Метаболическая интеграция

В бобово-ризобиальной системе сопряжены два фундаментальных биохимических процесса — фиксация N2 и С02. Однако это не означает, что в клубеньках происходит «натуральный обмен» растений и бактерий N- и С-соединениями.

Вместо этого в клубеньках образуется интегрированная система метаболических путей, через которую осуществляется распределение источников питания между партнерами. В этом «совместном предприятии» партнеры выполняю ряд взаимодополняющих функций, что определяет высокую эффективность симбиоза (табл. 11.6).

Процессы	Функции партнеров:
Процессы	микросимбионтов	хозяина
Биогенез нит- рогеназного комплекса	Синтез белков и кофакторов нитрогеназы («//-гены)	Регуляция бактериальных nif- и //jc-генов
Защита нитрогеназы от кислорода	Блокирование синтеза нитрогеназы при воздействии кислорода на транскрипционные регуляторы FixL или NifA	Синтез леггемоглобина и формирование диффузионного барьера
Обеспечение энергетических потребностей клубенька	Транспорт в бактероиды дикарбо- новых кислот (?/с7-гены), синтез клубенек-специфичной цитохром- оксидазы сЬЬЗ (гены fixNOPQ, jixGHIS), у некоторых штаммов — рециклизация Н2 {hup-гены)	Транспорт в клубеньки продуктов фотосинтеза, их распад до дикарбоновых кислот (под контролем клубенек- специфичных изоферментов С-метаболизма)
Ассимиляция продуктов азотфиксации	Экскреция аммония (у некоторых видов также аланина)	Синтез амидов, аминокислот и уреидов (под контролем клубенек-специфичных изоферментов N-метаболизма)

Ключевые биохимические процессы, обеспечивающие азотфиксацию в клубеньках бобовых

11.1. Азотфиксирующие симбиозы

Центральную роль в биохимической системе клубенька играет бактериальная нитрогеназа, которая катализирует реакцию:
N2 + 8Н+ + 8е“ + 16 АТФ = 2NH3 + Н2 + 16 АДФ + 16 Фн.
Нитрогеназа представляет собой крупный (более 300 кДа) молекулярный комплекс, состоящий из 6 полипептидов и двух кофакторов. Несмотря на эту сложность, субстратная специфичность нитрогеназы низка: она может восстанавливать широкий спектр тройных связей в разных молекулах, включая N2, цианиды, азиды и ацетилен. Последняя реакция имеет особую значимость в изучении симбиоза, так как она широко используется для экспресс-тестирования нитрогеназной активности.
Кислородная регуляция. Важнейшее свойство нитрогеназы заключается в ее высокой чувствительности к кислороду: она функционирует только в анаэробных или микроаэробных условиях (lt;50 нМ 02). Это свойство нитрогеназы является источником многих экологических ограничений для 1М2-фиксаторов, так как нитрогеназная реакция очень энергоемка, и интенсивная 1М2-фиксация возможна только при поступлении больших количеств АТФ в результате дыхания, для которого необходим кислород. В клубеньках бобовых для решения возникающего «кислородного парадокса» используются два барьера, которые защищают азотфиксирующие бактероиды от 02: структурный и биохимический. Структурный (диффузионный) барьер состоит из плотных слоев клеток в покровных тканях клубенька, которые

