Введение

Азотфиксирующие почвенные бактерии – общее название, включающее виды из других родов.

Ризобии – это диазотрофные бактерии, фиксирующие азот после внедрения в корневые клубеньки бобовых (Fabaceae). Для экспрессии генов фиксации азота ризобиям необходим растительный хозяин; они не способны к самостоятельной фиксации азота. Как правило, это грамотрицательные, подвижные, не образующие спор палочки. Ризобии – это "группа почвенных бактерий, заражающих корни бобовых растений с образованием корневых клубеньков". Ризобии обитают в почве и, после заражения, формируют клубеньки на корнях бобовых, где фиксируют азотный газ (N2) из атмосферы, превращая его в более доступную форму азота. Затем азот транспортируется из клубеньков и используется для роста бобового растения. После отмирания бобового растения клубеньки разрушаются, высвобождая ризобии обратно в почву, где они могут существовать самостоятельно или повторно заражать новые растения-хозяева.

Альфапротеобактерии
Hyphomicrobiales (син. Rhizobiales)
Nitrobacteraceae
Bosea

Bradyrhizobium
B. arachidis

B. canariense
B. cytisi
B. daqingense
B. denitrificans
B. diazoefficiens
B. elkanii
B. huanghuaihaiense
B. iriomotense
B. japonicum
B. jicamae
B. lablabi
B. liaoningense
B. pachyrhizi
B. rifense
B. yuanmingense
Brucellaceae
Ochrobactrum
O. cytisi
O. lupini
Hyphomicrobiaceae
Devosia
D. neptuniae
Methylobacteriaceae
Methylobacterium
M. nodulans
Microvirga
M. lotononidis
M. lupini
M. zambiensis
Phyllobacteriaceae
Aminobacter
A. anthyllidis
Mesorhizobium
M. abyssinicae
M. albiziae
M. alhagi
M. amorphae
M. australicum
M. camelthorni
M. caraganae
M. chacoense
M. ciceri
M. gobiense
M. hawassense
M. huakuii
M. loti
M. mediterraneum
M. metallidurans
M. muleiense
M. opportunistum
M. plurifarium
M. qingshengii
M. robiniae
M. sangaii
M. septentrionale
M. shangrilense
M. shonense
M. tamadayense
M. tarimense
M. temperatum
M. tianshanense
Phyllobacterium
P. sophorae
P. trifolii
Rhizobiaceae
Rhizobium
R. alamii
R. cauense
R. cellulosilyticum
R. daejeonense
R. etli
R. fabae
R. gallicum
R. grahamii
R. hainanense
R. halophytocola
R. indigoferae
R. leguminosarum
R. leucaenae
R. loessense
R. lupini
R. lusitanum
R. mesoamericanum
R. mesosinicum
R. miluonense
R. mongolense
R. multihospitium
R. oryzae
R. petrolearium
R. phaseoli
R. pisi
R. qilianshanense
R. sullae
R. taibaishanense
R. tibeticum
R. tropici
R. tubonense
R. vallis
R. yanglingense
Agrobacterium
A. nepotum
A. pusense
Allorhizobium
A. undicola
Pararhizobium
P. giardinii
P. helanshanense
P. herbae
P. sphaerophysae
Neorhizobium
N. alkalisoli
N. galegae
N. huautlense
N. vignae
Shinella
S. kummerowiae
Ensifer (син. Sinorhizobium)
E. abri
E. adhaerens
E. americanus
E. arboris
E. chiapanecum
E. fredii
E. garamanticus
E. indiaense
E. kostiense
E. kummerowiae
E. medicae
E. meliloti
E. mexicanus
E. numidicus
E. psoraleae
E. saheli
E. sesbaniae
E. sojae
E. terangae
Xanthobacteraceae
Azorhizobium
A. caulinodans
A. doebereinerae
Betaproteobacteria
Burkholderiales
Burkholderiaceae
Cupriavidus
C. taiwanensis
Paraburkholderia
P. caribensis
P. diazotrophica
P. dilworthii
P. mimosarum
P. nodosa
P. phymatum
P. piptadeniae
P. rhynchosiae
P. sabiae
P. sprentiae
P. symbiotica
P. tuberum

Эти группы включают в себя множество несимбиотических бактерий. Например, растительный патоген Agrobacterium является более близким родственником Rhizobium, чем Bradyrhizobium, который образует клубеньки на соевых бобах.

