doi: 10.15389/agrobiology.2017.5.995rus
УДК 631.461.52:575.1:577.257.065
Работа выполнена в рамках проекта РНФ № 14-26-00094П и проводилась с использованием оборудования ЦКП «Геномные технологии, протеомика и клеточная биология» ФГБНУ ВНИИСХМ.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИЛОГЕНИЙ СИМБИОТИЧЕСКИХ
ГЕНОВ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
МЕТАДЕРЕВЬЕВ
Е.С. КАРАСЕВ, Е.П. ЧИЖЕВСКАЯ, Б.В. СИМАРОВ, Н.А. ПРОВОРОВ,
Е.Е. АНДРОНОВ
Для изучения закономерностей эволюции различных групп «симбиотических» генов (nod-генов, контролирующих образование клубеньков, nif/fix-генов, контролирующих симбиотическую азотфиксацию) был применен модифицированный нами метод филогенетического анализа — построение метадеревьев. Суть метода заключается в попарном сравнении топологий дендрограмм и построении комбинированных дендрограмм (метадеревьев), на которых относительное положение двух деревьев является мерой конгруэнтности филогений соответствующих генов. Для реализации данного метода были выбраны 18 симбиотических генов (nodABCDIJN, nifABDEHKN, fixABC, fdxB), гомологи которых присутствуют у каждого из исследуемых организмов (9 штаммов, относящихся к родам Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium, Sinorhizobium и Neorhizobium), а также ген 16S рРНК — традиционный хромосомный таксономический маркер. Для каждого из этих генов были построены и сопоставлены филогенетические деревья, затем были рассчитаны коэффициенты попарного сходства их топологий. По полученным данным было построено «метадерево», в пределах которого были выявлены два статистически различающихся кластера генов. В кластер 1 вошли преимущественно nif- и fix-гены, а в кластер 2 — преимущественно nod-гены, что согласуется с данными о раздельной локализации этих групп генов в геномах ризобий. Исключением было расположение генов nifB и fixC в кластере 2 вместе с геном nodA, а также локализация гена nodI в кластере 1 вместе с геном nifD. При анализе структуры выявленных кластеров не было обнаружено строгой зависимости между относительным положением изучаемых генов и особенностями их локализации в геномах клубеньковых бактерий. Важно отметить, что различия между кластерами 1 и 2 выражены не менее четко, чем различия между группами nod- и nif/fix-генов. Очевидно, что кластеры 1 и 2 на построенном нами метадереве отражают в первую очередь различие механизмов эволюции процессов образования клубеньков и симбиотической азотфиксации, связанное с независимым происхождением соответствующих групп генов, а возможно, и с их раздельным горизонтальным переносом между разными группами ризобий. Дальнейшее изучение эволюции симбиотических генов клубеньковых бактерий требует усовершенствования использованной методики филогенетического анализа, включая раздельный анализ метадеревьев для ризобий, представляющих разные этапы эволюции симбиоза.
Ключевые слова: филогенетический анализ, метадеревья, клубеньковые бактерии, симбиотические гены.
E.S. Karasev, E.P. Chizhevskaya, B.V. Simarov, N.A. Provorov,
E.E. Andronov
We applied modified phylogenetic analysis method of building meta-trees to study the evolutional patterns of various groups of symbiotic genes (nod-genes control the formation of nodules and nif/fix-genes control symbiotic nitrogen fixation). The method consists in the pairwise comparison of topologies and construction combined dendrograms («meta-trees»), where the relative position of the two trees is a measure of corresponding gene phylogenies congruence. Homologues of 18 symbiotic genes (nodABCDIJN, nifABDEHKN, fixABC, fdxB) are present in each test organism (9 strains belong to the genera Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium, Sinorhizobium and Neorhizobium). These genes were selected for the implementation of this method, as well as the gene 16S rRNA as a traditional taxonomic chromosome marker. We constructed and compared phylogenetic trees for all these genes and then calculated the pairwise similarity coefficients for their topologies. According to the obtained data we built a meta-tree, and there were two statistically distinct gene clusters identified within. Cluster 1 includes mainly nif- and fix-genes and cluster 2 — mostly nod-genes, that is related to the data of separate localization of these gene groups in the rhizobial genomes. The exception is the arrangement of nifB and fixC geneswith nodA in cluster 2, as well as co-localization of nodI and nifD in cluster 1. During the identified clusters structure analysis we found strong relationship between the relative gene position and the characteristics of their genome localization in nodule bacteria. Importantly, the differences between clusters 1 and 2 are not expressed less clearly than the differences between nod- and nif/fix-gene groups. It is obvious that clusters 1 and 2 of our meta-tree reflect primarily different mechanisms of nodulation evolution and symbiotic nitrogen fixation associated with the independent origin of the relevant gene groups, and possibly, with their separate horizontal transfer between different groups of rhizobia. Further study of the symbiotic gene evolution in nodule bacteria requires improvements used phylogenetic analysis techniques, including separate analysis meta-tree for rhizobia, representing different stages of symbiosis evolution.
Keywords: phylogenetic analysis, meta-trees, nodule bacteria, symbiotic genes.
ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной
микробиологии, |
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
