Растительно-микробные симбиозы как эволюционный континуум

Микробно-растительные
р
р
симбиозы как
эволюционный
континуум
АНТОН де
БАРИ
Мутуалистические симбиозы растений
и микроорганизмов
МикроМ
симбионты
Грибы
Т
Типы
симбиоза
б
Трофические
Микоризы
(арбускулярная, эктомикориза,
орхидная)
Бактерии
N2-фиксирующие эндосимбиозы
(ризобии, Frankia, Nostoc)
Защитные
Эндофитные системы
(спорыньевые грибы,
р-эндофиты)
Эпифитные ассоциации
(Cordyceps, Trichoderma)
Эндофитные системы
(Clavibacter)
Эндофитные системы
(Azoarcus, Acetobacter)
Ризосферные ассоциации
((Azospirillum,
p
, Flavobacterium,,
фосфатные бактерии)
Ризосферные ассоциации
((Pseudomonas,, Bacillus,,
Serratia)
Микогетеротрофные
(орхидные) растения с
модифицированной
(редуцированной)
корневой системой
1 – надбородник безлистный (Epipogium
aphyllum) с разветвленным корневищем
и подземными столонами;
2 – гнездовка обыкновенная
(Neottia nidus-avis) с подземным
корневищем и толстыми корнями;
3 – ладьян трёхнадрезный
(Corallorhiza trifida) с коралловидным
корневищем
Симбиозы растений с азотфиксирующими
цианобактериями (Nostoc
(Nostoc, Anabaena)
Голосемянные
(Cycas)
Коралловидные
корни
Папоротники
(Azolla)
Листья
Печеночники
(Anthoceros)
Полости в
талломе
Клеточная дифференцировка
азотфиксирующих цианобактерий
Азотное
голодание
Сигналы
растения хозяина
растения-хозяина
Размножение
акинеты
гормогонии
гормогонии
Единичные
гетероцисты
Множественные
гетероцисты
Арбускулярная микориза в ризоидах
риниофитов
А
А
Поперечный срез ризоида
А
Клетки ризоида с арбускулами (А)
Эволюция подземных органов растений –
структурно--функциональной
структурно
ф
й основы
симбиоза с микроорганизмами
Brundrett,, 2002 ((New
Brundrett
New Phytologist, 154: 275
275–
–304
304))
Эволюционные взаимосвязи различных типов
микробно-растительного
микробно
растительного симбиоза
-400
400
-300
300
-200
200
-100
100
N2-фиксирующие
клубеньки
б
(Rosid 1, двудольные)
Патогенные системы
Арбускулярная микориза
(наземные растения)
0
106 лет
Ризобии
(бобовые)
Ризобии
(Parasponia)
Frankia
(8 семейств
двудольных)
Эволюция способности к образованию
клубеньков
у
у бобовых растений
р
Caesalpinioideae
Cass
Mimosoideae
A h
Amh
Dial
Papilionoideae
p
Mimos
Det
Scl
Soph
Gled
Cae
Pel
Cerc
Д
Доли
видов, образующих
б
клубеньки
б
0%
1-50%
51-95%
96-100%
Филогения цветковых растений,
образующих азотфиксирующие клубеньки
Цветковые
Rosid I
Бобовые
1. Arbuscular mycorrhizae (AM)
Substitution
of AM-fungi
by actinomycetes Frankia
Actinorhizae
4. Nodular type,
primordium
in pericycle +
prenodule
d l
in cortex
2. Anodular type,
2
type
intercellular penetration
3. Anodular type,
penetration via
root hairs
5. Nodular type,
primordium
in pericycle
Substitution
of Frankia
by rhizobia
Legumerhizobia
symbioses
7 Anodular type,
7.
type
penetration
via root hairs
8 Nodular (indeterminate)
8.
