Ризобии — это диазотрофные бактерии , которые фиксируют азот после того, как закрепляются внутри корневых клубеньков бобовых ( Fabaceae ). Для экспрессии генов фиксации азота ризобиям требуется растение- хозяин ; они не могут самостоятельно фиксировать азот . [1] В целом, это грамотрицательные , подвижные , неспорообразующие палочки .
Ризобии — это «группа почвенных бактерий, которые заражают корни бобовых, образуя корневые клубеньки ». [2] Ризобии находятся в почве и после заражения образуют клубеньки в бобовых , где они фиксируют азотный газ (N2 ) из атмосферы, превращая его в более удобную форму азота. Отсюда азот экспортируется из клубеньков и используется для роста бобовых. После того, как бобовые умирают, клубеньки распадаются и выпускают ризобии обратно в почву, где они могут жить по отдельности или повторно заражать новое бобовое растение-хозяина. [2]
Первый известный вид ризобий, Rhizobium leguminosarum , был идентифицирован в 1889 году, и все последующие виды изначально были отнесены к роду Rhizobium . Большинство исследований было проведено на сельскохозяйственных и кормовых бобовых культурах, таких как клевер , люцерна , фасоль , горох и соя ; больше исследований проводится на североамериканских бобовых. [ требуется цитата ]
Ризобии — это парафилетическая группа, которая делится на два класса Pseudomonadota — альфапротеобактерии и бетапротеобактерии . Как показано ниже, большинство принадлежит к порядку Hyphomicrobiales , но несколько ризобий встречаются в отдельных бактериальных порядках Pseudomonadota. [ 3 ] [4] [5] [6]
Эти группы включают в себя множество несимбиотических бактерий . Например, фитопатоген Agrobacterium является более близким родственником Rhizobium , чем Bradyrhizobium , который образует клубеньки на сое. [7]
Хотя большая часть азота удаляется при сборе богатого белком зерна или сена , значительные его количества могут оставаться в почве для будущих урожаев. Это особенно важно, когда не используются азотные удобрения , как в органических схемах севооборота или в некоторых менее индустриальных странах. [ 8 ] Азот является наиболее часто дефицитным питательным веществом во многих почвах по всему миру, и это наиболее часто поставляемое питательное вещество для растений. Поставка азота через удобрения имеет серьезные экологические проблемы .
Для образования функциональных клубеньков на корнях, способных фиксировать N 2 , требуются определенные штаммы ризобий . [9] Наличие этих специфических ризобий полезно для бобовых, поскольку фиксация N 2 может повысить урожайность. [10] Инокуляция ризобиями имеет тенденцию повышать урожайность. [11] Было обнаружено, что ризобии повышают устойчивость бобовых к насекомым-травоядным, особенно когда присутствуют несколько видов ризобий. [12]
Инокуляция бобовых культур является сельскохозяйственной практикой уже много лет и постоянно совершенствуется с течением времени. [10] Ежегодно инокулируется 12–20 миллионов гектаров соевых бобов. Идеальный инокулянт включает некоторые из следующих аспектов: максимальная эффективность, простота использования, совместимость, высокая концентрация ризобий, длительный срок хранения, полезность в различных полевых условиях и выживаемость. [10] [13] [14]
Эти инокулянты могут способствовать успешному выращиванию бобовых культур. [15] В результате процесса образования клубеньков после сбора урожая в почве сохраняется более высокий уровень нитратов, которые затем могут быть использованы следующей культурой.
Ризобии уникальны тем, что они являются единственными азотфиксирующими бактериями, живущими в симбиотических отношениях с бобовыми . Распространенными культурными и кормовыми бобовыми являются горох, фасоль, клевер и соя.
Симбиоз бобовых и ризобий является классическим примером мутуализма — ризобии поставляют растению аммиак или аминокислоты и взамен получают органические кислоты (в основном малат и сукцинат , которые являются дикарбоновыми кислотами ) в качестве источника углерода и энергии. Однако, поскольку несколько неродственных штаммов заражают каждое отдельное растение, возникает классический сценарий трагедии общин . Штаммы-обманщики могут накапливать растительные ресурсы, такие как полигидроксибутират, для собственного воспроизводства , не фиксируя при этом значительного количества азота . [16] Учитывая затраты, связанные с образованием клубеньков, и возможность для ризобий обманывать, может показаться удивительным, что этот симбиоз существует.
Формирование симбиотических отношений включает в себя обмен сигналами между обоими партнерами, что приводит к взаимному узнаванию и развитию симбиотических структур. Наиболее хорошо изученный механизм установления этого симбиоза - внутриклеточная инфекция. Ризобии свободно живут в почве, пока не смогут ощущать флавоноиды , производные 2-фенил-1,4-бензопирона, которые секретируются корнями их растения-хозяина, вызывая накопление большой популяции клеток и в конечном итоге прикрепление к корневым волоскам . [17] [18] Затем эти флавоноиды стимулируют активность связывания ДНК NodD, который принадлежит к семейству регуляторов транскрипции LysR и запускает секрецию nod-факторов после того, как бактерии проникли в корневой волосок. [18] Nod-факторы запускают серию сложных изменений развития внутри корневого волоска, начиная с закручивания корневого волоска и заканчивая образованием инфекционной нити, выстланной целлюлозой трубки, которую бактерии используют для перемещения вниз по корневому волоску в корневые клетки. [19] Затем бактерии заражают несколько других соседних корневых клеток. За этим следует непрерывная пролиферация клеток, что приводит к образованию корневого клубенька . [17] Второй механизм, используемый в основном ризобиями, которые заражают водных хозяев, называется проникновением в трещину. В этом случае не наблюдается никакой деформации корневых волосков. Вместо этого бактерии проникают между клетками через трещины, образующиеся при появлении боковых корней. [20]
Внутри клубенька бактерии морфологически дифференцируются в бактероиды и фиксируют атмосферный азот в аммоний с помощью фермента нитрогеназы . Затем аммоний преобразуется в аминокислоты, такие как глутамин и аспарагин, прежде чем он экспортируется в растение. [17] В свою очередь, растение снабжает бактерии углеводами в форме органических кислот. [17] Растение также обеспечивает бактероид кислородом для клеточного дыхания , прочно связанным леггемоглобинами , растительными белками, похожими на гемоглобины человека . Этот процесс поддерживает кислородное голодание клубенька, чтобы предотвратить ингибирование активности нитрогеназы . [17]
Недавно было обнаружено, что штамм Bradyrhizobium образует клубеньки в Aeschynomene , не вырабатывая nod-факторы, что предполагает существование альтернативных коммуникационных сигналов, отличных от nod-факторов, возможно, включающих секрецию растительного гормона цитокинина. [17] [21]
Было замечено, что корневые клубеньки могут образовываться спонтанно в Medicago без присутствия ризобий. [22] Это означает, что развитие клубенька полностью контролируется растением и просто запускается секрецией nod-факторов .
Существуют две основные гипотезы относительно механизма, который поддерживает симбиоз бобовых и ризобий (хотя обе могут встречаться в природе). Гипотеза санкций предполагает, что бобовые не могут распознавать более паразитические или менее азотфиксирующие ризобии и должны противостоять паразитизму с помощью постинфекционных санкций бобовых. В ответ на неэффективные ризобии хозяева бобовых могут реагировать, налагая санкции различной степени тяжести на свои клубеньки. [23] Эти санкции включают, помимо прочего, сокращение роста клубеньков, раннюю гибель клубеньков, снижение поступления углерода в клубеньки или снижение поступления кислорода в клубеньки, которые фиксируют меньше азота. Внутри клубенька некоторые бактерии дифференцируются в азотфиксирующие бактероиды, которые, как было обнаружено, не способны размножаться. [24] Таким образом, с развитием симбиотических отношений, если гипотеза о санкциях хозяина верна, санкции хозяина должны действовать в отношении целых клубеньков, а не отдельных бактерий, поскольку индивидуальные санкции направленного действия предотвратят распространение любых воспроизводящихся ризобий с течением времени. Эта способность усиливать взаимные отношения с помощью санкций хозяина подталкивает отношения к мутуализму, а не паразитизму, и, вероятно, является фактором, способствующим существованию симбиоза.
Однако другие исследования не обнаружили никаких доказательств санкций против растений. [25]
Гипотеза выбора партнера предполагает, что растение использует сигналы пренодуляции от ризобий, чтобы решить, следует ли допускать образование клубеньков, и выбирает только необманывающие ризобии. Существуют доказательства санкций в растениях сои, которые снижают воспроизводство ризобий (возможно, за счет ограничения подачи кислорода) в клубеньках, которые фиксируют меньше азота. [26] Аналогично, дикие растения люпина выделяют меньше ресурсов клубенькам, содержащим менее полезные ризобии, ограничивая воспроизводство ризобий внутри. [27] Это согласуется с определением санкций, хотя авторы называют это «выбором партнера». Некоторые исследования поддерживают гипотезу выбора партнера. [28] Хотя оба механизма, несомненно, вносят значительный вклад в поддержание ризобиальной кооперации, сами по себе они не полностью объясняют сохранение мутуализма . Гипотеза выбора партнера не является исключительной из гипотезы санкций хозяина, поскольку очевидно, что обе они преобладают в симбиотических отношениях. [29]
Симбиоз между азотфиксирующими ризобиями и семейством бобовых возник и развивался в течение последних 66 миллионов лет. [30] [31] Хотя эволюция имеет тенденцию к тому, чтобы один вид использовал другой в форме отказа от сотрудничества в модели эгоистичного гена, управление таким симбиозом позволяет продолжать сотрудничество. [32] Когда относительная приспособленность обоих видов повышается, естественный отбор будет благоприятствовать симбиозу.
Чтобы понять эволюционную историю этого симбиоза, полезно сравнить симбиоз ризобий и бобовых с более древними симбиотическими отношениями, такими как отношения между эндомикоризными грибами и наземными растениями, которые возникли почти 460 миллионов лет назад. [33]
Эндомикоризный симбиоз может дать много информации о симбиозе ризобий, поскольку недавние генетические исследования показали, что ризобии заимствовали сигнальные пути из более древнего эндомикоризного симбиоза. [34] Бактерии секретируют Nod-факторы, а эндомикориза секретирует Myc-LCO. После распознавания Nod-фактора/Myc-LCO растение начинает вызывать различные внутриклеточные реакции для подготовки к симбиозу. [35]
Вероятно, что ризобии заимствовали уже имеющиеся особенности для эндомикоризного симбиоза, поскольку в этих двух процессах задействовано много общих или похожих генов. Например, ген распознавания растений SYMRK (симбиотический рецептор-подобный киназа) участвует в восприятии как ризобиальных факторов Nod, так и эндомикоризных Myc-LCO. [36] Общие похожие процессы значительно облегчили бы эволюцию ризобиального симбиоза, поскольку не все симбиотические механизмы должны были бы развиваться. Вместо этого ризобии просто нужно было развить механизмы, чтобы воспользоваться преимуществами симбиотических сигнальных процессов, уже существующих в эндомикоризном симбиозе.
Многие другие виды бактерий способны фиксировать азот ( диазотрофы ), но немногие способны тесно ассоциироваться с растениями и колонизировать определенные структуры, такие как клубеньки бобовых. Бактерии, которые ассоциируются с растениями, включают актиномицет Frankia , который образует симбиотические корневые клубеньки в актиноризных растениях , хотя эти бактерии имеют гораздо более широкий круг хозяев, что подразумевает, что ассоциация менее специфична, чем в бобовых. [17] Кроме того, несколько цианобактерий , таких как Nostoc, ассоциируются с водными папоротниками , Cycas и Gunneras , хотя они не образуют клубеньков. [37] [38]
Кроме того, сообщалось, что слабо ассоциированные растительные бактерии, называемые эндофитами , фиксируют азот in planta . [39] Эти бактерии колонизируют межклеточные пространства листьев, стеблей и корней растений [40], но не образуют специализированных структур, таких как ризобии и Frankia . Диазотрофные бактериальные эндофиты имеют очень широкий спектр хозяев, в некоторых случаях колонизируя как однодольные , так и двудольные растения . [41]