высокая концентрация ризобий, длительный срок хранения, полезность в различных полевых условиях и живучесть. [10] [12] [13]
Эти инокулянты могут способствовать успеху в выращивании бобовых. [14] В результате процесса клубенькования после сбора урожая в почве повышается уровень нитратов, которые затем могут быть использованы следующей культурой.
Ризобии уникальны тем, что являются единственными азотфиксирующими бактериями, живущими в симбиотических отношениях с бобовыми . Обычными зерновыми и кормовыми бобовыми культурами являются горох, фасоль, клевер и соя.
Бобово-ризобиальный симбиоз является классическим примером мутуализма — ризобии поставляют растению аммиак или аминокислоты и взамен получают органические кислоты (главным образом малат и сукцинат , являющиеся дикарбоновыми кислотами ) в качестве источника углерода и энергии. Однако, поскольку каждое отдельное растение заражают несколько неродственных штаммов, возникает классическая трагедия сценария общего пользования . Штаммы-обманщики могут накапливать растительные ресурсы, такие как полигидроксибутират, для собственного размножения , не фиксируя при этом заметного количества азота . [15] Учитывая затраты, связанные с образованием клубеньков, и возможность обмана ризобий, может показаться удивительным, что такой симбиоз существует.
Формирование симбиотических отношений предполагает обмен сигналами между обоими партнерами, что приводит к взаимному узнаванию и развитию симбиотических структур. Наиболее изученный механизм установления этого симбиоза — внутриклеточная инфекция. Ризобии свободно живут в почве до тех пор, пока не смогут ощущать флавоноиды , производные 2-фенил-1,4-бензопирона, которые выделяются корнями растения-хозяина, вызывая накопление большой популяции клеток и, в конечном итоге, прикрепление к корням . волосы . [16] [17] Эти флавоноиды затем способствуют ДНК-связывающей активности NodD, который принадлежит к семейству регуляторов транскрипции LysR и запускает секрецию nod-факторов после проникновения бактерий в корневые волосы. [17] Факторы Nod вызывают ряд сложных изменений в развитии внутри корневых волос, начиная с закручивания корневых волос и заканчивая образованием инфекционной нити, трубки, выстланной целлюлозой, которую бактерии используют для перемещения вниз через корневые волосы в корень. клетки. [18] Затем бактерии заражают несколько других соседних клеток корня. За этим следует непрерывная пролиферация клеток, приводящая к образованию корневого клубенька . [16] Второй механизм, используемый, в частности, ризобиями, заражающими водных хозяев, называется проникновением в трещину. При этом никакой деформации корневых волос не наблюдается. Вместо этого бактерии проникают между клетками через трещины, образовавшиеся в результате выхода боковых корней. [19]
Внутри клубенька бактерии морфологически дифференцируются в бактероиды и связывают атмосферный азот в аммоний с помощью фермента нитрогеназы . Затем аммоний преобразуется в аминокислоты, такие как глютамин и аспарагин , прежде чем экспортироваться на растение. [16] Взамен растение снабжает бактерии углеводами в виде органических кислот. [16] Растение также обеспечивает бактероидный кислород для клеточного дыхания , прочно связанный леггемоглобинами , растительными белками, подобными гемоглобинам человека . Этот процесс обеспечивает недостаток кислорода в клубеньках, чтобы предотвратить ингибирование активности нитрогеназы . [16]
Недавно было обнаружено, что штамм Bradyrhizobium образует клубеньки в Aeschynomene , не продуцируя nod-факторы, что позволяет предположить существование альтернативных коммуникационных сигналов, отличных от nod-факторов, возможно, связанных с секрецией растительного гормона цитокинина. [16] [20]
Было замечено, что у Medicago корневые клубеньки могут образовываться спонтанно без присутствия ризобий. [21] Это означает, что развитие клубенька полностью контролируется растением и просто запускается секрецией nod-факторов .
Существуют две основные гипотезы о механизме поддержания бобово-ризобиального симбиоза (хотя обе могут встречаться в природе). Гипотеза санкций предполагает, что бобовые не могут распознавать более паразитические или менее азотфиксирующие ризобии и должны противодействовать паразитизму с помощью постинфекционных санкций в отношении бобовых. В ответ на неэффективность ризобий бобовые растения-хозяева могут реагировать введением санкций разной степени тяжести в отношении их клубеньков. [22] Эти санкции включают, помимо прочего, замедление роста клубеньков, раннюю гибель клубеньков, снижение поступления углерода в узелки или снижение поступления кислорода в узелки, которые фиксируют меньше азота. Внутри клубенька некоторые бактерии дифференцируются в азотфиксирующие бактероиды, которые, как было обнаружено, не способны к размножению. [23] Следовательно, с развитием симбиотических отношений, если гипотеза санкций хозяина верна, санкции хозяина должны действовать в отношении целых клубеньков, а не отдельных бактерий, поскольку индивидуальные целевые санкции предотвратят размножение любых размножающихся ризобий с течением времени. Эта способность укреплять взаимные отношения с помощью санкций хозяина подталкивает отношения к мутуализму, а не к паразитизму, и, вероятно, является фактором, способствующим существованию симбиоза.
