WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«Эволюция микробно-растительных симбиозов: филогенетические, популяционно-генетические и селекционные аспекты ...»

-- [ Страница 1 ] --

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПРОВОРОВ

НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Эволюция микробно-растительных симбиозов:

филогенетические, популяционно-генетические

и селекционные аспекты

Специальность 03.00.15 – генетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации, представленной в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора биологических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии Россельхозакадемии

Научный консультант академик Россельхозакадемии, доктор биологических наук, профессор Игорь Анатольевич Тихонович

Официальные оппоненты член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор Илья Артемьевич Захаров-Гезехус академик Россельхозакадемии, доктор биологических наук, профессор Марк Михайлович Левитин доктор биологических наук, профессор Константин Васильевич Квитко

Ведущая организация Биологический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Защита состоится “” 2009 г. в “” часов на заседании совета Д 212.232.12 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034 Университетская наб., д. 7/9, кафедра генетики и селекции, аудитория №1.

С авторефератом диссертации, представленной в виде научного доклада, можно ознакомиться в центральной научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского госуниверситета.

Автореферат разослан “” 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.232. кандидат биологических наук Л.А. Мамон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Генетика симбиотических систем привлекает в настоящее время огромное внимание биологов как принципиально новое направление исследований, связанное с выходом всех направлений генетического анализа (классический, молекулярный, популяционный) на уровень межвидовых взаимодействий. Симбиозы – чрезвычайно удобные модели для развития экологической генетики, изучающей взаимное влияние генетических процессов и определяемых ими отношений организмов с внешней средой (Инге-Вечтомов, 2009).
Применительно к симбиозам решение этой задачи подразумевает анализ генетических эффектов и экологических последствий, которые вызывают молекулярные процессы в тесно интегрированной надорганизменной генной системе. Изучая эти процессы, генетика симбиоза вносит в биологию уникальный вклад, обеспечивая системное использование молекулярных и экологических подходов и открывая возможность для разработки ряда дискуссионных проблем эволюционного учения (соотношение адаптивной и прогрессивной эволюции, становление отношений мутуализма и биологического альтруизма, действие отбора в надорганизменных системах).

Изучение эволюции симбиоза восходит к трудам А. де Бари (de Bary, 1879), который определил его как “сожительство разноименных организмов”, включающее эволюционно связанные мутуалистические и антагонистические отношения. Наилучшими моделями для анализа эволюционной генетики симбиоза оказались бактерии, взаимодействующие с эукариотами, в первую очередь с растениями и животными. Среди них наиболее изучены клубеньковые бактерии (ризобии) – азотфиксирующие симбионты бобовых, которые доступны для детального молекулярного и популяционно-генетического анализа (Симаров и др., 1990; Young, 1992;

Spaink et al., 1998; Jones et al., 2007). Активное изучение генетики взаимодействия со стороны растений-хозяев позволяет приступить к анализу эволюции симбиоза как надорганизменной генетической системы, которая по уровню своей целостности приближается к геному свободноживущего (унитарного) организма (Тихонович, Проворов, 2003, 2009).

Использование филогенетических, популяционно-генетических и молекулярных подходов позволяет изучать симбиоз как продукт коэволюции партнеров, которая представляет собой совокупность макро- и микро-эволюционных процессов, осуществляемых в генетически интегрированных биосистемах (Проворов, 2001а). Однако, комплексное использование этих подходов ранее не проводилось, что существенно ограничивает возможности для выяснения взаимосвязей между эволюционными процессами, осуществляемыми на разных уровнях организации симбиоза: молекулярном, морфо-физиологическом и популяционном.

Наименее изученными остаются генетические механизмы эволюции мутуалистических симбиозов, которые, повышая экологическую приспособленность всех взаимодействующих партнеров, играют ключевую роль в формировании природных экосистем и экологически устойчивых агроценозов.

Недостаточная разработанность эволюционных основ симбиоза является причиной того, что знания о генетике надорганизменных систем мало используются для их улучшения и практического использования. В то же время, потенциальный вклад эволюционной генетики симбиоза в практику очень велик. Областью ее применения является, в первую очередь, сельское хозяйство, где микробно-растительные системы, улучшенные с помощью генетических методов, представляют собой реальную альтернативу широкомасштабному применению минеральных удобрений и пестицидов, которые являются основными источниками загрязнения биосферы. Поэтому весьма актуальна задача повышения эффективности микробно-растительных симбиозов, определяемой как влияние симбиотического взаимодействия на экологическую приспособленность (продуктивность) партнеров (Douglas, 1994).

Исходя из представлений о селекции как об эволюции, направляемой человеком (Вавилов, 1935), а также о возможности экстраполяции знаний о механизмах искусственной эволюции, происходящей при доместикации и селекции хозяйственно-ценных организмов, на естественные эволюционные процессы (Дарвин, 1991), мы вправе сформулировать задачу сравнительного изучения механизмов, лежащих в основе естественной и искусственной эволюции симбиозов. Такой подход позволяет использовать в селекционной, генно-инженерной и биотехнологической практике знания о природных коэволюционных процессах, которые направлены на максимально полное проявление адаптивного потенциала растений. Эти знания должны быть востребованы и при оценке эколого-генетических последствий широкомасштабного использования симбиотических организмов, в том числе и созданных генетическими методами, для конструирования высокопродуктивных, экологически безопасных агроценозов.

Цель работы заключалась в изучении филогенетических и популяционно-генетических закономерностей эволюции мутуалистического симбиоза, направленном на анализ генетических механизмов коэволюции растений и микроорганизмов, а также на разработку подходов и методов для создания экологически эффективных надорганизменных комплексов.

Для достижения это цели мы поставили перед собой ряд задач.

1. На примере групп перекрестной инокуляции бобовых растений изучить филогенетические закономерности эволюции специфичности, проявляемой при образовании эффективного (N 2-фиксирующего) симбиоза, и проанализировать связь симбиотического потенциала со степенью окультуренности растений.

2. Охарактеризовать полиморфизм симбиотических систем, обусловленный разнообразием клубеньковых бактерий (Rhizobium leguminosarum bv. viceae, Sinorhizobium meliloti) и бобовых растений (люцерна, донник, пажитник, козлятник) для оценки адаптивной ценности и селекционного потенциала различных параметров симбиосистем (азотфиксирующей активности и симбиотической эффективности).

3. Оценить относительные вклады растительных и бактериальных генотипов в определение экологической эффективности растительномикробного взаимодействия. На основе анализа связи между эффективностью и специфичностью симбиоза сформулировать основные принципы селекции хозяйственно-ценных симбиотических систем.

4. С целью анализа механизмов коэволюции бобовых растений и ризобий на повышение эффективности мутуализма разработать методику математического моделирования микроэволюционных процессов, происходящих при взаимодействии симбиотических бактерий с растениямихозяевами. С помощью созданных моделей охарактеризовать действие ключевых микроэволюционных факторов (мутационный процесс, перенос генов, различные формы отбора, генетико-автоматические процессы) при формировании генетической структуры микробно-растительных симбиозов.

5. Путем компьютерных экспериментов изучить связь эффективности симбиоза со специфичностью взаимодействия партнеров и с уровнем их изменчивости. Построить обобщенные схемы эволюции систем “растение-микроорганизм”, позволяющие анализировать популяционные механизмы становления мутуалистического симбиоза и разрабатывать приемы для генетического регулирования его эффективности.

• Впервые изучена связь специфичности образования эффективного азотфиксирующего симбиоза и филогении бобовых растений. Показано, что корреляция таксономического деления со специфичностью образования эффективного N2-фиксирующего симбиоза отсутствует, хотя образование клубеньков является таксоноспецифичным признаком растений. Дикорастущие и малоокультуренные формы бобовых превосходят высоко окультуренные формы по эффективности симбиоза с ризобиями.

• Установлено, что варьирование бобовых растений (люцерна, донник, пажитник, козлятник) и ризобий (Rhizobium leguminosarum bv.

viceae, Sinorhizobium meliloti) по азотфиксирующей (ацетиленредуктазной) активности и симбиотической эффективности характеризуется разными величинами статистических параметров (коэффициенты вариации, асимметрии, эксцесса), что свидетельствует о различиях эколого-генетических механизмов контроля, проявления и эволюции этих признаков.

• С использованием метода двухфакторного дисперсионного анализа показано, что наиболее высокая экологическая эффективность характерна для симбиозов, в которых максимален вклад специфичности взаимодействия партнеров (неаддитивные генотипические эффекты) в определение симбиотических признаков.

• Создана методика моделирования циклических микроэволюционных процессов в популяциях микроорганизмов, взаимодействующих с растениями. Действие основных форм отбора (Дарвиновский, частотнозависимый, групповой) и генетико-автоматических факторов (генетический дрейф, популяционные волны, миграция) приурочено к занятию бактериями определенных ниш в системах “хозяин-среда”.

• Выявлена ведущая роль частотно-зависимого отбора, происходящего при конкуренции штаммов ризобий за образование клубеньков, в формировании экотипически полиморфных, панмиктичных бактериальных популяций. Показано, что этот тип естественного отбора является важным фактором становления взаимовыгодных отношений партнеров в стрессовых условиях, неблагоприятных для поддержания признаков мутуализма в популяциях микросимбионтов.

• Предложена обобщенная схема микроэволюции азотфиксирующей симбиотической системы, в соответствии с которой популяционная динамика микросимбионтов следует стратегии “утраты-приобретения” sym-генов, циркулирующих между симбиотически активными и асимбиотическими штаммами под контролем селективных и генетикоавтоматических факторов, индуцируемых хозяином.

• Показано, что в генетически полиморфных симбиосистемах селективная ценность у специфичных по отношению к хозяину штаммов ризобий, способных формировать азотфиксирующие клубеньки лишь с некоторыми растительными генотипами, выше, чем у неспецифичных штаммов, эффективных в симбиозе со всеми растительными генотипами.

Однако общая эффективность симбиоза достигает максимального уровня при взаимодействии специфичных и неспецифичных мутуалистов.

• Сформулированы принципы координированной селекции бобовых растений и клубеньковых бактерий на повышение симбиотической активности: 1) широкое использование дикорастущих и малоокультуренных форм бобовых, сохранивших высокий природный симбиотический потенциал; 2) подбор комплементарных сочетаний генотипов партнеров, оптимальных для эффективного симбиоза. Использование обоих подходов наиболее результативно при снижении популяционной изменчивости растений до уровня, который обеспечивает возможность подбора штаммов бактерий, эффективных в симбиозе со всеми растительными генотипами, имеющимися в сортовых популяциях.