primitive type
without endocytosis
9. Nodular ((indeterminate and
determinate) advanced types
with endocytosis
and symbiosome formation
6. Nodular type,
primordium
in p
pericycle
y
Parasponia rhizobia symbiosis
Эволюция внутриклеточных
симбиотических компартментов
Полуавтономные
П
(арбускулы,
везикулы Frankia,
Frankia
фиксационные нити бобовых)
Автономные
(симбиосомы
бобовых)
Типы азотфиксирующих клубеньков
Небобовые растения
(корневой тип)
Бобовые растения (стеблевой тип)
Развитие
актиноризного
с б оза
симбиоза
Frankia
Предклубенек
Перицикл
Предклубенек
Клубенек
Безклубеньковые
симбиозы
Эволюция типов
Э
азотф
фиксирующих
клубеньков у
б б
бобовых
1
“Примитивные”
клубеньки
без симбиосом
2
Продвинутые
клубеньки
с “неспециализированными”
(мульти-бактериальными)
симбиосомами
3
Продвинутые
П
клубеньки
со “специализированными”
(моно-бактериальными)
симбиосомами
б
A
B
4
Генетическая реконструкция процессов
эволюции азотфиксирующих симбиозов
Характеристики морфотипа
Бактерии не делятся в симбиосомах,
б
бактероиды
глубоко
б
дифференцированы
Мутанты
бобовых
“
“дикий
й тип””
Дикорастущие
формы
Pisum,
isu , Trifolium,
ifoliu ,
Medicago
Бактерии делятся в симбиосомах,
бактероиды слабо дифференцированы
Bad-
Glycine, Phaseolus,
Vigna
Инфекционные нити формируются,
д ц
отсутствует
у
у
эндоцитоз
Bar-
Cassia
Andira
Клубеньки отсутствуют, бактерии в
межклетниках или в клетках
Nod-Itf+
Клубеньки с корневой топологией
(центральный проводящий пучок)
Pvb-
Gleditsia, Ceratonia,
Cercis
Parasponia
P
i
(небобовое)
актиноризные
растения
Различные типы инфицирования ризобиями клубеньков бобовых:
1 – смешанное (через разрывы эпидермиса)
2 – клональное (через корневые волоски)
Fix+
Fix1
2
1
2
Неэффективная азотфиксации при смешанной
структуре эндосимбиотической популяции ризобий
N
N
C
C
Fix-
Fix+
Эффективная азотфиксации при клональной
структуре эндосимбиотической популяции ризобий
N-соединения
С-соединения
Fix-
Fix+
Естественный отбор не
может произвести у одного
вида чего
чего-нибудь
нибудь такого
такого, что
служило бы исключительно
на пользу или во вред
другому виду.
Ч Дарвин,
Ч.
Дарвин “Происхождение
Происхождение видов…
видов ”
Why should a symbiont benefit its
host if it could gain immediate
advantage by injuring it?
