doi: 10.15389/agrobiology.2017.5.928rus
УДК 633.31:631.461.52:577.21
Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 17-16-01095).
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГЕНОМНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
У РЕФЕРЕНТНЫХ ШТАММОВ Sinorhizobium meliloti —
СИМБИОНТОВ
ЛЮЦЕРНЫ (обзор)
М.Л. РУМЯНЦЕВА1, В.С. МУНТЯН1, М.Е. ЧЕРКАСОВА1,
Е.Е. АНДРОНОВ1,
А.С. САКСАГАНСКАЯ1, Е.А. ДЗЮБЕНКО2,
Н.И. ДЗЮБЕНКО2, Б.В. СИМАРОВ1
Растительно-микробное симбиотическое взаимодействие — это уникальная высокоспецифичная биологическая система фиксации атмосферного азота и его трансформации в соединения, доступные для живых организмов. Принципиально новым подходом может стать создание системы генетического мониторинга стабильности хозяйственно ценных штаммов симбионтов в микробиомах агроэкосистем. Сопоставление геномных характеристик симбиотически активных штаммов может позволить выявить функционально значимые маркерные последовательности и стать основой для создания такой системы. Симбиотически активные штаммы Sinorhizobium meliloti СХМ1-105 (СХМ1) и Rm1021 (Rm2011) применяются в качестве референтных в отечественных и зарубежных лабораториях, поскольку активно используются для разработки и/или адаптации широкого круга методов симбиогенетики. СХМ1-105 (СХМ1) и Rm1021 (Rm2011) получены на основе производственных штаммов 425а и SU47. Штамм 425а выделен из клубеньков люцерны в середине 1970-х годов в Алматинской области Казахстана, входящей в состав Среднеазиатского первичного центра происхождения культурных растений, описанного Н.И. Вавиловым. Штамм SU47 выделен из клубеньков люцерны в конце 1930-х годов в Австралии — вторичном центре разнообразия культурных растений. Геномы исходных штаммов, а также их производных состоят из хромосомы (SMc) и двух мегаплазмид (SMa, SMb) и не содержат криптических плазмид. У CXM1-105 в отличие от Rm1021 в геноме отсутствуют 508 белок-кодирующих открытых рамок считывания (open reading frame — ORF), из которых, как следует из данных, полученных с использованием ДНК-биочипов SM6kOligo, 242 локализованы на SMa, 121 — на SMb и 145 — на SMc. Это указывает на существенные структурные различия во всех трех репликонах референтных штаммов CXM1-105 и Rm1021. Хромосома СХМ1-105 (СХМ1) и 425а не содержит последовательностей фагового происхождения — так называемых геномных островов, описанных у Rm1021. Установлено, что 62 ORF геномных островов Rm1021 сходны или гомологичны таковым у представителей того же вида или рода, а также у филогенетически удаленных классов бактерий. Однако в структуре хромосомы СХМ1-105 имеются сайты для интеграции геномных островов (EU196757, EU196758 и EU196759), которые на 99-100 % гомологичны таковым у Rm1021 (Rm2011). Оценка распространенности штаммов S. meliloti, имевших типы хромосомы SMcRm1021 (наличие островов) или SMcСХМ1-105 (отсутствие островов) в природных популяциях показала превалирование первых в районе, относящемся к Среднеазиатскому генцентру, вторых — в зоне экстремально засоленных почв Приаралья (Р < 0,05). Следовательно, наличие дополнительных «чужеродных» последовательностей, которые могут активно участвовать в горизонтальном переносе генов, характерно для штаммов S. meliloti из первичного центра разнообразия их растений-хозяев, тогда как под влиянием абиотического стрессора (засоление) такие последовательности утрачиваются. Кроме того, штаммы, имеющие различные типы хромосомы, согласно анализу межгенной последовательности rrn оперонов, могут относиться к дивергентным клоновым линиям. На основании обсуждаемых данных предлагается рассматривать штамм 425а и его производные в качестве модельных штаммов S. meliloti для создания системы генетического мониторинга хозяйственно значимых микросимбионтов в агроэкоценозах.
Ключевые слова: симбиоз, люцерна, референтные штаммы, Sinorhizobium meliloti, молекулярно-генетический анализ, геномные острова, сайты для специфической интеграции, дополнительный геном.
M.L. Roumiantseva1, V.S. Muntyan1, M.E. Cherkasova1,
E.E. Andronov1,
A.S. Saksaganskaya1, E.A. Dzyubenko2,
N.I. Dzyubenko2, B.V. Simarov1
Plant-microbial symbiotic interaction is a unique highly specific biological system for fixing atmospheric nitrogen and its transformation into compounds accessible to living organisms. A fundamentally new approach may be the creation of a system for genetic monitoring of the stability of economically valuable strains in microbioms of agroecosystems. By comparison of the genomic characteristics of symbiotically active strains functionally significant marker sequences could be identified and the basis for genetic monitoring system will be created. In the review, we compared genomic characteristics of the symbiotic active strains obtained on the basis of Sinorhizobium meliloti 425a and SU47 strains, used for production of biologicals. Strain 425a was isolated from alfalfa nodules in the mid-1970s in the Almaty region (Kazakhstan), which is a part of the Central Asian primary center of cultivated plant origin designated by N.I. Vavilov. Strain SU47 was isolated from alfalfa nodules in the late 1930s in Australia, which is the secondary center of the diversity of cultivated plants. Strains CXM1-105 (CXM1) and Rm1021 (Rm2011) are widely applied as a reference strain as they have been used to develop or adapt a wide range of symbiogenetics methods. Genomes of both the original strains and their derivatives consist of a chromosome (SMc) and two megaplasmids (SMa, SMb), and do not contain cryptic plasmids. However CXM1-105 genome, unlike Rm1021 genome, did not contains 508 protein encoding ORFs (open reading frames) of which 242 are located on SMa, 121 are on SMb and 145 are on SM, as it was found using DNA biochips. This indicates significant differences in the structure of all three replicons in the reference strains CXM1-105 and Rm1021. Chromosome of CXM1-105 (CXM1), as well as of 425a did not contain sequences of phage origin (the «genomic islands») described in Rm1021. It was found that 62 ORFs of genomic islands are similar or homologous to those of the members of the same species or genus, as well as of phylogenetically distant bacterial classes. However, in the CXM1-105 chromosome there are sites for the integration of genomic islands (EU196757, EU196758 and EU196759), which are 99-100 % homologous to appropriate sequences of Rm1021 (Rm2011). We studied the occurrence of S. meliloti strains harboring type SMcRm1021 or SMcCXM1-105 chromosome (presence or absence of genomic islands, respectively) in native populations. The significant prevalence of strains inherited SMcRm1021 was shown for the area, belonging to the Middle-Asian gene center of cultivated plants, while strains harboring the chromosomal type SMcCXM1-105 were dominant in the area of extremely saline soils next to Aral Sea area (P < 0.05). Consequently, the presence of additional «foreign sequences», which could participate in horizontal gene transfer, is typical of native S. meliloti isolates abundant in the primary center of the diversity of their host plants whereas those sequences are lost under an abiotic stress (salinity) impact. In addition, strains harboring different chromosome types, according to structural differences in the intergenic sequence of rrn-rrl operons, can be referred to divergent clonal lineages. According to the discussed data, it was suggested to consider strain 425a and its derivatives as the model S. meliloti strains to create a system for genetic monitoring of practically valuable strains in agrocenoses.
Keywords: symbiosis, alfalfa, reference strains, Sinorhizobium meliloti, molecular genetic analysis, genomic islands, sites for specific integration, accessory genome.
1ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной
микробиологии, |
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
