Эпифитная стратегия: рост-стимулирующие ризобактерии

Одна из основных стратегий микробно-растительного взаимодействия заключается в защите растений от их естественных врагов — патогенных микробов и животных-фитофагов. Эта стратегия существенно отличается от рассмотренных выше Ы2-фиксирующих симбиозов и микориз: в защитных симбиозах отсутствует двусторонний обмен партнеров питательными веществами, и микроорганизмы не вносят непосредственного вклада в баланс веществ и энергии хозяина.

Напротив, растение покрывает трофические и энергетические потребности микросимбионтов, которые выполняют ряд функций, снижающих урон, наносимый хозяину биотическими стрессами.
Весьма эффективный биоконтроль фитопатогенов может осуществляться микроорганизмами, создающими защитные барьеры на поверхности корней. Наиболее изученными агентами такой защиты являются бактерии рода Pseudomonas (Я chlororaphis, Р corrugata, Р jluorescens, Р putida), а также некоторые виды Serratia (S. marcescens) и Bacillus (В. cereus), известные под общим названием PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria). Эти бактерии способны предотвращать инфицирование растений патогенными грибами (Fusarium, Trichoderma, Verticillium) с использованием разнообразных механизмов.
Наиболее изученные механизмы связаны с конкурентным исключением патогенов, которое определяется их прямым подавлением бактериальными антибиотиками. Многие штаммы Pseudomonas продуцируют фена- зины, например, феназин-1-карбоксимид (PCN), активный против Fusarium oxysporum: бактериальные мутации, приводящие к фенотипу PCN", вызывают утрату биоконтрольной функции. Транскрипция генов синтеза PCN активируется в ризосфере хозяина (а также в системах in silico) при воздействии корневых экссудатов. Синтез этих антибиотиков может сопровождаться выделением бактериями летучих антифунгальных метаболитов,

например, цианидов, участие которых в биоконтроле патогенов было по- 401 казано в опытах с совместным культивированием PGPR и Fusarium.
Важный механизм подавления биоконтрольными микробами фитопатогенов заключается в конкуренции за источники питания. Эффективными орудиями в ней являются бактериальные сидерофоры, которые могут обладать гораздо более высоким сродством к ионам железа, чем сидерофоры грибов. Важность бактериальных сидерофоров в биоконтроле патогенов была доказана с использованием генетически модифицированных штаммов PGPR с повышенной или утраченной способностью к синтезу этих факторов.
Конкурентное исключение фитопатогенов наиболее успешно происходит тогда, когда бактерии проявляют высокую активность колонизации корней. Основными экологическими нишами, которые занимают PGPR, являются зоны активного выделения корневых экссудатов, которое может составлять до 30 % растительного фотосинтеза. Большая часть PGPR сосредоточена на йоверхности корней, где бактерии формируют колонии или биопленки. С использованием штаммов, маркированных зеленым флуоресцирующим белком (GFP) медузы, было показано, что бактерии не осуществляют активную колонизацию внутренних тканей корня, лишь в небольших количествах проникая в наружные ткани.
Важность колонизации корней для проявления защитных свойств ри- зобактерий очевидна из того, что гены, кодирующие бактериальные факторы адгезии (липополисахариды, флагеллы), активно участвуют в этом типе защиты. Инактивация этих генов обычно приводит к утрате фитопротекторных функций PGPR, тогда как повышение активности генов (например, при их амплификации или подключении к «сильным» промоторам) усиливает данные функции.
Микроскопические наблюдения показали, что подавление роста Fusarium может быть связано с прикреплением клеток Р chlororaphis не только к поверхности корней, но и к гифам патогена. Благодаря этому некоторые штаммы PGPR осуществляют биоконтроль, выполняя функции гипер-паразитов патогенных грибов или даже микофагов. Эти функции могут быть связаны с выработкой бактериями ферментов, разрушающих клеточные стенки патогена: например, Serratia и Bacillus вырабатывают внеклеточные хитиназы, ингибирующие развитие патогена на разных стадиях, включая прорастание конидий и развитие гифов. Логично предположить, что защитные симбионты растений могли возникать в ходе эволюции естественных антагонистов фитопатогенных грибов.
Однако иногда биоконтрольная активность PGPR не связана с интенсивной колонизацией корней, и весьма эффективная защита от патогенов осуществляется небольшими количествами бактериальных клеток. Это происходит тогда, когда инокуляция PGPR вызывает развитие у растений индуцированной системной устойчивости (ISR, Induced Systemic Resistance), делающей корни недоступными для проникновения патогенов.