J. Maynard Smith, 1989.
Ризобии фиксируют азот только в клубеньках,
Превращаясь в нежизнеспособные бактероиды
Биологический альтруизм – внутривидовое
взаимодействие
д
организмов,
р
, повышающее
щ
жизнеспособность одного из них за счет ее
Haldane, 1932
снижения у другого
дру
Отбор
родичей
k ⋅b > c
k ≤ 0.5
Hamilton, 1964
b–э
экологический
оло
ес
выигрыш
р
рец
реципиентов
е о ал
альтруизма
ру з а
c – экологический проигрыш доноров альтруизма
k – родство доноров и реципиентов
Эволюция ризобий: повышение специализации к
симбиозу и эффективности фиксации N2
Ризосферные и эндофитные N2-фиксаторы
фиксаторы
(Azospirillum, Burkholderia, Herbaspirillum)
Формирование генных
систем синтеза NodNod
фактора (nod/nol/noe)
П
Прямые
филиации
ф
Ризобии “первого эволюционного уровня”
(Fix+ in planta и ex planta)
Azorhizobium, Bradyrhizobium
Формирование мобильных
элементов генома
( d/ l/
(nod/nol/noe
+ nif/fix)
if/fi )
Горизонтальный
перенос генов
Ризобии “второго
р
эволюционного уровня”
ур
(Fix+ in planta, но Fix– ex planta)
Rhizobium, Sinorhizobium
Обратные связи партнеров, определяющие
эволюцию
ц
симбиоза
C
N
r = 0,8…0,9
Отрицательные связи:
сходные с патогенезом
Положительные связи:
Специфичные для мутуализма
Межгрупповой отбор в системе
симбиоза
N-соединения
С-соединения
Fix-
Fix+
Отбор родичей в системе симбиоза
N-соедиения
С-соединения
FixFi
Fix+
Fi
Альтруизм
внутри
клубенька
“Симбионты-обманщики” вытесняют “Истинных
мутуалистов”
у у
при
р смешанном инфицировании
ф ц р
клубеньков
у
N
N
C
Fix-
Fix+
C
Стабильное
поддержание
популяции
ex planta
l t
Инокуляция и
колонизация
ризосферы
Инокуляция и
колонизация
клубеньков
у
Конкуренция за
инфицирование растений
Конкуренция за
выживание в почве
Выход бактерий
из клубеньков
в почву
Размножение
бактерий
in planta
Микроэволюционные процессы при циркуляции
бактерий
ба
ер
вс
системе
с е е «растение-почва»
рас е е о а
ПОЧВА
РИЗОСФЕРА
КЛУБЕНЬКИ
ПОЧВА
D
D
D
S+R+N
D
M
S
Мутации или
перенос генов
Миграция
бактерий из
почвы в
ризосферу
D
γR
γ⋅R
D
R
FD
S
fN
f⋅N
Дарвиновский
отбор при
колонизации
ризосферы
Частотнозависимый
отбор
D
N
Д р
Дарвиновский
и групповой
отбор при
колонизации
клубеньков
D
S+R+N
M
S
Популяционная волна и
Дарвиновский
отбор при
установлении
равновесия в
почве
Связь эффективности и специфичности
симбиоза Rhizobium japonicum с соей и люпином
(Доросинский, Лазарева, 1968. Микробиология: 37, 115-121)
Широко специфичные штаммы:
Fix+/- на сое
Fix+/- на люпине
Узко специфичные штаммы:
Fix++ на сое
Fix– на люпине
Fix– на сое
Fix++ на люпине
Л.М. Доросинский
Состав ко-эволюционной
ко эволюционной системы
Генотипы
бактерий
р
Первый
Второй
–
–
M1
+
–
M2
–
+
M3
+
+
Родитель: P
Мутанты:
Фиксация N2
с различными генотипами растений
Системные параметры, использованные для анализа
микроэволюционных процессов (45)
•
Частоты возникновения мутантов
•
Индексы инокуляции бактериями ризосферных и клубеньковых
ниш
•
Скорости размножения (отмирания) бактерий в ризосферных,
клубеньковых и почвенных нишах
•
Объемы экологических ниш
•
Коэффициенты азотфиксирующей активности
•
Количества образуемых
р у
растениями
р
семян
•
Коэффициенты конкуренции в растительной популяции
Интенсивность отбора (SM) для бактериймутуалистов,