376 изолируют его центральную часть от окружающей атмосферы. Биохимический барьер образует леггемоглобин (ЛБ) — белок сходный с гемоглобинами и миоглобинами животных. ЛБ составляет до 50 % белка клеток, содержащих симбиосомы, причем обе части молекулы (полипептид и гем) кодируются генами растений. При симбиотической Ы2-фиксации ЛБ связывает молекулы 02 и транспортирует их к симбиосомам.
Функционирование кислородных барьеров, создаваемых растением, отражается в организации регуляторного каскада, отвечающего за транскрипцию ш/-генов в бактероидах. Этот каскад включает два этапа, на которых тестируется концентрация 02: двухкомпонентная система FixL/FixJ, которая индуцируется при умеренном (в 5-10 раз) снижении концентрации 02, и транскрипционный регулятор NifA, активирующий «//'-гены при более резком (в 100-1000 раз) снижении концентрации 02.
С- и N-метаболизм. Для обеспечения симбиотической системы энергией растение затрачивает до 30 % продуктов фотосинтеза, хотя клубеньки обычно составляют менее 1 % биомассы растений. Около половины фото- синтатов необратимо теряется при дыхании клубеньков, тогда как другая половина используется на построение клубеньков и на ассимиляцию фиксированного азота, передаваемого в надземную часть.
Продукты фотосинтеза, поступающие в инфицированные клетки клубенька, претерпевают ферментацию по необычному пути: ее основным продуктом является не пируват, а малат, который, наряду с другими С4-дикарбо- новыми кислотами (сукцинат, фумарат), вовлекается в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) бактероидов, лишенных катаболизма гексоз (рис. 11.8). Весь продуцируемый бактероидами АТФ используется для снабжения нитроге- назы энергией, а первичный продукт ее активности, аммоний (NH4+) экс- кретируется в цитоплазму клетки-хозяина, так как его ассимиляция в бактероидах подавлена.
В инфицированных ризобиями растительных клетках в ассимиляции NH4+ активно участвуют митохондрии и пластиды, что показывает тесную кооперацию метаболических систем разных органелл (рис. 11.8). С-скелеты, которые акцептируют аминогруппы, возникающие из NH4+, представлены а-кетоглутаратом (а-КГ), который экспортируется в цитоплазму митохондриями в качестве одного из промежуточных продуктов ЦТК. а-КГ переносится в пластиды, где приобретает аминогруппу от глутамина (Глн), превращаясь в глутамат (а-КГ + Глн —gt; 2Глу). Затем Глу мигрирует в цитоплазму, где приобретает дополнительную аминогруппу (Глу + NH4+ —> Глн), и возникающий Глн возвращается в пластиду для передачи аминогруппы на а-КГ. Этот цикл контролируется растительными ферментами глутамин- синтетазой и НАДФ-зависимой глутамат-синтазой, которые осуществляют первичную ассимиляцию фиксированного азота. Ее продукты либо транспортируются в надземную часть растений, либо вовлекаются во вторичную ассимиляцию, необходимую для обогащения транспортных форм атомами N, т.

е. для минимизации количества углерода, необходимого для функционирования симбиоза.

378 Генетическая регуляция. Принципиальная генетическая стратегия,
которая обеспечивает образование интегрированной биохимической системы симбиоза, заключается в сигнальной регуляции и координированной экспрессии генов партнеров. Первоначально эта экспрессия была визуализирована по появлению многочисленных «поздних нодулинов» в цитоплазме инфицированных растительных клеток непосредственно перед включением нитрогеназной активности. Большинство этих нодулинов представляет собой клубенек-специфические ферменты С- и N-метаболизма, которые адаптированы к необычным физиологическим условиям клубенька — низкому содержанию кислорода, резко щелочной реакции, избытку аммония и других соединений азота.
Важную роль в активации синтеза поздних нодулинов играет снижение концентрации 02, поскольку эти белки появляются после формирования кислородных барьеров в клубеньках. Однако их экспрессия может активироваться и более специфичными сигналами, поступающими от бактерий и регулирующими консервативные элементы в промоторах генов поздних нодулинов. Попытки выявить механизмы такой межорганизмен- ной регуляции были предприняты на тропическом бобовом растении Ses- bania rostrata. В промоторе одного из этих генов (Lb3) были выявлены два сайта, способные служить рецепторами бактериальных сигналов. У Azorhizo- bium caulinodans (симбионт S. rostrata) были выявлены белки, которые связываются с этими последовательностями. Бактериальные мутации, нарушающие синтез этих белков, приводят к снижению синтеза ЛБ и ^-фиксирующей активности.
Может ли существовать обратный (от хозяев к бактериям) поток сигналов, регулирующих биохимические функции бактероидов? Концептуально, это представляется весьма вероятным, однако четкие фактические доказательства пока отсутствуют. Предварительные данные в пользу такого сигналлинга были получены для бактериальных dct-reнов, контролирующих поглощение бактероидами С4-дикарбоновых кислот. Эти гены кодируют синтез сукцинат-пермеазы DctA, а также двухкомпонентной регуляторной системы DctB/DctD, отвечающей за транскрипционную активацию гена dctA. У свободноживущих бактерий эта система активируется С4-ди- карбоксилатами, и нарушения структуры регуляторных генов (dctB или dctD) приводят к полному отсутствию DctA. Однако в условиях симбиоза инактивация генов dctB или dctD приводит лишь к небольшому снижению активности синтеза пермеазы DctA, показывая действие дополнительных регуляторов экспрессии гена dctA, возможно имеющих растительную природу (рис. 11.9). В пользу прямой регуляции бактериальных nif-генов растительными сигналами говорит наличие в межгенном участке nifA-niJH ризо- бий клевера (R. leguminosarum bv. trifolii) элемента (111 пар нуклеотидов), ответственного за специфичную в отношении хозяина активацию синтеза нитрогеназы: присутствие этого элемента нарушает образование клубеньков на клевере ползучем (Trifolium repens), но не нарушает на клевере сходном (Т ambiguum).

