Сельскохозяйственная биология, 2018, том 53, № 3, с. 464-474.
(для цитирования)

doi: 10.15389/agrobiology.2018.3.464rus

УДК 631.52:581.557:575

Работа поддержана РНФ, грант № 14-26-00094П.

ЭВОЛЮЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИМБИОТИЧЕСКОЙ
ИНЖЕНЕРИИ РАСТЕНИЙ: МИНИ-ОБЗОР

Н.А. ПРОВОРОВ, О.П. ОНИЩУК

Микробно-растительные симбиозы играют огромную роль в развитии и эволюции растений, обеспечивая их минеральное (азотное, фосфорное) питание, устойчивость к патогенным микроорганизмам и животным-фитофагам, а также регуляцию развития в стрессовых условиях (R.J. Rodriguez с соавт., 2009). Конструирование высокоэффективных симбиозов должно базироваться на знании механизмов коэволюции микроорганизмов и растений в природных экосистемах и агроценозах. На примере азотфиксирующего бобово-ризобиального симбиоза мы показали, что основные этапы коэволюции могут быть воспроизведены с использованием подходов симбиотической инженерии. Она направлена на оптимизацию процессов переноса между партнерами соединений азота и углерода, связанного с образованием объединенных путей обмена веществ и энергии; ослабление конкуренции партнеров за трофические и энергетические ресурсы окружающей среды; вступление партнеров в отношения альтруизма, основанные на отказе микросимбионтов от автономного существования, например образование ризобиями неспособных к размножению бактероидов. Первое направление конструирования связано с активацией транспорта в бактерии дикарбоновых кислот, которые используются для питания бактероидов. Реализация этого подхода связана с получением рекомбинантных штаммов ризобий, которые содержат дополнительные копии nif- и dct-генов, кодирующих синтез нитрогеназы и ее снабжение энергией. Однако использование этого подхода ограничено нарушением баланса биохимических и ростовых процессов, в связи с чем значительное (на 70-80 %) повышение азотфиксирующей активности ризобий сопровождается гораздо меньшей прибавкой массы растений (15-20 %). Это ограничение может быть преодолено посредством создания бактериальных штаммов, оптимизирующих развитие растений на основе синтеза биологические активных веществ (фитогормонов, витаминов, люмихрома), которые обеспечивают максимально полное вовлечение продуктов азотфиксации в формирование урожая. Второе направление конструирования связано с повышением способности производственных штаммов ризобий конкурировать за инокуляцию растений с аборигенными почвенными штаммами, обладающими высокой вирулентностью в сочетании с низкой азотфиксирующей активностью. Этот подход базируется на инактивации генов, служащих негативными регуляторами ранних стадий развития симбиоза, а также на амплификации его позитивных регуляторов. Третье направление конструирования связано с модификациями модуляторов эффективности симбиоза — eff-генов, которые были выявлены у быстрорастущих ризобий люцерны (Sinorhizobium meliloti) прямым отбором Tn5-мутанатов, способных повышать урожайность растений. Возрастание симбиотической эффективности при инактивации этих генов основано на утрате ризобиями функций, необходимых для автономного существования в почве, но снижающих симбиотическую эффективность. К их числу относится синтез запасных питательных веществ (поли-β-гидрокси-бутирата, гликогена), ассимиляция «несимбиотических» (не используемых для питания бактероидов) источников углерода — сахаров, а также формирование поверхностных компонентов клетки, активирующих защитные реакции растений (липо- и экзополисахаридов). Обсуждаются перспективы создания систем симбиотрофного питания азотом у небобовых (например, злаковых) растений, включая формирование ими азотфиксирующих клубеньков на основе использования гомологов Sym-генов бобовых растений (G. Oldroyd с соавт., 2014); введение nif-генов в митохондрии или пластиды, которые возникли из азотфиксирующих бактерий в процессе симбиогенной эволюции эукариотической клетки (G. López-Torrejón с соавт., 2016); конструирование новых клеточных органелл — аммониопластов, которое может быть связано с модификацией симбиосом бобовых, обеспечивающих оптимальные условия для синтеза и функционирования нитрогеназы.