у у
,р
различающихся
щ
по специфичности
ц ф
образования N2-фиксирующего симбиоза
Обратные
связи,
вызывавызыва
ющие отбор
SM для мутуалистов:
Симбиотические
системы
Не
ф
Специфичных
сспецифичных
е ф
(M1, M2)
(M3)
Метабо- P+M1+M3
Метабо
P+M1+M3, P+M2+M3
лические
P+M1+M2+M3
0 019 0 052
0.019-0.052
0 008
0.008
0.037
0.007
Популяционные
P+M1+M3, P+M2+M3
0.029-0.040
0
P+M1+M2+M3
0.019-0.034
0.002-0.008
Генотипы
бактерий
Родитель: P
Мутанты:
M1
M2
M3
(неспецифичный)
Фиксация
ц N2
с различными генотипами растений
Первый
р
((Г1))
Второй
р (Г2)
( )
–
–
–/+
++
(
(специфичный)
ф
й)
(
(антиспецифичный)
–/+
/+
++
(анти-специфичный)
(специфичный)
+
+
Возрастание эффективности симбиоза при ограничении колонизации
клубеньков Г1 неактивным (Р) и малоактивным (М2) штаммами
ризобий
139%
100%
FixP
M2
Fix-/+
120%
Fix+
M3
P
M1 M2
Fix++
M3
M1
P
M3
M2
M1
Соотношение давлений отбора, действующего на М3/М1
+ 0,24
- 0,01
- 1,07
Межкомпонентные взаимодействия в
полиморфной симбиотической системе
Неспецифичные симбионты
P
Антагонизм или
нейтрализм
FixFi
M3
Fix+
Fi
r = +0.03…-0.53
Г2
Г1
0 58 0 66
r = - 0.58…-0.66
Мутуализм
Fix++
Мутуализм
Антагонизм
M1
Fix-/+
M2
Специфичные симбионты
Fix++
r = +0
+0.57…+0.62
57 +0 62
Математическое описание целостности
(функциональной интегрированности) симбиоза
1 П
1.
Последовательное изменение системных параметров ((+1%),
1%)
вызывающее микроэволюционные изменения
2. Вычисление изменений частот для каждого генотипа
растений или бактерий
р
р
при
р изменении системных параметров
р
р
3. Построение матрицы ковариации для всех пар генотипов
4. Вычисление индекса функциональной интегрированности
симбиоза ((ФИС)) путем
у
факторного анализа матриц ковариации
Индекс ФИС (In) – мера согласованности адаптивных реакций
компонентов симбиоза на действие средовых факторов
(0 ≤ In ≤ 1)
Связь функциональной интегрированности симбиоза (ФИС) с его
адаптивно значимыми свойствами
(0 ≤ InPM, InM ≤ 1)
Индексы
ФИС
Коэффициенты корреляции индексов ФИС
С с параметрами
симбиоза (19 систем)
ЭМС
Разнообразие
растений и
бактерий
р
Финальные (при t→∞) частоты
бактериальных генотипов
Р
М3
InPM
+ 0,728
– 0,818
,
…– 0,978
,
– 0,887
,
+ 0,959
,
InM
+ 0,708
– 0,805 … – 0,973
– 0,860
+ 0,959
(0 211 0 908)
(0,211-0,908)
(0,216-0,977)
r = 0,456 (P0 < 0,05); r = 0,575 (P0 < 0,01)
Отношения организмов, определяющие адаптивную эволюцию
Антагонизм и конкуренция
(борьба за существование)
Мутуализм
у уал з
(взаимопомощь в живой природе)
Направленность и факторы эволюции
Эволюция носит приспособительный
Э
б
й
характер.
Эволюция
Э
о ю
не
е имеет
ее приспособительного
р с особ е
о о
характера.
Направленность макроэволюции
отсутствует.
Направленность макроэволюции ярко
выражена (номогенез,
(номогенез основанный на
преадаптациях).
Основная движущая сила –
естественный отбор.
Роль отбора – элиминация
нежизнеспособных форм.
Наследственная основа эволюции
ЖБЛ
Ж.Б.Ламарк
Неопределенная
генетическая изменчивость
Наследование
д
благоприбретенных признаков
ДНК
РНК
Белок
Центральная догма молекулярной биологии
ДНК
?
РНК
Белок
Белок
Наследование
приобретенной
иммунор
у
толерантности
мышей
Э.Стил, Р.Линдли, Р.Бландэн
Что,, если Ламарк
р был прав?