Первоначально ISR считали специфичной для непатогенных систем и су-

402 щественно отличающейся от типичной для патогенеза реакции SAR (Systemic Acquired Resistance): реакцию SAR характеризовали участием в качестве сигналов салициловой кислоты и патогенов-регулируемых (PR) белков, a ISR — участием жасмоната и этилена. Однако позднее было показано, что оба типа реакций индуцируются при патогенных и непатогенных взаимодействиях и мало различаются по природе эндогенных элиситоров. Системные реакции обоих типов могут запускаться клетками PGPR, прикрепившимися к поверхности корней или проникшими в их наружные ткани. Некоторые молекулы, продуцируемые PGPR (поверхностные липо- полисахариды или глюканы, компоненты флагелл, экзоферменты, фитогормоны, эффекторы систем секреции III типа, сидерофоры), могут вызывать защитные ответы, специфичные для хозяина.
Фитопротекторные функции PGPR осуществляются под непосредственным контролем хозяина, который выделяет в ризосферу источники питания и энергии. Максимальная активность проявляется клетками PGPR, колонизирующими зону элонгации корня, где бактерии наиболее многочисленны. Важность трофических взаимодействий при биоконтроле патогенов очевидна из того факта, что среди г/7/-генов, специфически активируемых у R fluores- cens в ризосфере, преобладают гены катаболических процессов.
Активный рост и связанная с биоконтролем экспрессия генов PGPR в наибольшей степени зависит от выделяемых растением органических кислот, а не от сахаров, что делает защитные ассоциации похожими на азот- фиксирующие ассоциации корней и Azospirillum (раздел 1.3). Эта закономерность была подтверждена при мутационном анализе: мутанты R fluorescens с нарушениями ферментов утилизации органических кислот (например, ма- латдегидрогеназы) обладают резко сниженной биоконтрольной активностью, тогда как мутанты по ферментам утилизации сахаров (глюкозо-6-фос- фат дегидрогеназа) изменений этой активности не проявляли.
Высокая активность защиты растений может быть связана с их способностью регулировать функционирование PGPR, изменяя состав корневых экссудатов. Если атакуемые патогенами растения инокулировать PGPR, то количество органических кислот в экссудатах возрастает, стимулируя рост бактерий и продукцию антибиотиков. Кроме того, некоторые растения (как бобовые, так и небобовые) могут управлять жизнедеятельностью PGPR, выделяя специальные сигналы, которые мимикрируют собственные сигналы бактерий, являющиеся регуляторами систем «чувства кворума» (quorum sensing), контролирующих колонизацию корней и антифунгальные свойства.
Существенную роль в проявлении биоконтрольных функций ризобак- терий играет синтез фитогормонов. Например, максимальная биоконтрольная активность, проявляемая Pseudomonas в ризосфере редиса, может быть связана с синтезом ИУК из триптофана корневых экссудатов, количество которого у редиса в 30-100 раз выше, чем у пшеницы или томатов. В проявлении защитных свойств ризобактерий участвует также фермент АЦК-деаминаза, катализирующий катаболизм АЦК (1-аминоциклопро- пан-1-карбоксилата) — предшественника фитогормона этилена. Путем

анализа способности PGPR утилизировать АЦК в качестве источника азота было показало, что этим ферментом обладают лишь некоторые штаммы PGPR. Перенос структурных генов АЦК-деаминазы из Erwinia cloacae в R fluorescens сопровождается существенным возрастанием способности рекомбинантов подавлять патогенные грибы.
Таким образом, защитные ассоциации корней с PGPR включают ряд механизмов, сходных с бобово-ризобиальным симбиозом: оптимальными для поддержания бактерий являются выделяемые корнями органические кислоты, но не сахара; этилен является негативным регулятором симбиозов; поверхностные компоненты бактерий, такие как, экзо- и липополиса-
хариды, лектины и глюканы, участвуют во взаимодействии.
Более того, при инокуляции модельного бобового Medicago truncatula биоконтрольным штаммом Pseudomonas fluorescens наблюдали активацию некоторых растительных генов, являющихся общими для сигнальных каскадов, вовлеченных в формирование клубеньков и AM, например, гена DMI3, кодирующего кальций-кальмодулин-зависимую киназу. 

Еще по теме Эпифитная стратегия: рост-стимулирующие ризобактерии:

1. ЭПИФИТНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ
2. ВЕЩЕСТВА, СТИМУЛИРУЮЩИЕ ЦЕНТРАЛЬНУЮ НЕРВНУЮ СИСТЕМУ (АНАЛЕПТИКИ)
3. СРЕДСТВА, КОРРИГИРУЮЩИЕ ИММУННУЮ СИСТЕМУ ПРЕПАРАТЫ, СТИМУЛИРУЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ ИММУНИТЕТА (иммуностимуляторы, иммуномодуляторы)
4. Стратегии жизненных циклов
5. 3. 2. Типы экологических стратегий
6. R-K-стратеги и ценофобные-ценофильные виды
7. Эколого-ценотические стратегии вилов и популяций растений
8. Классификации, рассматривающие три жизненные стратегии
9. 8.3.4. Рост
10. Стратегия фуражировки
11. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СТРАТЕГИЯ
12. Стратегии инвестиций азота
13. Моя стратегия защиты
14. РАЗМЕРЫ, РОСТ И ВОЗРАСТ РЫБ
15. 1.2. СТРАТЕГИЯ ЖИЗНИ. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ, ПРОГРЕСС, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
16. ГЛАВА 15. РОСТ ПЧЕЛИНОЙ СЕМЬИ
17. 9-1. Рост разнообразия и скоростей