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