р
М. Мир. 2002
CO2
CO2
COH
Pi
H2O
N2
COH
Pi
Pi
NCOH
H2O
CO2
Pi
NCOH
N2
H2O
N2
NCOH
Pi
Geosiphon
N2
CO2
NH+4
Эволюция
арбускулярной
микоризы
COH
NH+4
Pi H2O
Pi
NCOH
H2O
Pi
COH
Unknown
U
k
free-living
fungus
NH+4
N2
CO2
Бактериальные эндосимбионты
гломусовых грибов
Б
Бактерии
в грибных
б
спорах
Бактерия в грибном мицелии
Burkholderia (β
(β-протеобактерии)
р
р ) – мультифункциональные
у
фу ц
симбионты
растений (патогены, азотфиксирующие
эндофиты, ризобактерии, клубеньковые бактерии)
“Альтруистические” отношения между
клетками у свободноживущих бактерий
9Частичный лизис клеток в условиях
голодания
9С
9Синтез
бактериоцинов
б
9Ускоренный
р
лизис клеток,,
инфицированных фагом
9Необратимая дифференцировка
при образовании многоклеточных
комплексов
Групповой отбор
Модели альтруизма
Внутривидовой альтруизм
(социальное поведение)
k ⋅b > c
k – степень родства (kinship)
доноров и реципиентов
альтруизма.
ру
Отбор родичей
Межвидовой альтруизм
(симбиоз)
r ⋅ b1 > c1
r ⋅ b2 > c2
r - коэффициент корреляции между
величинами экологического
выигрыша, получаемого каждым из
партнеров
Динамика коД
коэволюционной
системы
αt
0.8
0.6
βt
0.4
β∞
0.2
Колебательный режим
t
((низкое д
давление ЧЗО))
αt – частота 1-го
генотипа растений
βt – частота
α∞
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
αt
0.8
α∞
0.6
N2-фиксирующего
штамма ризобий
0.4
Монотонный режим
0.2
βt
β∞
t
(высокое давление ЧЗО)
0
0
20
40
60
80
100
Специфичный к хозяину N2-фиксатор более приспособлен к
выживанию в системе, чем неспецифичный N2-фиксатор
β∞
1
Монотонный режим
Неспецифичный
N2-фиксатор
0,8
0,6
0,4
0,2
0
β∞
0,5
1
0,55
0,6
0,65
0,7
λ
Специфичный
N2-фиксатор
Колебательный режим
0,8
06
0,6
0,4
0,2
0
0,8
0,9
0,98
1
1,05
λ
Математическое описание макроэволюционных
процессов в симбиотической системе
1 Внесение изменений в схему развития симбиоза
1.
•
запреты на колонизацию клубеньковой ниши разными штаммами
•
одновременное изменение N2-фиксирующей
фиксирующей активности всех штаммов
•
резкое изменение параметров, к которым система наиболее чувствительна
2 Определение для полученных систем:
2.
•
эффективности мутуалистического симбиоза (репродуктивный потенциал
растений, пропорциональный азотфиксирующей активности бактерий
•
популяционного разнообразия партнеров
•
индексов ФИС
3. Сопоставление индексов ФИС с адаптивными свойствами системы
Альтруистические отношения в
бактериальных
р
популяциях,
у ц
, приводящие
р
д щ
к действию группового отбора
Симбиотические
бактерии
Свободноживущие
бактерии
Основные типы азотфиксирующих клубеньков
бобовых
Тип (р
(растения))
Примитивный
(анцестральные
деревянистые
формы)
Инфекция
ф
Разрывы
эпидермиса
Аешеноменодный
д
(арахис)
Детерминированный (фасоль,
(фасоль соя)
Недетерминированный (горох,
люцерна))
Корневые
волоски
Меристема
р
Зональность
к бе ка
клубенька
Отсутствует
Стабильная
Выражена
Из
межклетников
Нестабильная
Эндоцитоз
Из инфекциинфекци
онных
нитей
Нестабильная
Стабильная
Отсутствует
Выражена
Основные типы корневых клубеньков у бобовых
п/сем.