Ключевые слова: микробно-растительные взаимодействия, биологическая N₂-фиксация, клубеньковые бактерии, генетическое конструирование, симбиотическая инженерия, клеточные органеллы, симбиотрофное питание растений, экологически устойчивое растениеводство.

Полный текст

EVOLUTIONARY-GENETIC BASES FOR SYMBIOTIC ENGINEERING
IN PLANTS — a mini review

N.A. Provorov, O.P. Onishchuk

Microbe-plant symbioses have a great role in development and evolution of plants providing their mineral (nitrogenous, phosphorous) nutrition, resistance to pathogens and phytophagans and the developmental regulation under stress conditions (R.J. Rodriguez et al., 2009). Construction of the highly efficient symbioses should be based on the knowledge on pathways and mechanisms of partners’ coevolution occurring in the natural ecosystems and agrocenoses. Using the model of N₂-fixing legume-rhizobia symbiosis we show that three major stages of its evolution should be simulated using the methods of symbiotic engineering. It should be aimed at: (i) optimization of partners’ exchange by C- and N-compounds; (ii) suppression of partners’ competition for nutrients and energy obtained from the environment; (iii) activation of partners’ altruistic interactions based on the decrease of microsymbiont survival, for example, development of non-reproducible bacteroids by rhizobia. The first approach may be achieved by an increased assimilation by bacteria of the plant-delivered dicarboxylic acids required for the bacteroid nutrition. It is based on the generation of rhizobia recombinants containing the amplified copies of nif and dct genes encoding for the synthesis and energy supply of nitrogenase. However, this approach is limited by disbalancing the biochemical and developmental processes: a significant (by 70-80 %) increase in N₂-fixing activity is accompanied by a limited increase of plant biomass (by 15-20 %). This limitation can be overcome via construction of bacterial strains optimizing the plant development using the biologically active substances (phytohormones, vitamins, lumichrome) ensuring a complete involvement of N₂ fixation products in the yield formation. The second approach may be implemented by improving the ability of commercial rhizobia genotypes to compete for inoculation of host plants with the aboriginal strains which possess a high virulence combined with a low N₂-fixing activity. Realization of this approach is based on inactivation of genes regulating negatively the early stages of symbiosis development and on the amplification of genes regulating this development positively. The third approach may be realized via manipulations with the rhizobia eff genes identified using Tn5 mutants selected directly in fast-growing alfalfa rhizobia (Sinorhizobium meliloti) for an increased symbiotic efficiency, i.e. the impact of bacteria on the plant yield. This increase is achieved by knockout of the functions required for autonomous (ex planta) bacteria survival in soil but interfering with the symbiotic cooperation. These functions include synthesis of storage compounds (poly-β-hydroxybutyrate, glycogen), assimilation of «non-symbiotic» (not involved in the nutrition bacteroid) carbon sources (sugars) and formation of the cell surface components inducing the host defense responses (lipo- and exopolysaccharides). Prospects for the further increasing the input of «biological» nitrogen in crop nutrition are associated with establishing the nodular symbiosis in the non-legume (e.g., cereal) plants. The relevant approaches include establishment of the plant ability to form N₂-fixing nodules based on modifications of homologs of legume Sym genes (G. Oldroyd et al., 2014), introduction of nif genes into mitochondria or plastids which originated from N₂-fixing bacteria during symbiogenes of eukaryotic cell (G. López-Torrejón et al., 2016), and the construction of novel N₂-fixing cellular organelles (ammonioplasts) providing the optimal conditions for the nitrogenase synthesis and operation.

Keywords: microbial-plant interactions, biological N2 fixation, nodule bacteria, genetic construction, symbiotic engineering, cellular organelles, symbiotrophic plant nutrition, sustainable crop production.