• Показано, что применение “ацетиленового” метода измерения нитрогеназной активности в селекции бобовых растений более результативно при отбраковке симбиотически неактивных генотипов, чем при отборе генотипов с максимальной симбиотической активностью, который может проводиться лишь на фоне относительно однородного исходного материала.

• Установлено, что основным условием реализации симбиотического потенциала активно фиксирующих азот штаммов ризобий, отобранных из природных популяций, либо полученных с помощью генетических методов, является подбор (конструирование) сортов растений, способных к эффективной передаче фиксированного азота из клубеньков и корней в надземные органы.

• Результаты работы использованы при подготовке двух патентов (СССР и России) и двух методических рекомендаций по проведению генетико-селекционных работ с симбиотическими системами. Материалы исследований включены в лекционный курс “Симбиогенетика” и в магистерскую программу “Экологическая генетика” (биолого-почвенный факультет СПбГУ, кафедра генетики и селекции). Автор являлся руководителем или со-руководителем четырех диссертаций, авторы которых удостоены ученой степени кандидата биологических наук.

• Дикорастущие и малоокультуренные формы бобовых растений превосходят производственные сорта по эффективности симбиоза с клубеньковыми бактериями.

• Азотфиксирующая активность и симбиотическая эффективность характеризуются разными параметрами генетической изменчивости, проявляемой со стороны обоих партнеров бобово-ризобиального симбиоза.

• Координированная селекция партнеров бобово-ризобиального симбиоза должна быть направлена на подбор комплементарных пар генотипов партнеров: ризобий с высокой азотфиксирующей активностью и растений, способных полностью использовать биологический азот для построения биомассы.

• Эволюция ризобий на повышение эффективности мутуалистического симбиоза с растениями происходит под действием специфичных для симбиоза форм отбора, индуцируемых при взаимодействии бактерий с хозяевами.

• Высокая генетическая гетерогенность и панмиктичность популяций ризобий обусловлена частотно-зависимым отбором, действующим при конкуренции за образование клубеньков и обеспечивающим закрепление редких генотипов в бактериальных популяциях.

• Повышение эффективности и специфичности бобоворизобиального симбиоза в ходе его эволюции обусловлено интенсивным отбором в пользу бактерий, способных к эффективному симбиозу лишь с некоторыми из доступных генотипов растений-хозяев.

Работа выполнена во Всероссийском НИИ сельскохозяйственной микробиологии, в лабораториях генетики и селекции микроорганизмов (1981-1992), биотехнологии (1992-2000) и биологии ризосферы (2000Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность руководителям этих лабораторий (докт. биол. наук, профессору Б.В.Симарову, докт. биол. наук, академику И.А.Тихоновичу, докт. биол. наук Л.В.Кравченко) за всестороннюю поддержку работы.

Математическое моделирование эволюции симбиоза проводилось совместно с канд. техн. наук Н.И.Воробьевым, которому автор приносит искреннюю признательность за плодотворное творческое содружество. Автор благодарен коллегам, совместно с которыми проводилось изучение симбиотических систем “люцерна – Sinorhizobium meliloti” (докт. биол. наук, проф. А.И.Иванов, докт. биол. наук Ю.Б.Саимназаров, канд. биол. наук Н.И.Сметанин, канд. биол. наук Т.А.Танривердиев), “пажитник – S. meliloti” (докт. биол. наук Ю.Д.Сосков), “вика – Rhizobium leguminosarum bv. viceae” (канд. биол.

наук О.Н.Курчак), “горох – R. leguminosarum bv. viceae” (канд. биол.

наук А.Н.Фесенко), “козлятник – R. galegae” (канд. биол. наук Е.Н.Метлицкая), “арахис – (Brady)Rhizobium sp.” (канд. биол. наук Д.З.Пулатова), “маш – (Brady)Rhizobium sp.” (канд. биол. наук Д.З.Пулатова И.У.Бахромов). Большую помощь в проведении вегетационных опытов оказал канд. биол. наук С.Н. Федоров.

Материалы диссертации были представлены в форме устных докладов и лекций на научных конференциях: “Генетика симбиоза и паразитизма” (1984: Тульская обл., Молочные Дворы), 11-е Всесоюз. совещ. "Плазмида" (1986: Пущино), 5-й съезд ВОГиС (1987: Москва), 7-й Всесоюз. симпоз.

"Молекул. мех-мы генет. процессов" (1990: Москва), Республик. конфер.

"Биологич. фиксация молекул. азота и азотный метаболизм бобовых растений" (1991: Тернополь), 9-й Баховский колл. по азотфиксации (1995: Москва), I съезд ВОГиС (1997: Минск), II съезд ВОГиС (2000: Санкт-Петербург), III и V съезды ВОГиС (2004, 2009: Москва), Всерос. Конф. “Сельскохозяйственная микробиология в XIX-XXI веках” (2001: С.-Петербург), Научнопракт. конф. “Соврем. проблемы пр-ва кормов в условиях Сев.-Запада России” (2002: Петрозаводск), Научно-практ. конф. “Современное состояние российской биотехнологии” (2003: Пущино), 1-й, 2-й и 5-й Междунар.

Конгр. “Биотехнология: состояние и перспективы развития” (2002, 2003, 2009: Москва), 1-я, 2-я и 3-я Научные школы молодых ученых ВОГиС по Экологической генетике (1998, 2002, 2005: С.-Петербург), Школы молодых ученых “Экологическая генетика культурных растений” (1998: Саратов;

2004: Уфа; 2005: Краснодар), Международной научной конференции “Научное наследие Н.И.Вавилова – фундамент развития отечественного и мирового сельского хозяйства” (2007: Москва), Всероссийская конференция “Фундаментальные и прикладные аспекты исследования симбиотических систем” – пленарная лекция (2007: Саратов), Межрегиональная конференция “Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой” – пленарная лекция (2008: Саратов), 8-th Eastern Europ. Symp. "Nitrogenfix-92" (1992: Saratov, Russia), 1-st Europ. Nitrogen Fixation Conference (1994: Szeged, Hungary), 20-th EUCARPIA Meeting, Section Fodder Crops and Amenity Grasses – пленарная лекция (1996: Radzikow, Poland), 4-th Intern. Herbage Seed Conf. (1999: Perugia, Italy), 22-th EUCARPIA Meeting, Section Fodder Crops and Amenity Grasses (1999: St.-Petersburg, Russia), 16-th EUCARPIA Meeting, Genetic Resources Section (2001: Poznan, Poland), International Symposium on Transfer of Molecular Technologies from Model Legumes to Legume Crops (2002: Norwich, UK), 11-th International Congress on Molecular PlantMicrobe Interactions (2003: St.-Petersburg, Russia), 5-th International Workshop on Plant Genetic Resources “Fitogen-2003” – пленарная лекция (2003: Sancti Spiritus, Cuba), First…Fourth Baltic Region Symposia and Postgraduate Courses “Agrobiotechnology Focused on Root-Microbe Systems” (2005: Kaunas, Lithuania; 2006: Hamburg, Germany; 2007: St.-Petersburg, Russia; 2008: Tune, Denmark), 5-th Conference on Mycorrhiza ICOM5 “Mycorrhiza for Science and Society” – пленарная лекция (2006: Granada, Spain); “Plant-Microbe Interaction 2008” – пленарная лекция (2008: Krakow, Poland), 8-th European Nitrogen Fixation Conf. (2008: Gent, Belgium).

По материалам диссертации опубликовано 222 научных труда (144 – на русском языке), в т.ч. 117 статей в рецензируемых журналах (17 - в международных журналах, 75 – в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов докторских диссертаций). Диссертант является соавтором или соредактором 9 книг (учебники, монографии, сборники трудов международных научных конференций).

Штаммы ризобий люцерны (Sinorhizobium meliloti: CIAM1723=425а, CIAM1752=406б, 281, 851, CIAM2502=852), гороха и вики(Rhizobium leguminosarum bv. viceae: CIAM1026=250a и CIAM0106=145a), козлятника (R. galegae: 740), маша (Bradyrhizobium sp. Vigna: CIAM190 и арахиса (B. sp. Arachis: CIAM0104) получены из коллекции клубеньковых бактерий ВНИИСХМ. Штамм S. meliloti СХМ1 получен из лаборатории генетики и селекции микроорганизмов ВНИИСХМ. Рекомбинантные штаммы S. meliloti c дополнительными копиями генов транспорта дикарбоновых кислот получены из отдела генетики Билефельдского университета, ФРГ от проф. А. Пюлера.

Семена бобовых растений получены из коллекции ВИР имени Н.И.

Вавилова (отделы кормовых и зернобобовых культур). Линии люцерны 1-3 степени инбридинга (полученные из сорта Омская 192 M. varia) предоставлены Э.В.Квасовой и В.К.Шумным (Институт цитологии и генетики СО РАН).

Стерильные микровегетационные опыты проводили при выращивании растений на вермикулите с безазотной средой КрасильниковаКореняко (Фёдоров и др., 1986). Вегетационные опыты проводили при выращивании растений в сосудах с нестерильной почвой по стандартной методике (Проворов и др., 1989). Полевые мелкоделяночные опыты проводили с использованием стандартных методик рандомизации повторностей (Доспехов, 1972). Для статистической обработки данных использовали методы одно- или двухфакторного дисперсионного анализа, факторного анализа, корреляционного анализа, t-критерия Стьюдента, а также сравнения параметров экспериментально полученных распределений с нормальными (Лакин, 1990; Дубров и др., 1998).

Маркирование плазмид транспозоном Tn5-mob и их последующую мобилизацию проводили с помощью нереплицирующегося в ризобиях вектора pSUP5011.

Для моделирования популяционной динамики симбиоза использовали метод математической композиции, который позволяет использовать экспериментальные данные, полученные методами частной и популяционной генетики, для реконструкции интегральных процессов коэволюции микроорганизмов и растений. Созданные на основе моделей методики компьютерных экспериментов обеспечивают прогнозирование эволюции симбиоза, происходящей под действием различных форм отбора в сочетании с другими микроэволюционными факторами (мутагенез, перенос генов, генетический дрейф, миграция, популяционные волны), действующими в системах “хозяин-среда”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рассматривая эволюцию мутуалистических симбиозов, мы будем исходить из того, что они являются продуктами коэволюции растений и бактерий, которая была изначально определена в терминах взаимного влияния селективных процессов, происходящих в популяциях партнеров (Mode, 1958; Janzen, 1980). Возникшее позднее представление о коэволюции как о сопряженном кладогенезе взаимодействующих организмов (Doyle, 1998; Schardl et al., 2008) позволило распространить понятие коэволюции и на макроэволюционные процессы. Обе формы коэволюции партнеров симбиоза связаны с их адаптацией друг к другу и к неблагоприятным внешним условиям, основанной на интеграции генных систем взаимодействующих организмов (Тихонович, Проворов, 2003, 2009).

1. Филогенетические закономерности макроэволюции симбиоза Симбиоз является важнейшим фактором эволюции организмов, определяющим становление многих групп растений, животных, грибов и бактерий (Douglas, 1994). Анализ макроэволюции симбиоза предусматривает выяснение:

1) связей между таксономией (структурой филогенетических групп) каждого из партнеров и их симбиотическими свойствами;

2) соответствия (конгруэнтности) филогений макро- и микросимбионтов, определяемого соотношением процессов кладогенеза, происходящего при их коэволюции.

Из литературы известно, что строгая приуроченность симбиоза к определенным группам организмов, а также совпадение их таксономического деления с симбиотической специфичностью, характерны для вертикально наследуемых, генетически облигатных отношений, при которых партнеры не могут существовать самостоятельно в связи утратой жизненно важных функций. Для факультативных и экологически облигатных симбиозов, партнеры которых могут осуществлять базовые жизненные функции в свободноживущем состоянии (к их числу относится бобоворизобиальный симбиоз), связь специфичности с филогенией может быть весьма разнообразной – от их полного совпадения до отсутствия какойлибо связи.

1.1. Связь симбиотической специфичности с филогенией бобовых Для бобово-ризобиального симбиоза связь специфичности с филогенией партнеров традиционно рассматривается в рамках теории групп перекрестной инокуляции (ГПИ) в соответствии с которой виды бобовых разделяют на ряд групп, внутри которых растения могут свободно “обмениваться” микросимбионтами (Fred et al., 1932; Wilson, 1944; Проворов, 1992). При этом “истинные” ГПИ (четко отграниченные друг от друга группы растений, между которыми, как правило, происходит полная перекрестная инокуляция) охватывают лишь небольшую часть сем. бобовых (Fabaceae). Эти группы состоят из видов, относящихся либо к одному роду (например, виды Trifolium, вступают в симбиоз с Rhizobium leguminosarum bv. trifolii; виды Galega – в симбиоз с R. galegae), либо к нескольким близким родам из одной трибы (виды Pisum, Vicia, Lathyrus, Lens из трибы Viceae вступают в симбиоз с R. leguminosarum bv. viceae).

К началу нашей работы для большинства бобовых форма связи между таксономией и специфичностью симбиоза была неясна. По мнению Л.М. Доросинского (1970), само понятие специфичности бобоворизобиального симбиоза следует использовать только по отношению к его мутуалистическим (эффективным) формам, которые характеризуются высокой азотфиксирующей активностью и существенным повышением продуктивности растений, а не к образованию клубеньков, которое может быть результатом паразитарных отношений партнеров. Поэтому признак специфичности должен рассматриваться дифференцированно по отношению к клубенькообразованию и к формированию эффективного мутуализма, а соотношение этих форм специфичности с филогенетическими отношениями растений требует раздельного изучения.

Мы поставили своей задачей провести изучение структуры “истинных” ГПИ с целью анализа связи специфичности образования эффективного симбиоза с таксономией растений. В качестве основной модели была выбрана ГПИ люцерны, в которую входят роды люцерна (Medicago), донник (Melilotus) и пажитник (Trigonella) из трибы Trifolieae, вступающие в симбиоз с Sinorhizobium meliloti и S. medicae. При изучении специфичности 12 видов люцерны и донника по отношению к штаммам S.

meliloti различного происхождения мы показали (Проворов, Симаров, 1984б), что эти бобовые включают: 1) симбиотически не специализированные виды (Medicago borealis, M. caerulea, M. falcata, M. lupulina, M.

orbicularis, M. sativa, M. varia, Melilotus albus, M. officinalis), которые вступают в эффективный симбиоз со штаммами S. meliloti, выделенными из многих других представителей данной ГПИ; 2) узко специализированные виды, которые вступают в симбиоз только со штаммами из клубеньков этих же или немногих таксономически близких видов растений, а со штаммами иного происхождения формируют не фиксирующие азот клубеньки (Medicago arabica, M. hispida), либо вообще не вступают в симбиоз (M. laciniata).

Оказалось, что симбиотически не специализированные виды включают представителей всех четырех подродов люцерны (Medicago, Lupularia, Orbicularia, Spirocarpos), а также виды донника, и это позволило нам предположить, что внутри ГПИ люцерны связь таксономии растений со специфичностью эффективного симбиоза отсутствует. Для того, чтобы проверить это предположение, мы подвергли наши данные математической обработке, объединив их с данными из литературы. Эта обработка была проведена с помощью коэффициентов сходства, вычисляемых для видов А и В:

где NA – число бактериальных штаммов, образующих эффективный симбиоз с видом А, но не с видом В; NB – то же для штаммов, эффективных только на виде В; NAB – то же для штаммов, эффективных с обоими видами растений (Проворов, 1985).

В результате ГПИ люцерны была разделена на три подгруппы, из которых наиболее многочисленная (1-я) состоит из симбиотически не специализированных видов, а 2-я и 3-я – из специализированных видов, причем для M. laciniata перекрестная инокуляция с другими видами люцерны часто не выявляется. Хотя специализированные виды 2-й и 3-й подгрупп относятся только к одному из подродов Medicago (Spirocarpos), при анализе всей совокупности данных мы не обнаружили связи между делением этого рода на подроды и на подгруппы специфичности (табл. 1 и 2).

Аналогичные результаты дало изучение специфичности образования симбиоза Rhizobium leguminosarum bv. viceae с различными видами рода Vicia, произрастающими в Среднеазиатском регионе (Курчак и др., 1995), а также проведенный на основании литературы анализ распределения видов клевера по подродам р. Trifolium и по подгруппам специфичности, выделяемым в ГПИ клевера (Проворов, 1992; Provorov, 1994) и видов бобовых, не входящих в истинные ГПИ (табл. 3). В последнем случае вероятность перекрестной инокуляции для видов из разных подсемейств или триб бобовых оказалась меньшей, чем для видов из одной трибы, а максимальная частота перекрестной инокуляции характерна для видов, представляющих один и тот же род. В то же время, специфичность образования эффективного (N2фиксирующего) симбиоза не зависит от таксономического родства растений.

Возможная интерпретация различий по специфичности симбиоза, проявляемой на уровне образования клубеньков и развития эффективного симбиоза, заключается в том, что образование клубеньков и симбиотическая азотфиксация возникли на разных этапах эволюции бобовых. Например, эволюция бобово-ризобиального симбиоза могла пройти через паразитарную стадию (образование не фиксирующих азот клубеньков) (Проворов, 1987, 1991; Provorov, 1994), о чем говорит наличие ряда “общих” генов, участвующих в развитии клубеньков и в защите растений от патогенов (Spaink, 1995; Brewin, 2004; Jones et al., 2007; Тихонович, Проворов, 2007).

Таблица 1. Распределение видов Medicago и Melilotus по подгруппам группы перекрестной инокуляции (ГПИ) люцерны (Проворов, 1985, 1992; Проворов и др., 1995) Виды растений* Результаты инокуляции различными Подштаммами Sinorhizobium meliloti группы *Для видов люцерны в скобках указана принадлежность к подродам: Medicago (M), Lupularia (L), Orbicularia (O), Spirocarpos (S).

Симбиотические фенотипы: Fix+ – образование N2-фиксирующих клубеньков, Nod+Fix–– образование не фиксирующих N2 клубеньков, Nod– – клубеньки не образуются.

Выявленная в ходе филогенетического анализа эволюционная лабильность N2-фиксирующего симбиоза может быть связана с его необязательностью для онтогенеза растений, которая сочетается с высокой адаптивной ценностью симбиоза, проявляемой в условиях дефицита азота. Мы предположили, что специфичность мутуалистического взаимодействия может быть связана не с таксономией растений, а с их экологической специализацией.

Таблица 2. Анализ сходства различных видов Medicago по специфичности образования эффективного симбиоза (Проворов, 1992; Provorov, 1994) Сопоставляемые виды растений принадлежат: Коэффициенты сходства, Sj К одной и той же подгруппе ГПИ люцерны К разным подгруппам ГПИ люцерны Таблица 3. Связь симбиотической специфичности и таксономического родства у бобовых растений, не входящих в “истинные” группы перекрестной инокуляции, изученная на основании учета элементарных тестов на перекрестную инокуляцию (ЭТПИ)* ной трибы одного подсемейства ствам *Если бактериальный штамм, выделенный из растений вида А, формировал клубеньки на растениях вида В, то мы считали осуществленным 1 положительный ЭТПИ (который мог сопровождаться формированием эффективного или не эффективного симбиоза), а если клубеньки не формировались, то был получен отрицательный ЭТПИ. В таблице суммированы данные о 8680 ЭТПИ, выполненных с бобовыми, представляющими 132 рода из 31 трибы всех трех подсемейств сем. Fabaceae (Проворов, 1992; Provorov, 1994).

Для проверки этой гипотезы мы изучили специфичность симбиоза с различными штаммами S. meliloti, выделенными в Кавказском центре разнообразия рода Medicago, у трех экологически различающихся видов:

M. daghestanica и M. glutinosa – экологически специализированные (эндемичные) виды, M. hemicaerulea – вид с широкой экологической амплитудой. Оказалось (Проворов и др., 1995), что для эндемичных видов M.

daghestanica и M. glutinosa характерно образование более эффективного симбиоза с “гомологичными” штаммами, выделенными из клубеньков этих же видов, чем с “гетерологичными” штаммами из других видов. Однако для экологически пластичного вида M. hemicaerulea такого различия не выявлено: он формирует одинаково эффективный симбиоз со “своими” и “чужими” штаммами ризобий.

1.2. Эволюция симбиотрофного питания азотом у бобовых культур В связи с тем, что для большинства почв характерен дефицит подвижных форм азота, многие группы растений используют два типа азотного питания – симбиотрофный (кооперация с ризобиями, актиномицетами, цианобактериями, ризосферными или эндофитными бактериями) и автотрофный (самостоятельное усвоение азотных соединений, главным образом аммонийных и нитратных форм) (Проворов, 1996б).

Мы изучили динамику эффективного симбиоза в эволюции культурных растений, оценив баланс различных типов азотного питания у ряда видов бобовых, и сопоставили его со степенью окультуренности растений. Оказалось, что для мало окультуренной вики мохнатой (Vicia villosa) характерно преобладание симбиотрофного типа азотного питания, тогда как для высоко окультуренной вики посевной (V. sativa) – преобладание автотрофного типа (рис. 1).