Значение в сельском хозяйстве

Хотя при уборке богатых белком зерновых или сена большая часть азота удаляется, значительное его количество может оставаться в почве для последующих культур. Это особенно важно, когда азотные удобрения не применяются, как в системах органиционного севооборота или в некоторых менее развитых индустриально странах. Азот – наиболее часто встречающийся дефицитный элемент питания в почвах по всему миру и наиболее часто вносимое растениепитательное вещество. Внесение азота через удобрения вызывает серьезные экологические опасения. Для формирования функциональных клубеньков на корнях, способных к фиксации N2, необходимы специфические штаммы ризобий. Присутствие этих специфических ризобий выгодно для бобовых, поскольку фиксация N2 может повысить урожайность. Инокуляция ризобиями, как правило, увеличивает урожай. Инокуляция бобовых – давняя сельскохозяйственная практика, которая постоянно совершенствуется. Эти инокулянты могут способствовать успеху в выращивании бобовых культур. В результате процесса клубенькообразования после уборки урожая содержание нитратов в почве повышается, что может быть использовано следующей культурой.

Симбиотические отношения

Ризобии уникальны тем, что они единственные азотфиксирующие бактерии, живущие в симбиотических отношениях с бобовыми растениями. К распространенным сельскохозяйственным и кормовым бобовым относятся горох, фасоль, клевер и соя.

Характер взаимности

Симбиоз бобовых и ризобий — классический пример мутуализма: ризобии снабжают растение аммиаком или аминокислотами, а взамен получают органические кислоты (в основном малат и сукцинат, являющиеся дикарбоновыми кислотами) в качестве источника углерода и энергии. Однако, поскольку каждое отдельное растение заражают несколько неродственных штаммов, возникает классический сценарий «трагедии общин». Штаммы-паразиты могут накапливать растительные ресурсы, такие как полигидроксибутират, для собственного размножения, не фиксируя при этом значительное количество азота. Учитывая затраты на образование клубеньков и возможность для ризобий вести себя нечестно, удивительно, что этот симбиоз вообще существует.

Инфекция и обмен сигналами

Формирование симбиотических отношений включает обмен сигналами между обоими партнерами, что приводит к взаимному распознаванию и развитию симбиотических структур. Наиболее хорошо изученным механизмом установления этого симбиоза является внутриклеточное заражение. Ризобии свободно живут в почве, пока не обнаруживают флавоноиды – производные 2-фенил-1,4-бензопирона, выделяемые корнями растения-хозяина, что вызывает накопление большой популяции клеток и, в конечном итоге, прикрепление к корневым волоскам. Эти флавоноиды стимулируют активность связывания ДНК с белком NodD, принадлежащим к семейству регуляторов транскрипции LysR, и запускают секрецию нодовых факторов после проникновения бактерий в корневой волосок. Затем бактерии заражают несколько соседних клеток корня. После этого происходит непрерывная пролиферация клеток, приводящая к формированию корневого клубенька. Внутри клубенька бактерии морфологически дифференцируются в бактериоиды и фиксируют атмосферный азот в аммоний с помощью фермента нитрогеназы. Аммоний затем преобразуется в аминокислоты, такие как глутамин и аспарагин, прежде чем экспортироваться в растение. Наблюдения показали, что корневые клубеньки могут формироваться спонтанно у Medicago даже в отсутствие ризобий. Это указывает на то, что развитие клубенька полностью контролируется растением и лишь запускается секрецией нодовых факторов.

Гипотеза санкций

Существуют две основные гипотезы, объясняющие механизм поддержания симбиоза бобовых и ризобий (хотя обе могут реализовываться в природе). Гипотеза санкций предполагает, что бобовые растения не способны распознавать более паразитические или менее эффективно фиксирующие азот ризобии и должны противодействовать паразитизму посредством санкций, применяемых к узлам после заражения. В ответ на неэффективность ризобий, растения-хозяева могут реагировать, налагая санкции различной степени тяжести на образовавшиеся узлы. Эти санкции включают, помимо прочего, замедление роста узлов, преждевременную гибель узлов, снижение поступления углерода в узлы или уменьшение подачи кислорода в узлы, фиксирующие недостаточно азота. Внутри узла часть бактерий дифференцируется в азотфиксирующие бактериоиды, которые, как было установлено, не способны к размножению. Следовательно, при развитии симбиотических отношений, если гипотеза о санкциях хозяина верна, санкции должны применяться ко всему узлу, а не к отдельным бактериям, поскольку точечное воздействие не позволило бы размножающимся ризобиям распространяться со временем. Эта способность укреплять взаимовыгодные отношения посредством санкций хозяина способствует переходу от паразитизма к мутуализму и, вероятно, является важным фактором, определяющим существование симбиоза. Однако другие исследования не выявили доказательств применения растениями санкций.