Однако другие исследования не обнаружили никаких доказательств санкций в отношении растений. [24]
Гипотеза выбора партнера предполагает, что растение использует сигналы преклубенька от ризобий, чтобы решить, разрешать ли образование клубеньков, и выбирает только необманывающие ризобии. Имеются данные о введении санкций в отношении растений сои, которые снижают размножение ризобий (возможно, за счет ограничения поступления кислорода) в клубеньках, фиксирующих меньше азота. [25] Аналогично, дикий люпин выделяет меньше ресурсов клубенькам, содержащим менее полезные ризобии, что ограничивает размножение ризобий внутри. [26] Это соответствует определению санкций, хотя авторы называют их «выбором партнера». Некоторые исследования подтверждают гипотезу выбора партнера. [27] Хотя оба механизма, несомненно, вносят значительный вклад в поддержание ризобного сотрудничества, они сами по себе не полностью объясняют устойчивость мутуализма . Гипотеза выбора партнера не является исключением из гипотезы санкций хозяина, поскольку очевидно, что обе они преобладают в симбиотических отношениях. [28]
Симбиоз между азотфиксирующими ризобиями и семейством бобовых возник и развивался на протяжении последних 66 миллионов лет. [29] [30] Хотя эволюция имеет тенденцию склоняться к тому, чтобы один вид использовал другой в форме отказа от сотрудничества в модели эгоистичного гена, управление таким симбиозом позволяет продолжать сотрудничество. [31] Когда относительная приспособленность обоих видов увеличится, естественный отбор будет благоприятствовать симбиозу.
Чтобы понять эволюционную историю этого симбиоза, полезно сравнить симбиоз ризобий и бобовых с более древними симбиотическими отношениями, например, между эндомикоризными грибами и наземными растениями, которые возникли почти 460 миллионов лет назад. [32]
Эндомикоризный симбиоз может дать много информации о симбиозе ризобий, поскольку недавние генетические исследования показали, что ризобии переняли сигнальные пути от более древнего эндомикоризного симбиоза. [33] Бактерии секретируют факторы Nod, а эндомикоризы секретируют Myc-LCO. Распознав фактор Nod/Myc-LCO, растение начинает индуцировать различные внутриклеточные реакции для подготовки к симбиозу. [34]
Вполне вероятно, что ризобии усвоили уже имеющиеся черты эндомикоризного симбиоза, поскольку в этих двух процессах участвует много общих или сходных генов. Например, ген распознавания растений SYMRK (киназа, подобная рецептору симбиоза) участвует в восприятии как ризобиальных факторов Nod, так и эндомикоризных Myc-LCO. [35] Общие сходные процессы значительно облегчили бы эволюцию ризобиального симбиоза, поскольку не все симбиотические механизмы должны были бы развиваться. Вместо этого ризобиям просто нужно было выработать механизмы, позволяющие воспользоваться преимуществами симбиотических сигнальных процессов, уже имеющихся в результате эндомикоризного симбиоза.
Многие другие виды бактерий способны фиксировать азот ( диазотрофы ), но лишь немногие способны тесно связываться с растениями и колонизировать определенные структуры, такие как клубеньки бобовых. Бактерии, которые действительно ассоциируются с растениями, включают актиномицеты Frankia , которые образуют симбиотические корневые клубеньки у актиноризных растений , хотя эти бактерии имеют гораздо более широкий круг хозяев, что означает, что ассоциация менее специфична, чем у бобовых. [16] Кроме того, некоторые цианобактерии , такие как Nostoc , связаны с водными папоротниками , Cycas и Gunneras , хотя они не образуют клубеньков. [36] [37]
Кроме того, сообщалось, что слабо связанные растительные бактерии, называемые эндофитами , фиксируют азот в растении . [38] Эти бактерии колонизируют межклеточные пространства листьев, стеблей и корней растений [39] , но не образуют специализированных структур, таких как ризобии и франкии . Диазотрофные бактериальные эндофиты имеют очень широкий круг хозяев, в некоторых случаях колонизируя как однодольные , так и двудольные растения . [40]