Для математического анализа данных о соотношении альтернативных типов азотного питания был использован коэффициент симбиотической эффективности (Gibson, 1962):

где МS и МC – показатели продуктивности растений в условиях симбиотрофного или автотрофного питания азотом, соответственно. Используя коэффициент Е, мы сопоставили полученные нами результаты с данными литературы и выяснили (рис. 2), что преобладание автотрофного питания характерно для высоко окультуренных видов бобовых, а преобладание симбиотофного питания – для мало окультуренных видов.

Рисунок 1. Использование викой мохнатой (Vicia villosa) и викой посевной (V.

sativa) симбиотически фиксированного азота (N2) или азотных удобрений (N) в форме карбамида. Размеры столбиков соответствуют средним прибавкам (по сравнению с безазотным контролем) для массы растений (белые) или накопления в них азота (заштрихованные) в вегетационных опытах (Курчак, Проворов, 1995).

Важно отметить, что наиболее резкие различия по соотношению альтернативных типов азотного питания выявляются для растений, образующих недетерминированные клубеньки с “амидным типом” ассимиляции фиксированного азота (горох, люцерна, кормовые бобы, козлятник, клевер, вика), тогда как у бобовых с детерминированными клубеньками “уреидного типа” (соя, фасоль, маш; возможно, арахис) данные различия выражены гораздо менее резко. Эта закономерность может быть связана с тем, что специализированная система усвоения фиксированного азота, характерная для уреидных клубеньков, не участвует в ассимиляции азотных удобрений и в меньшей степени подвержена ингибированию продуктами азотного обмена, чем ассимиляторная система амидных клубеньков. Результаты сравнительного изучения динамики накопления азота в растениях Vicia sativa и V. villosa, проведенное с помощью изотопных (15N) методов (Kurchak et al., 2000), позволяют предположить, что снижение симбиотической активности при окультуривании растений связано с повышением чувствительности N2фиксирующей системы к азотным соединениям, в первую очередь, к накапливающимся в клубеньках продуктам N2-фиксации.

Повышенная эффективность симбиотрофного питания азотом у дикорастущих и мало окультуренных бобовых может быть выявлена и при анализе внутривидовой изменчивости, которую мы изучили на примере пажитника греческого (Trigonella foenum graecum), разделяемого на два подвида: дикорастущий индийский и окультуренный средиземноморский (Синская, 1950;

Сосков, Байрамов, 1990). В дикорастущих образцах и сортах пажитника выявляются растения, которые образуют фиксирующие N2 клубеньки (Fix+), не фиксирующие N2 клубеньки (Fix–) и не образуют клубеньков (Nod–). При этом индийский подвид обладает наибольшими частотами Fix+ и Nod+ растений, тогда как у средиземноморского подвида частоты Nod+ растений резко снижены, а Fix+ растения не выявляются (табл. 4).

Рисунок 2. Эффективность симбиотрофного питания азотом у бобовых культур.

Приведены средние значения коэффициентов эффективности (Е, формула 1) с доверительными интервалами: 1 – горох посевной (Pisum sativum), 2 – кормовые бобы (Vicia faba), 3 – вика посевная (V. sativa), 4 – люцерна культурная (Medicago sativa, M.

varia), 5 – вика мохнатая (V. villosa), 6 – козлятник восточный (Galega orientalis), 7 – клевер сходный (Trifolium ambiguum), 8 – фасоль обыкновенная (Phaseolus vulgaris), – соя культурная (Glycine max), 10 – маш (Vigna radiata), 11 – арахис (Arachis hypogaea). Серым цветом выделены виды растений с преобладанием симбиотрофного типа азотного питания над автотрофным типом. Для вики, маша и арахиса использованы собственные данные, для остальных видов – данные из литературы (см. обзор:

Проворов, 1996б).

Таблица 4. Симбиотические свойства различных подвидов пажитника греческого (Trigonella foenum graecum) Показатели* Микровегетационный опыт Полевой опыт

И С Г И С Г

растений растений Число клу- 15,7±0,9 12,7±0,7 16,2±1,2 15,9±1,5 10,8±0,9 13,7±1, беньков на Nod+ растение Исследовали по 10 образцов индийского (И) и средиземноморского (С) подвидов, а также 9 межподвидовых гибридов (Г), анализируя по 30-40 растений каждого образца при инокуляции штаммами 851 и 852 S. meliloti (Проворов и др., 1987а;

Сосков и др., 1992).

*Фенотипы растений обозначены как в таблице 1.

С использованием “ацетиленового” метода мы показали, что у люцерны дикорастущие и мало окультуренные формы превосходят по азотфиксирующей активности сорта, что согласуется с данными, полученными ранее (Тихонович, 1991) для гороха (рис. 3).

Рисунок 3. Нитрогеназная активность (НА, измеренная ацетиленовым методом, мкМ С2Н4 на растение в сутки) у дикорастущих (мало окультуренных) форм (1) и производственных сортов (2) бобовых. Данные по люцерне, Medicago sativa, M. varia взяты из: Проворов, Тихонович, 2003; Provorov, Tikhonovich, 2003; данные по гороху, Pisum sativum ssp. sativum предоставил И.А.Тихонович.

Тот факт, что культурные растения обеднены наследственными факторами, обеспечивающими способность к симбиотрофному питания азотом, может быть связан с длительным возделыванием и селекцией растений в условиях достаточного, а иногда и избыточного снабжения азотом, при котором происходила автоселекция форм с преобладанием автотрофного типа азотного питания. Маш и арахис, для которых мы выявили преобладание симбиотрофного азотного питания (табл. 5), хотя и являются стародавними бобовыми культурами, возделываются главным образом в тропических регионах, на бедных почвах и при низких уровнях азотных удобрений (Жуковский, 1950). В то же время, люцерна, горох, соя и фасоль длительное время возделывались в условиях интенсивного земледелия, при высокой обеспеченности азотом.

Таблица 5. Отзывчивость маша (Vigna radiata) и арахиса (Arachis hypogaea) на инокуляцию ризобиями и на внесение минерального азота в форме NH4NO3 (Пулатова и др., 1998; Provorov et al., 1998) Варианты Маш (среднее по 2 сортам) Арахис (среднее по 3 сортам) + N обработки *Использовали производственные штаммы: CIAM1901 для маша, CIAM0104 для арахиса; (+) или (–) – достоверные отличия от варианта с инокуляцией. N60 и N120 – внесение удобрений из расчета 60 и 120 кг/га азота.

Однако продолжительное возделывание бобовых культур на высоком азотном фоне не может считаться единственной причиной их сниженной симбиотической активности. Данные об отрицательной корреляции между числом клубеньков и эффективностью каллусообразования у пажитника греческого (Provorov et al., 1996) позволяют предположить, что симбиотические свойства растений могли снижаться в результате отбора на высокую регенерационную активность (при селекции пастбищных и многоукосных культур). Выявленные нами отрицательные корреляции симбиотической эффективности с содержанием масла в семенах арахиса или крахмала в семенах маша (Саимназаров и др., 1997) могли быть причиной снижения симбиотической активности при селекции по биохимическому составу семян.

Итак, филогенетический анализ показал высокую эволюционную лабильность бобовых по способности к взаимодействию с ризобиями, а также позволил предположить, что динамика основных симбиотических признаков растений (клубенькообразующей активности и способности формировать эффективно фиксирующий N 2 мутуалистический симбиоз) определяется разными эволюционными факторами. Для выявления этих факторов весьма важными представляются вопросы о том, каким образом эволюционная динамика симбиотических признаков связана с популяционной структурой сортов, изменяемой в ходе селекции, и как она реализуется в ходе коэволюции растений с полиморфными популяциями микросимбионтов.

2. Популяционная динамика эффективного симбиоза В основу изучения мутуалистических симбиозов должно быть положено представление об их генетический целостности (Тихонович, Проворов, 2003), которая проявляется на онтогенетическом уровне (“встраивание” микросимбионтов в индивидуальное развитие растения- или животного-хозяина) и на популяционном уровне (перекрестное влияние селективных процессов, происходящих в популяциях партнеров). Первым шагом к изучению популяционной целостности бобово-ризобиального симбиоза является анализ сопряженной изменчивости бактериального и растительного компонентов. Практически значимым результатом этой работы должна стать мобилизация генетических ресурсов растений и бактерий в целях селекции, генетического конструирования и биоинженерии хозяйственно-ценных симбиозов.

по признакам симбиотической эффективности Основными признаками ризобий, характеризующими их симбиотический потенциал, являются: азотфиксирующая (нитрогеназная) активность, симбиотическая эффективность (влияние на продуктивность растений), а также способность конкурировать за образование клубеньков и хозяйская специфичность, проявляемая по отношению к разным видам и сортам растений (Доросинский, 1970; Мишустин, Шильникова, 1973; Симаров и др., 1990). Изучение взаимосвязи этих признаков необходимо для разработки экспресс-методов отбора эффективных симбиотических систем, которую обычно связывают с использованием “ацетиленового” метода (Hardy et al., 1968), основанного на способности нитрогеназы разрывать тройную связь не только в молекуле N2, но и в молекуле C2H2 (в последнем случае основным продуктом нитрогеназной реакции является этилен C2H4). Дешевизна и простота определения ацетиленредуктазной активности (АРА) позволяет использовать ее для того, чтобы: 1) исключать из селекции симбиотически неактивные генотипы (Nod–, Fix–), 2) среди активных (Fix+) растений и бактерий отбирать формы с максимальным проявлением признаков симбиоза.

Ранее при проведении селекции ризобий люцерны (S. meliloti) было показало, что для штаммов, контрастно различающихся по симбиотическим свойствам (например, Fix+ и Fix–), наблюдается высокая корреляция АРА и симбиотической эффективности (массы растений). Однако если в испытание брали штаммы, различия которых по азотфиксирующей активности носят количественный характер (например, Fix+ и Fix++), корреляция этих признаков часто оказывается низкой и недостоверной (Федоров, Симаров, 1987). Следовательно, АРА наиболее пригодна для использования в качестве экспресс-метода на начальных этапах селекции, связанных с отбраковкой симбиотически неактивных штаммов, однако для выявления штаммов, обладающих максимальной эффективностью симбиоза, ее использование ограничено. Для выяснения природы этих ограничений, а также для поиска критериев отбора штаммов ризобий на повышение симбиотической эффективности, был проведен анализа ее взаимосвязи с АРА в системах “R. leguminosarum bv. viceae – горох” и “Sinorhizobium meliloti – люцерна”.

2.1.1. Система “Rhizobium leguminosarum bv. viceae – горох” (аналитическая селекция) Простейшим подходом для изучения взаимосвязи между нитрогеназной активностью и симбиотической эффективностью является анализ их изменчивости у природных изолятов ризобий, полученных из почвы или клубеньков растений (аналитическая селекция). Мы исследовали коллекцию из 481 штамма ризобий гороха (R. leguminosarum bv. viceae) в серии из 52 вегетационных опытов, в результате которых было выявлено 7 эффективных штаммов, которые изучили в полевых опытах (работа проведена совместно с ВНИИ зернобобовых и крупяных культур, г. Орёл).

Полученные данные показали, что селекция штаммов на способность повышать накопление в растениях азота намного более результативна, чем на способность повышать массу растений (табл. 6). Корреляционный анализ полученных данных показал (табл. 7), что нитрогеназная активность (АРА) слабо связана с параметрами симбиотической эффективности – массой растений и накоплением в них азота. Низкие, хотя и достоверные корреляции выявлены по совокупности вегетационных опытов, в которых проверяли штаммы, контрастно различающиеся по симбиотической активности. Однако эти корреляции отсутствовали в полевых опытах, где изучались только эффективные штаммы. Следовательно, в данных условиях селекция ризобий по нитрогеназной активности мало эффективна, однако она может быть результативной по способности штаммов повышать накопление в растениях азота, которое хорошо коррелирует с их массой. Это различие связано с тем, что накопление азота отражает азотфиксирующую активность за весь период вегетации, тогда как АРА позволяет оценивать эту активность в течение небольших промежутков времени, когда она подвергается случайным колебаниям.

Важно отметить, что общее накопление азота в растениях достоверно коррелирует как с их массой, так и с концентрацией азота, хотя между двумя последними показателями связь отсутствует. Это показывает, что дополнительные количества азота, которые хозяин получает благодаря повышению азотфиксирующей активности бактерий, могут быть лишь частично использованы им для своего развития.

Таблица 6. Симбиотическая эффективность природных штаммов Rhizobium leguminosarum bv. viceae на горохе сорта Орловчанин (Орлов и др., 1995; Фесенко и др., 1995) *Прибавки относительно контроля без инокуляции вычисляли только для эффективных штаммов, инокуляция которыми приводила к достоверному возрастанию симбиотических признаков: МИ – массы инокулированных растений, Nобщ – общего накопления азота.

Таблица 7. Корреляционный анализ симбиотических признаков при селекции штаммов Rhizobium leguminosarum bv. viceae на эффективность симбиоза с горохом (Орлов и др., 1995; Фесенко и др., 1995) признаки Число опытов, в которых коэффициент корреляции положителен (достоверность корреляции для совокупности опытов оценивали с помощью критерия знаков; *Р 0,05; **Р0 0,01). bГенеральные коэффициенты корреляции () определяли, вычисляя для каждого значения r величины z = 0,5 ln(1+r)/(1–r), которые распределены по нормальному закону, после чего оценивали достоверность отличия z от 0 (*Р0 0,05; **Р 0,01), а значения определяли по таблицам на основании средних величин z.

МИ – масса инокулированных растений, N% – концентрация в них азота, Nобщ – общее накопление азота, НА – нитрогеназная (ацетилен-редуктазная) активность.

2.1.2. Система “Sinorhizobium meliloti – люцерна” (рекомбинантные штаммы) Для более детальной характеристики процессов усвоения азота при эффективном симбиозе, который формируется благодаря повышению азотфиксирующей активности бактерий, мы использовали генетическую систему, созданную во ВНИИСХМ совместно с Билефельдским университетом (отдел генетики) и состоящую из рекомбинантных штаммов S.

meliloti, полученных путем амплификации генов, которые контролируют энергоснабжение нитрогеназы, связанное с транспортом в бактерии дикарбоновых кислот. Этот транспорт контролируется сукцинат-пермеазой DctA, синтез которой зависит от специфичных для гена dctA транскрипционных регуляторов DctBD и от неспецифичных регуляторов NifA и NtrA, вовлеченных также в регуляцию генов нитрогеназы (Jording et al., 1994). Штаммы изучали в стерильных опытах, при выращивании люцерны на безазотном субстрате (вермикулит), что позволило отказаться от использования АРА, проявляющей низкую корреляцию с массой растений, а для оценки N2-фиксирующей активности использовать накопление в них азота (Проворов и др., 1994а; Онищук и др., 2009). Для характеристики эффективности симбиоза наряду с массой растений, использовали накопление в них углерода, отражающее интенсивность фотосинтеза, который является источником энергии для азотфиксации (Streeter, 1995).

Анализ данных двух микровегетационных опытов (МВО) и вегетационного опыта (ВО) показал, что прибавки растений по массе были значительно ниже, чем по накоплению азота (рис. 4), что согласуется с данными, полученными на горохе (табл. 6). В ВО рекомбинанты в среднем превышали штамм Rm2011 по общему накоплению азота в растениях на 78%, а по их массе – лишь на 22% (рис. 4). Корреляционной анализ полученных данных показал, что масса люцерны тесно связана с общим накоплением в ней азота и углерода (табл. 8). В МВО №1 высокие корреляции отмечены при сопоставлении всех признаков, а в МВО №2 отсутствовали корреляции массы с концентрациями азота и углерода. Это различие может быть связано с тем, что в МВО №1 изучали штаммы, контрастно различающиеся по симбиотической активности (включая мутанты со сниженной или утраченной N2-фиксацией), а в МВО №2 изучали только высокоактивные рекомбинанты. Важно отметить, что в обоих опытах наблюдали высокие корреляции между концентрациями в растениях азота и углерода. По-видимому, активная N2-фиксация усиливает фотосинтез, благодаря чему достигается оптимальный баланс С:N в растениях. Стимулом для усиления фотосинтеза может быть также ускоренное поглощение бактероидами дикарбоновых кислот, связанное с активизацией сукцинат-пермеазной системы.

Рисунок 4. Симбиотическая активность рекомбинантов Sinorhizobium meliloti, полученных при введении дополнительных генов транспорта дикарбоновых кислот в штамм Rm2011 (Онищук и др., 2009). Приведены средние данные по 9 рекомбинантам: 2011-121 (dctABD), 2011-121Н6 (dctABD), 2011SH2 (dctA), 2011-121/121SH2 (dctABD + dctA), 2011-H6/SH2 (dctABD + dctA), 2011-121HB4 (ntrA), 2011-SH2/HB4 (dctABD + ntrA), 2011-121HH5 (nifA), 2011SH2/HH5 (dctA + nifA) (Engelke et al., 1989; Jording et al., 1992).

Таблица 8. Корреляции симбиотических признаков люцерны, инокулированной рекомбинантами Sinorhizobium meliloti с дополнительными копиями генов транспорта дикарбоновых кислот (Онищук и др., 2009) В микровегетационном опыте №1 изучены 23 контрастно различающиеся по азотфиксирующей активности штамма (4 мутанта фенотипа Fix–, 6 мутантов Fix+/–, 13 рекомбинантов и штамм “дикого типа” Fix+ и Fix++), в опыте №2 – рекомбинантов, генотипы которых указаны в подписи к рис. 4 (Fix+ и Fix++). М – надземная масса растений, N% и Nобщ – концентрация и общее накопление в них азота; C% и Cобщ – то же для углерода. Корреляции достоверны при *Р0 0,05;

**Р0 0,01.

Для изучения природы ограничений в проявлении признака повышенной симбиотической эффективности мы провели более детальное изучение группы из 9 рекомбинантов, полученных путем введения дополнительных копий “симбиотических” генов в штамм дикого типа (указаны в подписи к рис. 4). Мы сопоставили проявление их симбиотических признаков на двух неродственных сортах люцерны: с. Зайкевича (M.

varia) и с. Du Puits (M. sativa), для которых в микровегетационном опыте раздельно исследовали влияние инокуляции на массу и элементный (N, C) состав корней и надземной части. При образовании эффективного симбиоза (сравнение растений в стерильном контроле и при инокуляции штаммом Rm2011) у обоих сортов наблюдали возрастание надземной массы растений, а также концентрации и общего накопления в ней азота (табл. 9). При этом концентрация азота в корнях резко возрастала у с. Du Puits, но не изменялась у с. Зайкевича. Очевидно, что при образовании эффективного симбиоза растения с. Зайкевича полностью передают фиксированный азот из клубеньков и корней в надземную часть, а у с. Du Puits значительная его часть остается в корнях.

При повышении активности симбиоза, связанном с активизацией сукцинат-пермеазной системы (сравнение рекомбинантов с исходным штаммом Rm2011), у растений обоих сортов возрастает масса надземной части и накопление в ней азота. Однако это повышение невелико и сопровождается значительным накоплением азота в корнях (31% дополнительно фиксированного азота у сорта Зайкевича, 62% – у сорта Du Puits).

У сорта Du Puits при этом возрастает также и масса корней, что требует дополнительных затрат углерода, еще более ограничивающих эффективность симбиоза.

Таблица 9. Продуктивность люцерны сортов Зайкевича (M. varia) и Du Puits (M.

sativa) при взаимодействии с эффективными рекомбинантами Sinorhizobium meliloti (указаны в подписи к рис. 4) в микровегетационном опыт №2 (Онищук и др., 2009) Сорт Зайкевича Cорт Du Puits Сорт Зайкевича Cорт Du Puits Отклонения (%) при инокуляции штаммом Rm2011 по сравнению с контролем Отклонения (%) при сравнении рекомбинантов с родительским штаммом Rm Абсолютные значения массы (мг на пробирку) для растений (Rm2011) *Отклонения статистически значимы (P0 0,05). МИ – масса инокулированных растений, МК – масса контрольных (не инокулированных) растений, Nобщ – общее накопление азота, N% – концентрация азота.

Важными особенностями анализа фенотипического эффекта бактериальных генов, контролирующих симбиотическую эффективность, является зависимость ее проявления от генотипов хозяина, которые вносят более значимый вклад в варьирование признаков симбиоза, чем бактериальные генотипы (см. табл. 17), а также сильное неконтролируемое варьирование этих признаков, обусловленное полиморфизмом растительных популяций (разд. 3.1). При сопоставлении результатов проведенных опытов не удалось выявить достоверные корреляции между величинами симбиотической эффективности рекомбинантов, содержащих дополнительные копии генов транспорта дикарбоновых кислот, что затрудняет определение относительной ценности этих генов при конструировании высокоактивных штаммов ризобий. Для решения этой задачи мы определяли уровни влияния амплификации генов dctABD, dctA, nifA, ntrA на показатели симбиотической эффективности с помощью факторного анализа.

Оказалось (табл. 10), что в МВО №1 и №2 с сортом Du Puits совместная амплификация структурного гена сукцинат-пермеазы dctA и специфичных для него регуляторов dctBD демонстрирует наибольшее влияние на симбиотическую эффективность (о чем говорят высокие величины факторной нагрузки для dctABD) по сравнению с амплификацией гена dctA или неспецифичных регуляторов nifA и ntrA. В ВО с сортом Du Puits факторные нагрузки для dctA и dctABD одинаково высоки, а для неспецифичных регуляторов nifA и ntrA они ниже, чем в МВО. В МВО №2 с сортом Зайкевича уровни влияния изученных генов на эффективность симбиоза оказались такими же, как в ВО с сортом Du Puits.

Таблица 10. Уровни влияния амплификации генов транспорта дикарбоновых кислот на показатели эффективности симбиоза Sinorhizobium meliloti с разными сортами люцерны *Факторные нагрузки (приведены со стандартными ошибками) вычисляли для Min-вектора в многомерном пространстве, координатные оси которого характеризуют количества копий генов транспорта дикарбоновых кислот, а также параметры эффективности симбиоза – массу растений, содержание в них азота и углерода. Значения факторных нагрузок находятся в диапазоне 0…1 (чем они выше, тем более значимо влияние амплификации гена, рассчитанное на одну копию).

Полученные данные позволяют предположить, что в неблагоприятных для симбиоза условиях (МВО с сортом Du Puits, где продолжительность азотфиксации составила 8-10 суток) лимитирующей стадией образования N2-фиксирующей системы оказывается активация синтеза сукцинат-пермеазы DctA, осуществляемая на уровне транскрипции структурного гена, в которой важную роль играют не только специфичные регуляторы dctBD, но и неспецифичные регуляторы nifA и ntrA. В более благоприятных условиях (ВО с сортом Du Puits, где период азотфиксации составляет 28-30 суток, а также МВО с сортом Зайкевича, который даже в условиях ограниченного роста обеспечивает активный отток продуктов N2-фиксации в надземную часть растений) эффективность симбиоза зависит от работы уже сформировавшейся пермеазной системы, и для ее повышения достаточно амплификации гена dctA. Одним из механизмов ингибирующего действия накапливающихся в клубеньках продуктов N2фиксации может быть блокировка образования дикарбоновых кислот, снижающая скорость синтеза пермеазы DctA (на уровне активности транскрипционных регуляторов).

Итак, использование симбиосистем (“Rhizobium leguminosarum bv.

viceae – горох”, “Sinorhizobium meliloti – люцерна”) показало, что возрастание азотфиксирующей активности бактерий (в результате аналитической селекции, либо генетического конструирования) повышает накопление азота в растениях более существенно, чем их массу. Из этого следует, что для полной реализации азотфиксирующего потенциала ризобий необходим подбор генотипов бобовых, способных полностью использовать для развития биомассы дополнительно получаемый азот. На примере двух сортов люцерны, изученных на отзывчивость к инокуляции генетически модифицированными штаммами S. meliloti, можно видеть, что “узким местом”, ограничивающим использование дополнительно фиксированного азота, является его передача из корней в надземную часть растений.

Детальное изучение симбиотического полиморфизма бобовых мы провели на примере культурных видов люцерны, донника и пажитника, входящих в ГПИ люцерны (табл. 11). Наименее изменчивой среди них оказалась люцерна, наиболее изменчивым – пажитник греческий, для которого проявление полиморфизма сильно зависит от генотипов микросимбионта: наиболее эффективны штаммы S. meliloti, выделенные из пажитника (851 и 852), менее эффективны штаммы 425а и 406б из люцерны, и неэффективен штамм 281 из донника (Проворов, Симаров, 1984а, 1986а).

Таблица 11. Изменчивость симбиотических признаков у бобовых растений из ГПИ люцерны, по данным микровегетационных опытов (Provorov, Simarov, 1990) *Объединенные данные по видам Medicago sativa, M. varia, M. falcata (штамм СХМ1).

**Объединенные данные по видам Melilotus albus, M. officinalis (штамм 281).

***Данные для с. Нахичеванская шамбала (штамм 852). МИ – масса инокулированных растений, НА – нитрогеназная (ацетилен-редуктазная) активность (фенотипы растений обозначены как в табл. 1).

Изучение внутрисортовой изменчивости люцерны (при инокуляции штаммом СХМ1) показало, что у индивидуальных растений нитрогеназная активность более вариабельна, чем масса (табл. 12). При этом по нитрогеназной активности выявляется левосторонняя асимметрия (As0), то есть в популяциях преобладают растения с низким уровнем проявления этого признака.

Подобной асимметрией характеризуется распределение неинокулированных растений по массе, однако образование симбиоза приводит к нормализации этого распределения.

Таблица 12. Характеристика внутрисортового полиморфизма люцерны по симбиотическим признакам (при инокуляции штаммом СХМ1)

МИ НА МК МИ НА

ранняя (v) местная (v) Средние 18,3±1,20 35,0±1,59 +0,66±0,14* –0,16±0,12 +0,53±0,10* Для характеристики распределений использовали коэффициенты: Cv – вариации (%), As – асимметрии (*распределение достоверно отличается от нормального; Р 0,05). В скобках после названий сортов указана их принадлежность к видам люцерны:

Medicago varia (v) или M. sativa (s) (Lesins, Lesins, 1979; Иванов, 1980).

МИ – масса инокулированных растений, МК – масса контрольных (не инокулированных) растений, НА – нитрогеназная (ацетилен-редуктазная) активность.

Закономерности, выявленные при изучении нитрогеназной активности у люцерны, подтвердились при изучении козлятника восточного, Galega orientalis сорта Гале (табл. 13). По данным микровегетационных опытов, около 15% растений этого сорта формируют неактивные (Fix–) клубеньки, причем коэффициенты вариации и асимметрии распределений Fix+ растений по нитрогеназной активности для козлятника значительно выше, чем для люцерны.

Таблица 13. Полиморфизм козлятника восточного (с. Гале) по нитрогеназой активности (НА) при инокуляции штаммом 740 (Метлицкая и др., 1995) Коэффициенты (для Fix+ растений): Cv – вариации (%), As – асимметрии, Ex – эксцесса (*распределение достоверно отличается от нормального; Р0 0,05).

Межпопуляционное варьирование люцерны было изучено на двух наборах генотипов: таксономически разнородном (99 образцов Medicago sativa, M. varia, M. falcata, представляющих все мировые центры происхождения люцерны; рис. 5) и таксономически однородном (34 образца M. sativa Среднеазиатского генцентра). Результаты этих опытов оказались сходными, так как для обеих групп генотипов: 1) прибавка массы растений более изменчива, чем нитрогеназная активность (коэффициенты вариации 48-63% и 20-22%, соответственно); 2) эти признаки не коррелируют между собой и характеризуются различными параметрами распределения, что говорит о разном генетическом контроле.

В связи с отсутствием четкой связи между азотфиксирующей активностью и симбиотической эффективностью со стороны как растений, так и ризобий, особый интерес приобретает вопрос о возможности использования “ацетиленового” метода в селекции активно фиксирующих N 2 симбиотических систем. Мы показали, что если набор из различающихся по происхождению сортов бобовых испытывают на эффективность симбиоза с одним и тем же штаммом ризобий, то корреляции оказываются недостоверными: для выборки из 99 сортов люцерны (рис. 5) коэффициенты корреляции ацетиленредуктазной активности с относительными (в %) и абсолютными (в мг) прибавками массы растений составили +0,13…+0,18 (Р 0 0,05).

Аналогичные данные были получены и при анализе выборки из сортов люцерны Среднеазиатского генцентра (r = +0,04…+0,30; Р 0,05). Мы предположили, что отсутствие этой корреляции связано с высоким полиморфизмом изучаемых сортов растений, у которых способность индуцировать у находящихся в клубеньках бактерий нитрогеназную активность и ассимилировать продукты азотфиксации характеризуется разными закономерностями генетического варьирования. Если это предположение правомочно, то корреляции азотфиксирующей активности и симбиотической эффективности должны проявляться на фоне генетически однородных выборок растений. Для проверки этого предположения мы использовали серию самофертильных линий люцерны (M. varia) сорта Омская 192.

Оказалось, что у полученных линий симбиотическая эффективность (относительные прибавки массы от инокуляции) вдвое ниже, чем у исходного сорта). Однако по нитрогеназной активности (АРА) подобного снижения не наблюдали, причём три линии характеризовались ее возрастанием (табл. 14). Корреляционный анализ показал, что связь АРА с массой растений отсутствует при сопоставлении разных линий люцерны, но выявляется для индивидуальных растений внутри линий (табл. 15). Это показывает, что селекция растений по АРА может приводить к повышению симбиотической эффективности только при работе с относительно однородным исходным материалом.

Для того, чтобы подтвердить возможность селекции растений на повышение симбиотической эффективности с помощью “ацетиленового” метода, мы провели опыты с козлятником восточным (Galega orientalis) – культурой с преобладанием симбиотрофного типа азотного питания над автотрофным типом (рис. 2). В микровегетационных опытах, результаты которых представлены в таблице 12, из сорта Гале были отобраны 107 растений с максимальной нитрогеназной активностью (Fix ++ ) и 109 лишенных ее растений (Fix –). Анализ развития этих растений в полевых опытах показал, что отбор на повышенную нитрогеназную активность сопровождался усилением развития козлятника, а также ускорением его перехода в генеративную фазу (табл. 16). Хотя полученные данные носят предварительный характер (Fix ++ растения сравнивали с растениями фенотипа Fix –, а не со всем исходным сортом), результаты работы позволили нам защитить методику отбора растений с повышенной симбиотической эффективностью, основанную на использовании ацетиленового метода, патентом России (№2083089 от 10.06.1997 г.). Возможность использования созданного исходного материала в селекции козлятника была показана в последующих работах (Raig et al., 2001).

Рисунок 5. Межсортовое варьирование люцерны по симбиотической активности. Симбиотические признаки 99 сортов и дикорастущих форм Medicago sativa (60), M. varia (27), M. falcata (12) изучены в стерильных микровегетационных опытах при инокуляции штаммом СХМ1. А – нитрогеназная активность: мкМ С2Н4 на растение в сутки. Б – симбиотическая эффективность: прибавка массы растений, мг (Provorov, Simarov, 1990).

Таблица 14. Симбиотические свойства самофертильных линий люцерны, полученных из сорта Омская 192 (Квасова и др., 1994) Признаки Омская 192 Линии* Число линий, отклоняющихся от исходного сорта** Р0 – вероятность нулевой гипотезы о том, что линии в среднем не отличаются от исходного сорта. В скобках указаны количества линий с достоверным отклонением от сорта Омская 192 (*средние рассчитывали для 21 линии; **из расчетов исключены 3 линии, в которых наблюдали выщепление Fix– растений).

МИ – масса инокулированных растений (штамм СХМ1), МК – масса контрольных (не инокулированных) растений, dM% – прибавка (%) массы растений над контролем без инокуляции, НА – нитрогеназная (ацетилен-редуктазная) активность.

Таблица 15. Корреляционный анализ симбиотических признаков самофертильных линий люцерны (Квасова и др., 1994) Сопоставляемые признаки Коэффициенты Вероятность накорреляции личия связи* в линии) МИ – масса инокулированных растений, dM% – прибавка (%) массы растений от инокуляции, НА – нитрогеназная (ацетилен-редуктазная) активность.

Таблица 16. Продуктивность растений козлятника, различающихся по способности к азотфиксации, в полевом опыте на 2-й год вегетации (Метлицкая и др., 1995) % растений, сформировавших плоды 52,5±7,9 82,3±5,3 3,12 (Р0 0,01) Итак, полученные данные показали, что со стороны как макросимбионта, так и микро-симбионта азотфиксирующая активность и симбиотическая эффективность характеризуются разными параметрами изменчивости, а значит их генетический контроль существенно различается. Поскольку растительный и бактериальный партнеры выполняют в азотфиксирующем симбиозе разные функции (ризобии фиксируют азот, бобовые обеспечивают нитрогеназу энергией и осуществляют ассимиляцию аммония), важным является сопоставление размаха изменчивости нитрогеназной активности и симбиотической эффективности, наблюдаемого со стороны растений и бактерий. Для такого сопоставления мы провели опыты, в которых либо один сорт растений инокулировали набором из различающихся по происхождению штаммов ризобий, либо набор из различающихся по происхождению сортов инокулировали одним и тем же штаммом. Оказалось (табл. 17), что хотя нитрогеназная активность является признаком бактерий, ее изменчивость в равной степени зависит от генотипов обоих партнеров, тогда как варьирование симбиотической эффективности определяется в основном генотипом растений. Таким образом, именно растение-хозяин является тем партнером, который оказывает решающее влияние на эффективность симбиоза, и генетическое улучшение растений, проводимое параллельно с селекцией или генетическим конструированием бактерий, является обязательным условием повышения симбиотической эффективности.

Таблица 17. Сопоставление межсортового варьирования растений с межштаммовым варьированием бактерий по симбиотическим признакам (Проворов, Симаров, 1992) *Коэффициент вариации по величине прибавки массы растений (dM%) достоверно выше, чем по нитрогеназной активности (НА).

3. Популяционно-генетические модели симбиоза Для выяснения закономерностей эволюции мутуалистического симбиоза необходимо создание и сопряженный анализ экспериментальных и математических моделей, описывающих коэволюцию партнеров, которая основана на координированном действии в их популяциях естественного отбора. На примере бобово-ризобиального симбиоза мы проанализировали две группы моделей, которые позволяют исследовать связь эффективности симбиоза со специфичностью, проявляемой при взаимодействии партнеров, а также с уровнем их полиморфизма.

Признаком, непосредственно отражающим коэволюционные процессы в системе симбиоза, является специфичность взаимодействия партнеров, которая в настоящее время активно изучается на молекулярногенетическом уровне (Овцына, Тихонович, 2004). Однако связь эффективности мутуализма со специфичностью взаимодействия партнеров остается мало изученной. Ранее Л.М.Доросинский (1970) показал, что при взаимодействии различных видов бобовых (соя, люпин) со штаммами Bradyrhizobium japonicum наибольшая эффективность симбиоза достигается при максимально выраженной специфичности взаимодействия растений и бактерий. Для того, чтобы выяснить, проявляется ли эта связь на внутривидовом уровне, на котором действует естественный отбор, мы с использованием методики двухфакторного дисперсионного анализа проанализировали данные о сорто-штаммовых взаимодействиях партнеров в различных бобово-ризобиальных системах. Этот подход позволил нам разложить общее варьирование признаков симбиоза на 4 составляющие, которые соответствуют аддитивным действиям сортовых и штаммовых генотипов, их неаддитивному взаимодействию (оно непосредственно характеризует специфичность симбиоза), а также эффектами “случайных” факторов. В каждой системе эффективность симбиоза определяли по двум показателям – массе растений и общему накоплению в них азота, причем второй показатель повышается при инокуляции ризобиями более значительно, чем первый (раздел 2.1.1). Оказалось, что в пяти различных симбиосистемах накопление азота более жестко контролируется генотипами партнеров и в большей степени зависит от специфичности их взаимодействия, чем масса растений (табл. 18).

Связь между специфичностью и эффективностью симбиоза подтвердилась также при сопоставлении систем, образуемых люцерной и горохом, либо люцерной при выращивании на разных типах почвы (рис. 6). В обоих случаях наиболее эффективный симбиоз (у люцерны по сравнению с горохом, либо у люцерны при выращивании на серозёме по сравнению с чернозёмом) формируется при максимальном проявлении специфичности взаимодействия генотипов растений и бактерий. Выявленная связь между эффективностью и специфичностью симбиоза показывает, что координированная селекция партнеров должна быть направлена на подбор штаммов ризобий, используемых для инокуляции определенных сортов бобовых (или групп родственных сортов), то есть на создание высоко комплементарных сочетаний генотипов партнеров.

Важное значение для разработки методов координированной селекции партнеров имеет выяснение природы “случайного” варьирования, которое во многих опытах оказывает большее влияние на признаки симбиоза, чем генотипы партнеров (табл. 18, рис. 6).

Таблица 18. Вклады генотипов симбиотических партнеров в общее варьирование показателей эффективности бобово-ризобиального симбиоза dX – относительная прибавка (%) при инокуляции, средняя для всех комбинаций “сорт-штамм”. В каждом опыте общее варьирование признака разложено путем двухфакторного дисперсионного анализа на составляющие: С – аддитивное действие сортов растений, Ш – аддитивное действие штаммов бактерий, СШ – их неаддитивное взаимодействие, Z – случайное варьирование (Тихонович, Проворов, 1998).

Обычно это варьирование связывают с действием неконтролируемых факторов внешней среды, однако мы предположили, что его важным источником может быть также генетический полиморфизм растительных популяций, который затрудняет поиск комбинаций “сорт-штамм”, обеспечивающих высокую эффективность симбиоза.

Рисунок 6. Вклады партнеров в изменчивость признаков, определяющих эффективность симбиотических систем. А – различные виды бобовых: люцерна, образующая высокоэффективный симбиоз (1); горох, образующий малоэффективный симбиоз (2). Б – люцерна на бедной сероземной почве, где образуется высокоэффективный симбиоз (1); на богатой черноземной почве, где образуется малоэффективный симбиоз (2) (Проворов, Тихонович, 2003; Provorov, Tikhonovich, 2003).

Для проверки этого предположения мы сопоставили отзывчивость на инокуляцию ризобиями и степень полиморфизма для двух популяций пажитника греческого – высоко изменчивой природной (кат. ВИРа №34807) и более однородной сортовой (Нахичеванская шамбала). Оказалось (рис. 7), что масса растений природной популяции возрастает при взаимодействии со всеми 5 испытанными штаммами S. meliloti, однако ее достоверное повышение (+45%) обеспечивает только штамм 852 (выделен из пажитника). У сортовой популяции реакция на штаммы ризобий различалась гораздо более сильно, причем для наиболее эффективных из них (851 и 852) прибавки составили +87% и +124%. Наследственная природа изменчивости пажитника, затрудняющей подбор эффективных в симбиозе с ним штаммов, была показана при анализе линий, различающихся по способности формировать N2-фиксирующие клубеньки (Проворов, Симаров, 1985). Аналогичные данные были получены при сопоставлении различных сортов вики посевной (Vicia sativa) и мохнатой (V.

villosa): сорта, однородные по массе растений, более отзывчивы на инокуляцию R. leguminosarum bv. viceae, чем изменчивые сорта (Курчак и др., 1995).

Итак, важной задачей координированной селекции растений и бактерий, наряду с созданием комплементарных сочетаний их генотипов, должно быть выравнивание сортовых популяций бобовых по признакам симбиоза. Оно обеспечивает возможность подбора штаммов бактерий, комплементарных всем (или большинству) имеющихся в сорте генотипов, что необходимо для максимального проявления генетических (аддитивных и неаддитивных) факторов симбиоза, выявляемых в ходе дисперсионного анализа. Иными словами, специфичность бактерий по отношению к сортовому генотипу определяется их специфичностью к индивидуальным растениям, составляющим сорт.

Рисунок 7. Отзывчивость двух популяций пажитника греческого (Trigonella foenum graecum) на инокуляцию Sinorhizobium meliloti. Масса контрольных (не инокулированных) растений принята за 100%; (+) и (–) – достоверные отличия от контроля (Проворов, Симаров, 1984а, 1986а; Provorov, Simarov, 1990).

Одно из условий эффективной ко-адаптации партнеров в системе симбиоза заключается в том, что взаимодействие бактерий с хозяином становится фактором, непосредственно определяющим их эволюцию. К началу нашей работы было установлено, что бобовые растения контролируют распространение и численность природных популяций ризобий, то есть являются для них ведущим экологическим фактором (Доросинский, 1970). Кроме того, имелись данные о том, что при взаимодействии с хозяином у бактерий могут повышаться частоты мутационных и рекомбинационных событий, являющихся “исходным материалом” для эволюционных процессов (см. обзоры: Проворов, 2000, 2001б).

Для изучения роли растения-хозяина в эволюции бактерий мы предложили новый подход, основанный на том, что хозяин является индуктором действия микроэволюционных факторов (различные формы естественного отбора и генетико-автоматические процессы), принципиально изменяющих популяционную динамику микросимбионтов по сравнению со свободноживущими бактериями. Наиболее сильное влияние хозяина испытывают эндо-симбиотические популяции бактерий: действие в них отбора является непосредственным результатом симбиоза, а точнее, определяющих его обратных связей партнеров. Для того, чтобы изучить действие этих факторов, мы использовали методологию математического моделирования, которая позволяет синтезировать разнородные эмпирические данные, полученные методами генетики, микробиологии, биохимии, цитологии, молекулярной биологии и экологии, обеспечивая построение целостной картины эволюционного процесса. Компьютерные эксперименты, проводимые на основе математических моделей, позволяют анализировать совместное действие факторов, эффекты которых не могут быть определены в одном и том же биологическом опыте.