/
Papilionoideae
P ili
id
Признаки клубеньков
Типы клубеньков
Недетерминированные
Детерминированные
Апикальная меристема Стабильная (месяцы)
Короткоживущая
(дни)
Зональность
Отсутствует
Ярко выражена
Бактероиды по
Значительно крупнее,
сравнению с
часто плейоморфны (1
недифференцированны
на симбиосому)
ми бактериями
Варьируют, не
плейоморфны
(несколько на
симбиосому)
Локализация
примордия
Внутренний кортекс
корня
Наружный кортекс
корня
Транспортные формы
азота
Амиды, аминокислоты Уреиды (C:N = 1)
(C:N = 2-3)
Free-living
organisms
Saprotrophy
Free-living
g
organisms
Saprotrophy
Pathogens
Necrotrophy
Biotrophy
Pathogens
Necrotrophy
Biotrophy
Mutualists
Mutualists
((Sym)Biotrophy
y )
p y
(Sym)Biotrophy
Lewis 1974
Lewis,
Savile 1968
Savile,
Эволюционные соотношения разных типов симбионтов
AM fungi are not related to pathogens
Schüßler, 2002
Phylogeny
y g y of Homobasidiomycetes
y
Ectomycorrhizal fungi
Hibbett et al., 2000
Interaction
of Agrobacterium
and Rhizobium
with plants
Ti l
Ti-plasmid
id
chromosome
Müntz, 1978
Plant cell
Shikimate
Acetosyringone
Flavonoids
Sym-plasmid
chromosome
Proliferation of plant cells.
New organs. Transfer of C- and N-metabolites.
Ключевые взаимодействия Rhizobium и
Agrobacterium
g
ср
растениями
Взаимодействия
Rhizobium
Agrobacterium
Перенос бактериальных
генов в растения
Не выявлен
Происходит регулярно
(интеграция Т-ДНК в
хромосомы хозяина)
Индукция генов
вирулентности сигнальными
факторами растений
Флавоноидами
(однокомпонентная система
nodD)
Фенольными веществами
(двухкомпонентная система
virA/virG)
Пролиферация растительных
клеток, индуцируемая:
Липо-хито-олигосахаридными
Nod-факторами бактерий
Фитогормонами, которые
синтезируются растительной
клеткой под контролем Т-ДНК
Развитие новых структур
Гистологически
дифференцированные
клубеньки
Недифференцированные
опухоли или “бородатые”
корни
дикарбоновые кислоты
(источники С)
опины (источники С и N)
NH4+ (аминокислоты?)
не выявлен
Перенос метаболитов:
растение→бактерии
бактерии→растение
Осмотическая адаптация
бактерий в тканях хозяина
Синтез циклических β-глюканов, кодируемый
гомологичными генами ndv (ризобии) и chv (агробактерии)
Saprotrophy
Free-living
organisms
Biotrophy
Pathogens
Necrotrophy
Biotrophy
Mutualists
Mutualists
(Sym)Biotrophy
(Sym)Biotrophy
Lewis,, 1974
C
Free living
Free-living
organisms
Saprotrophy
Pathogens
Necrotrophy
B
Savile,, 1968
Muttualists
A
Patthogens
s
Free-living
organisms
Provorov,, Vorobyov,
y ,
Tikhonovich, 2010
Эволюционные соотношения разных типов симбионтов
Безклубеньковые
симбиозы
Эволюция типов
Э
азотф
фиксирующих
клубеньков у
б б
бобовых
1
“Примитивные”
клубеньки
без симбиосом
2
Продвинутые
клубеньки
с “неспециализированными”
(мульти-бактериальными)
симбиосомами
3
Редуцированные типы
клубеньков
или
отсутствие
клубеньков
5
Продвинутые
П
клубеньки
со “специализированными”
(моно-бактериальными)
симбиосомами
б
A
B
4