Гипотеза выбора партнера

Гипотеза выбора партнера предполагает, что растение использует преднодуляционные сигналы от ризобий, чтобы решить, допустить образование узелков или нет, и выбирает только ризобии, не склонные к обману. Есть данные о наличии санкций у соевых растений, которые снижают размножение ризобий (возможно, за счет ограничения подачи кислорода) в узелках, фиксирующих меньше азота. Подобным образом, дикие люпины выделяют меньше ресурсов на узелки, содержащие менее полезные ризобии, тем самым ограничивая их размножение внутри. Это соответствует определению санкций, хотя авторы называют это "выбором партнера". Некоторые исследования подтверждают гипотезу выбора партнера. Хотя оба механизма, несомненно, существенно способствуют поддержанию сотрудничества между ризобиями, они сами по себе не полностью объясняют устойчивость мутуализма. Гипотеза выбора партнера не противоречит гипотезе о санкциях со стороны хозяина, поскольку очевидно, что оба механизма широко распространены в симбиотических отношениях.

Эволюционная история

Симбиоз между азотфиксирующими ризобиями и семейством бобовых возник и эволюционировал за последние 66 миллионов лет. Хотя эволюция часто склоняется к тому, что один вид использует преимущества другого в форме некооперации, согласно модели эгоистичного гена, поддержание этого симбиоза позволяет сохранить сотрудничество. Когда относительная приспособленность обоих видов возрастает, естественный отбор будет благоприятствовать симбиозу. Для понимания эволюционной истории этого симбиоза полезно сравнить симбиоз ризобий и бобовых с более древними симбиотическими отношениями, например, между эндомикоризными грибами и наземными растениями, который насчитывает почти 460 миллионов лет. Эндомикоризный симбиоз может предоставить множество ценных сведений о симбиозе ризобий, поскольку недавние генетические исследования показали, что ризобии использовали сигнальные пути, изначально сформировавшиеся в более древнем эндомикоризном симбиозе. Бактерии секретируют факторы Nod, а эндомикоризы – Myc LCO. После распознавания фактора Nod/Myc LCO растение запускает различные внутриклеточные реакции для подготовки к симбиозу. Вероятно, ризобии использовали уже существующие механизмы эндомикоризного симбиоза, поскольку в обоих процессах задействованы многие общие или сходные гены. Например, ген распознавания растений SYMRK (симбиотический рецептор-киназа) участвует в восприятии как ризобиальных факторов Nod, так и эндомикоризных Myc LCO. Наличие общих сходных процессов значительно облегчило эволюцию симбиоза с ризобиями, поскольку не все симбиотические механизмы должны были развиваться с нуля. Вместо этого ризобиям потребовалось лишь развить механизмы, позволяющие использовать уже существующие симбиотические сигнальные процессы, сформировавшиеся в эндомикоризном симбиозе.

Другие диазотрофы

Многие другие виды бактерий способны к фиксации азота (диазотрофы), но лишь немногие способны к тесному взаимодействию с растениями и колонизации специфических структур, таких как клубеньки бобовых. Бактерии, вступающие в ассоциацию с растениями, включают актиномицет Frankia, который формирует симбиотические корневые клубеньки у актиноризовых растений, хотя эти бактерии обладают гораздо более широким кругом хозяев, что указывает на менее специфичную связь по сравнению с бобовыми. Кроме того, сообщается, что бактерии, слабо ассоциированные с растениями и называемые эндофитами, способны фиксировать азот внутри растений (in planta). Эти бактерии колонизируют межклеточные пространства листьев, стеблей и корней растений, но не формируют специализированные структуры, подобные клубенькам ризобий и Frankia. Диазотрофные бактериальные эндофиты имеют очень широкий круг хозяев, в некоторых случаях колонизируя как однодольные, так и двудольные растения.