3.2.1. Предпосылки и задачи построения моделей При построении моделей бобово-ризобиального симбиоза мы преследовали следующие цели: 1) имитация процессов, приводящих к становлению характерных для ризобий пространственных и генетических структур популяций; 2) выяснение генетико-эволюционной природы связи, которую эффективность мутуализма проявляет со специфичностью взаимодействия партнеров, а также с уровнем их изменчивости (раздел 3.1); 3) прогнозирование эволюции мутуалистических симбиозов, основанное на использовании экспериментально определяемых системных параметров.

Особенности ризобиальных популяций, которые необходимо объяснить с помощью моделирования, заключаются в следующем.

1. Высокая генетическая гетерогенность, которая возрастает при взаимодействии бактерий с хозяином. Эволюционно значимая форма полиморфизма симбиотических микробов – это стабильное сосуществование симбиотически активных и асимбиотических штаммов, обозначенное нами как “экотипический полиморфизм” (Проворов, Воробьев, 2000).

Даже в условиях постоянного взаимодействия с хозяином асимбиотические штаммы могут составлять более 90% от численности почвенных популяций ризобий.

2. Панмиктичность, которая может быть определена как отсутствие неравновесия по сцеплению различных генов, например как случайное комбинирование симбиотических (sym) генов (либо маркеров Symплазмид) с факторами “коровой” части генома. У ризобий, как и у многих патогенных бактерий, панмиктичность возрастает при взаимодействии с хозяевами, которые могут индуцировать перенос генов, играющий ключевую роль в эволюции симбиоза (Проворов, 1996г, 2001б, 2005).



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«Новикова Любовь Александровна СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ТРАВЯНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ НА ЗАПАДНЫХ СКЛОНАХ ПРИВОЛЖСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ И ПУТИ ЕЕ ОПТИМИЗАЦИИ 03.02.01 – ботаника Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук Саратов – 2011 2 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Пензенский государственный педагогический университет имени В.Г. Белинского...»

«ЛИНЬКОВА ЮЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА ДЕСТРУКЦИЯ АМИНОАРОМАТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ АНАЭРОБНЫМИ МИКРОБНЫМИ СООБЩЕСТВАМИ 03.02.03 – микробиология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва, 2011 г. Работа выполнена на кафедре микробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Нетрусов Александр...»

«Холодов Владимир Алексеевич АДСОРБЦИЯ И ТОКСИЧНОСТЬ ГЕРБИЦИДА АЦЕТОХЛОРА В ПОЧВАХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ 03.00.27-почвоведение 03.00.16-экология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук МОСКВА - 2003 4 Работа выполнена на кафедре Общего земледелия факультета Почвоведения Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова Научные руководители: кандидат биологических наук, доцент Г.Ф. Лебедева доктор химических наук И.В. Перминова...»

«Краснопевцева Виктория Михайловна ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЕСЕННИХ ЭФЕМЕРОИДОВ - РЕЛИКТОВЫХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ ХРЕБТА ХАМАР-ДАБАН (ЮЖНОЕ ПРИБАЙКАЛЬЕ) 03.00.05. – ботаника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Улан-Удэ 2007 Работа выполнена в Байкальском государственном биосферном природном заповеднике. доктор биологических наук, профессор Научный руководитель : Намзалов Бимба-Цырен Батомункуевич доктор биологических наук,...»

«СУСЛОВА Мария Юрьевна РАСПРОСТРАНЕНИЕ И РАЗНООБРАЗИЕ СПОРООБРАЗУЮЩИХ БАКТЕРИЙ РОДА BACILLUS В ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ 03.00.16 – экология 03.00.07 – микробиология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Улан-Удэ, 2007 Работа выполнена в лаборатории водной микробиологии Лимнологического института СО РАН, г. Иркутск Научный кандидат биологических наук руководитель: ст.н.с. Парфенова Валентина Владимировна Официальные Доктор биологических наук...»

«МАТВЕЕВА Анжелика Рафиковна СЕКРЕТИРУЕМЫЕ ПРОТЕАЗЫ НЕКОТОРЫХ МИЦЕЛИАЛЬНЫХ ГРИБОВ: ВЫДЕЛЕНИЕ, ОЧИСТКА И ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ 03.00.24-микология 03.00.04-биохимия АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва 2008 Работа выполнена на кафедре микологии и альгологии биологического факультета и в отделе функциональной биохимии...»

«РАХИМОВ Ильгизар Ильясович АВИФАУНА СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТОВ Специальность 03.00.16 - экология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук Москва - 2002 Работа выполнена на кафедре зоологии и экологии биолого-химического факультета Московского педагогического государственного университета Научный консультант : доктор биологических наук, профессор КонстантиновВ.М....»

«ГЫНИНОВА АЮР БАЗАРОВНА ПОЧВЫ ДЕЛЬТЫ р. СЕЛЕНГИ (ГЕНЕЗИС, ГЕОГРАФИЯ, ГЕОХИМИЯ) 03.02.13 – почвоведение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук Улан-Удэ 2010 Работа выполнена в лаборатории географии и экологии почв Института общей и экспериментальной биологии СО РАН. Научный консультант : Член-корреспондент РАН, профессор Шоба С.А. Официальные оппоненты : доктор сельскохозяйственных наук, профессор Чимитдоржиева Г.Д. доктор биологических...»

«МОГИЛЕНКО Денис Александрович РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНА АПОЛИПОПРОТЕИНА A-I ЧЕЛОВЕКА ПРИ ДЕЙСТВИИ ФАКТОРА НЕКРОЗА ОПУХОЛИ АЛЬФА 03.01.04 – Биохимия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Санкт-Петербург 2010 г. Работа выполнена в Отделе биохимии Учреждения Российской академии медицинских наук Научно-исследовательский институт экспериментальной медицины СевероЗападного отделения РАМН, Санкт-Петербург Научный руководитель : доктор...»

«Потапенко Наталья Христофоровна АДАПТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ШЕЛКОВИЦЫ В УСЛОВИЯХ КЛИМАТИЧЕСКОГО СТРЕССА (НА ПРИМЕРЕ НИЖЕГОРОДСКОГО ПОВОЛЖЬЯ) Специальность: 03.02.08 – экология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Нижний Новгород 2011 Работа выполнена на базе Ботанического сада Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Научный...»

«Пархоменко Василий Михайлович БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И СТРУКТУРА ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ ЗВЕРОБОЯ ПРОДЫРЯВЛЕННОГО (HYPERICUM PERFORATUM L.) В УСЛОВИЯХ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ 03.02.01 – ботаника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Саратов – 2012 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского на кафедре...»

«Баландина Алевтина Власовна МИКРОБНАЯ РЕМЕДИАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ АГРОДЕРНОВО-КАРБОНАТНЫХ ПОЧВ И ТЕХНОГЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ПОДЗОНЕ ЮЖНОЙ ТАЙГИ 03.02.08 – экология (биология) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Пермь - 2013 Работа выполнена на кафедре физиологии растений и микроорганизмов в ФГБОУ ВПО Пермский государственный национальный исследовательский университет и на кафедре микробиологии ГБОУ ВПО Пермская...»

«Зотов Александр Александрович ПРЕИМАГИНАЛЬНЫЕ СТАДИИ ДОЛГОНОСИКОВ ПОДСЕМЕЙСТВА LIXINAE (COLEOPTERA, CURCULIONIDAE): ЭКОЛОГИЯ И МОРФОЛОГИЯ 03.02.08 – экология (биологические наук и) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Ростов-на-Дону - 2013 2 Работа выполнена в отделе аридной экологии ФГБУН Институт аридных зон Южного научного Центра РАН доктор биологических наук, Научный руководитель : Арзанов Юрий Генрихович Замотайлов Александр...»

«Бедарева Ольга Михайловна ЭКОСИСТЕМЫ СРЕДНИХ ПУСТЫНЬ КАЗАХСТАНА И ИХ ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ МЕТОДАМИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 03.00.16 – экология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук Калининград 2009 2 Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Калининградский государственный технический университет Научные консультанты: академик Национальной Академии Наук Республики...»

«ЭБЕЛЬ Александр Леонович ФЛОРА СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ АЛТАЕ-САЯНСКОЙ ПРОВИНЦИИ: СОСТАВ, СТРУКТУРА, ПРОИСХОЖДЕНИЕ, АНТРОПОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ 03.02.01 – Ботаника Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук Томск 2011 Работа выполнена на кафедре ботаники ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Томский государственный университет Научный консультант : доктор биологических наук, профессор Ревушкин Александр Сергеевич Официальные оппоненты :...»

«Духовная Наталья Игоревна ПОКАЗАТЕЛИ РАЗВИТИЯ ФИТОПЛАНКТОННЫХ СООБЩЕСТВ В ВОДОЕМАХ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ 03.01.01 – Радиобиология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва-2011 2 Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении науки Уральский научно-практический центр радиационной медицины Федерального медикобиологического агентства Российской Федерации, г. Челябинск Научный руководитель доктор...»

«1 НА ПРАВАХ РУКОПИСИ Анисимова Марина Анатольевна Детоксицирующая способность почв и выделенных из них гуминовых кислот по отношению к гербицидам 03.00.27-почвоведение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук МОСКВА 1997 2 Актуальность темы. Применение средств химической защиты растений, ставшее неотъемлемым элементом практики современного земледелия, привело к возникновению проблемы загрязнения почвенного покрова остаточными количествами гербицидов и их...»

«Чирков Сергей Николаевич Иммунохимическая и молекулярная диагностика вирусных инфекций растений 03.00.06 – Вирусология 03.00.23 – Биотехнология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук Москва 2009 Работа выполнена на кафедре вирусологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоноcова и в лаборатории вирусологии Института микробиологии имени С.Н.Виноградского РАН. Научный консультант : доктор...»

«Гапочка Михаил Германович ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ Специальность 03.02.08 – экология (биология) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук Москва – 2013. 1 Работа выполнена на кафедре гидробиологии биологического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный...»

«Шелковникова Татьяна Александровна Клеточные и трансгенные модели патологической агрегации белков, вовлеченных в патогенез нейродегенеративных заболеваний Специальность 03.01.04 – биохимия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва – 2011 Работа выполнена в лаборатории нейрохимии физиологически активных веществ и в лаборатории генетического моделирования нейродегенеративных процессов Учреждения Российской академии наук Института...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.