Метаболизм опинов. Адаптивно значимым механизмом взаимодействия некоторых видов ризобий с бобовыми растениями является метаболизм опинов — редко встречающихся в природе азот-содержащих соединений, которые эндосимбиотические (находящиеся в клубеньках) бактерии синтезируют из метаболитов, получаемых от хозяина. Эти соединения выделяются из клубеньков, после чего могут быть специфически утилизированы бактериями, которые изогенны внутриклеточным клонам, но находятся вне растения (в ризосфере) и потому не имеют доступа к питательным ресурсам тканей клубенька. У ризобий гороха (R. leguminosarum bv. viceae) и люцерны (S. meliloti) гены синтеза опинов (mos) активируются в бактероидах (экспрессия этих генов контролируется системой nifA/ntrA, т. е. функционально сопряжена с Ы2-фиксацией), а гены катаболизма опинов (тос) — в свободноживущих клетках. «Опиновая гипотеза» предполагает, что штаммы ризобий, обладающие генами mos/moc, размножаются ex planta наиболее активно, поскольку получают питательные субстраты, не усваиваемые другими бактериями.
Метаболизм опинов, выявленный лишь у 10-14 % штаммов ризобий гороха и люцерны, гораздо более типичен для близких к ним фитопатогенных агробактерий, у которых он представляет универсальную стратегию эксплуатации растительного метаболизма. Принципиальным ее отличием

от метаболизма опинов у ризобий является то, что в патогенной системе опины синтезируются клетками растений, в которые была перенесена бактериальная Т-ДНК. Гены синтеза фито гормонов, обеспечивающих размножение трансформированных клеток и формирование опухолей (Agrobacterium tumefaciens), либо бородатых корней (A. rhizogenes), переносятся в растительные клетки вместе с генами синтеза опинов посредством бактериальной системы секреции 4-го типа. Важно отметить и различную химическую природу используемых опинов: у ризобий это обычно производные сахаров, а у агробактерий — производные аминокислот.
Суммируя данные о механизмах бобово-ризобиальных взаимодействий, необходимо отметить, что развитие и функционирование симбиоза основано на установлении между партнерами тесных обратных связей, которые могут быть либо положительными, либо отрицательными (рис. 11.10). Отрицательные связи функционируют в основном на ранних стадиях симбиоза и обеспечивают строгий контроль хозяина над размножением бактерий (защитные реакции) и количеством образуемых симбиотических струк-

тур (АОК). При переходе системы к азотфиксации, эти связи дополняются 381 положительными обратными связями, усиливающими размножение тех бактерий, которые обладают высокой нитрогеназной активностью.

<< | >>

Источник: Под ред. Ю. Т. Дьякова. Фундаментальная фитопатология. 2011

Еще по теме Метаболическая интеграция:

- Агрохимия и агропочвоведение - Животноводство и промыслы - Защита растений - Земледелие - Овощеводство - Плодоводство - Пчеловодство - Растениеводство - Сад и огород - Селекция и семеноводство с/х культур - Сельскохозяйственные мелиорации -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -