Научная статья на тему 'Quorum Sensing и нодуляционная конкурентоспособность ризобий при инфицировании бобовых растений'

Quorum Sensing и нодуляционная конкурентоспособность ризобий при инфицировании бобовых растений Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
213
65
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Сельскохозяйственная биология
WOS
Scopus
ВАК
AGRIS
RSCI
Область наук
Ключевые слова
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ / НОДУЛЯЦИОННАЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ / РЕГУЛЯЦИЯ QUORUM SENSING / МИГРАЦИЯ / ЧАСТОТНО-ЗА-ВИСИМЫЙ ОТБОР / MATHEMATICAL MODELS / RHIZOBIA / NODULATION COMPETITIVENESS / QUORUM SENSING REGULATION / MIGRATION / FREQUENCY-DEPENDENT SELECTION

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Воробьев Н. И., Проворов Н. А.

Один из основных симбиотических признаков ризобий способность конкурировать за образование клубеньков у бобовых растений, проявляемая при совместной инокуляции хозяев несколькими штаммами (нодуляционная конкурентоспособность НКС). Закономерности регуляции НКС остаются малоизученными, что затрудняет использование полученных данных в биотехнологических исследованиях, направленных на повышение эффективности биопрепаратов ризобий. Нами создана математическая модель нодуляционной конкурентоспособности ризобий (НКС) для описания мультиштаммовой инокуляции бобовых растений (НКС-модель). В НКС-модели мы учли, что в соответствии с положением о Quorum Sensing регулировании (QS-регулировании) в почвенных нишах ограничивается не только число бактерий в нише, но и миграция клеток в соседние ниши. НКС-модель представляет собой нелинейную степенную зависимость миграции клеток из ниши от пространственной плотности клеток в нише (величина степени меньше, чем 1). Согласно формуле НКС-модели, относительная доля мигрирующих клеток из ниши обитания уменьшается с ростом плотности клеток в нише. Мы предполагаем, что после мультиштаммовой инокуляции в ризосфере растений в большем количестве (с большей НКС) будет представлен тот бактериальный штамм, который формирует больший миграционный поток клеток из ниши обитания. Верификация и параметрическая идентификация (миграционная активность штаммов, индекс частотно-зависимого отбора) НКС-модели проводились с использованием опубликованных ранее экспериментальных данных. Анализ вычисленных по этим данным параметров НКС-модели показал, что штаммы ризобий с большей миграционной активностью и малым индексом частотно-зависимого отбора образуют больший миграционный поток клеток из ниш обитания и демонстрируют большую НКС. Генетическая модификация ризобий с целью повышения НКС может вызвать интенсификацию миграционных потоков клеток штамма из ниши обитания и к ускоренному расходованию ресурсов ниши. Интенсивная миграция клеток из почвенной ниши может привести к преждевременному расходованию ресурса ниши и вызвать гибель клеток ризобий раньше, чем они образуют симбиоз с бобовыми растениями. Рассмотренные особенности выживания и миграции ризобий в естественных почвенных условиях необходимо учитывать, особенно, при разработке микробных препаратов длительного действия.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Воробьев Н. И., Проворов Н. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE QUORUM SENSING AND THE NODULATION COMPETITIVENESS OF Rhizobia DURING INFECTION OF LEGUMINOUS PLANTS

A basic property of Rhizobia is the ability to compete for nodule formation under a multi strain inoculation. Its regulation remains poorly understood, thus limiting advances in biotechnological studies to improve the effectiveness of Rhizobia microbial preparations. The mathematical model of Rhizobia Nodulation Competitiveness (RNC) for describing a multi strains inoculation of leguminous plants is created (RNC-model). In the RNC-model we took into account that under Quorum Sensing regulation (QS-regulation) in soil niches not only the bacteria number in the niche, but a cell’s migration into adjacent niches is limited. The RNC-model represents a power-law nonlinear dependence of cell’s migration from a niche from the cell’s spatial density in the niche (the power value is less than 1). According to the formula of the RNC-model, the relative proportion of migratory cells from niche habitat decreases under increasing cell’s density. We suggest that after a multi strains inoculation in the rhizosphere of plants the bacterial strains with a large cells migration flow from the niche habitat (with big RNC) will be presented in large amounts. The verification and parametric identification (migration activity of strains, the index of frequency-dependent selection) of the RNC-model were carried out with using the previously published experimental data. The analysis of RNC-model’s parameters, calculated with using these data, showed that rizobia strains with a large migratory activity and a small index of frequency-dependent selection form a large migratory flow of cells from the niche habitat and demonstrate large RNC. The genetic modification of rhizobia with the aim of improving the RNC may cause the intensification of migration flows of strain cells from the niche habitat and the accelerated spending of niche resources. The intensive migration of cells from soil niche may lead to premature consumption of niche’s resource and cause a cell death of rhizobia before they form symbiosis with legume plants. The considered features of survival and migration of rhizobia in natural soil conditions must be considered, especially, in the development of microbial preparations with prolonged action.

Текст научной работы на тему «Quorum Sensing и нодуляционная конкурентоспособность ризобий при инфицировании бобовых растений»

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 50, № 3, с. 298-304

УДК 635.65:573.22 doi: 10.15389/agrobiology.2015.3.298rus

QUORUM SENSING И НОДУЛЯЦИОННАЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ РИЗОБИЙ ПРИ ИНФИЦИРОВАНИИ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ*

Н.И. ВОРОБЬЕВ, Н.А. ПРОВОРОВ

Один из основных симбиотических признаков ризобий — способность конкурировать за образование клубеньков у бобовых растений, проявляемая при совместной инокуляции хозяев несколькими штаммами (нодуляционная конкурентоспособность — НКС). Закономерности регуляции НКС остаются малоизученными, что затрудняет использование полученных данных в биотехнологических исследованиях, направленных на повышение эффективности биопрепаратов ризобий. Нами создана математическая модель нодуляционной конкурентоспособности ризобий (НКС) для описания мультиштаммовой инокуляции бобовых растений (НКС-модель). В НКС-модели мы учли, что в соответствии с положением о Quorum Sensing регулировании (QS-регулировании) в почвенных нишах ограничивается не только число бактерий в нише, но и миграция клеток в соседние ниши. НКС-модель представляет собой нелинейную степенную зависимость миграции клеток из ниши от пространственной плотности клеток в нише (величина степени меньше, чем 1). Согласно формуле НКС-модели, относительная доля мигрирующих клеток из ниши обитания уменьшается с ростом плотности клеток в нише. Мы предполагаем, что после мультиштаммовой инокуляции в ризосфере растений в большем количестве (с большей НКС) будет представлен тот бактериальный штамм, который формирует больший миграционный поток клеток из ниши обитания. Верификация и параметрическая идентификация (миграционная активность штаммов, индекс частотно-зависимого отбора) НКС-модели проводились с использованием опубликованных ранее экспериментальных данных. Анализ вычисленных по этим данным параметров НКС-модели показал, что штаммы ризобий с большей миграционной активностью и малым индексом частотно-зависимого отбора образуют больший миграционный поток клеток из ниш обитания и демонстрируют большую НКС. Генетическая модификация ризобий с целью повышения НКС может вызвать интенсификацию миграционных потоков клеток штамма из ниши обитания и к ускоренному расходованию ресурсов ниши. Интенсивная миграция клеток из почвенной ниши может привести к преждевременному расходованию ресурса ниши и вызвать гибель клеток ризобий раньше, чем они образуют симбиоз с бобовыми растениями. Рассмотренные особенности выживания и миграции ризо-бий в естественных почвенных условиях необходимо учитывать, особенно, при разработке микробных препаратов длительного действия.

Ключевые слова: математическое моделирование, клубеньковые бактерии, нодуляционная конкурентоспособность, регуляция Quorum Sensing, миграция, частотно-зависимый отбор.

Один из основных симбиотических признаков ризобий — их способность конкурировать за образование клубеньков у бобовых растений, проявляемая при совместной инокуляции хозяев несколькими штаммами (нодуляционная конкурентоспособность — НКС). Молекулярно-генетические исследования выявили полигенный контроль НКС, показали его связь с различными культурально-биохимическими и симбиотическими признаками (структурой клеточной стенки, устойчивостью к антибиотикам и фагам, способностью адсорбироваться на поверхности корней, скоростью образования клубеньков при моноинокуляции растений) и позволили приступить к разработке методов конструирования штаммов ризобий с повышенной НКС (1-5). Вместе с тем закономерности регуляции НКС остаются малоизученными, что затрудняет использование полученных данных в биотехнологических исследованиях, направленных на повышение эффективности биопрепаратов ризобий.

Ранее была предложена гипотеза о том, что скорость миграции бактерий между разными нишами, определяющая их конкурентоспособность, может регулироваться с участием механизма Quorum Sensing (QS-

* Работа поддержана Российским научным фондом, грант 14-26-00094.

298

регуляция) (6-8). На это указывают экспериментальные данные о колонизации ризобиями клубеньков растений (9, 10), демонстрирующие нелинейную зависимость НКС от общего числа (следовательно, и от пространственной плотности) бактерий в инокулюме. QS-регуляция осуществляется посредством низкомолекулярных сигнальных молекул (аутоиндукторов), которые выделяются бактериями во внешнюю среду и воздействуют на регуляторные белки, вызывая блокировку либо запуск клеточного деления (11-16). В результате популяция может разделиться на группы клеток с разным физиологическим состоянием, в которых процессы размножения либо активированы, либо заблокированы (17). Ранее такая дифференциация была показана для клубеньковых бактерий люцерны (Si-norhizobium meliloti), у которых QS-регуляция обеспечивает различие изогенных клеток по активности генов биосинтеза экзополисахаридов, определяющей скорость развития колонии (18).

Цель представляемого исследования — построение математической модели нодуляционной конкурентоспособности бактериальных штаммов (НКС-модели), учитывающей QS-регуляцию миграционных потоков клеток из инокулюма в клубеньковые ниши бобовых растений.

Пос троение модели. Ранее было установлено (9), что отношение долей клубеньков, колонизированных двумя конкурирующими штаммами (_&1:.&2) связано с отношением их численностей в единице объема инокулюма (Л^:ЛУ уравнением:

где k + к2 = 1; с12 > 0 — парный индекс НКС, равный отношению числа клубеньков, колонизированных изученными штаммами, при их одинаковой представленности в инокулюме (с12 = kk^, N = N2); 0 < а < 1 — индекс частотно-зависимого отбора (ЧЗО), определяющий селективные преимущества наиболее редкого штамма при с12 = 1. С уменьшением индекса ЧЗО представленность этого штамма в клубеньках возрастает (11).

Мы полагаем, что в ответ на повышение пространственной плотности каждого штамма QS-регуляция, поддерживая соотношение делящихся и покоящихся клеток, смещает его в пользу покоящихся клеток, что ведет к замедлению скорости роста штамма. При моделировании этого процесса мы исходили из того, что миграционные потоки клеток из ниши обитания подвергаются QS-регуляции и нелинейно зависят от пространственной плотности популяций. Эти допущения представляются логичными, поскольку делящиеся клетки расходуют значительно больше получаемых извне энергетических ресурсов, чем покоящиеся клетки, которым эти ресурсы нужны только на поддержание жизнеспособности. Очевидно, что для экономии ресурсов и повышения выживаемости бактериального штамма доля активных клеток в нем должна быть минимальной. Возможно, что QS-регуляция сформировалась в бактериальных популяциях для длительного выживания в условиях дефицита внешних ресурсов.

Интенсивность QS-регулируемого миграционного потока бактериального штамма из инокулюма определяет масштабы накопления клеток на поверхности корней. В свою очередь, различие в количествах клеток на поверхности корней предопределяет распределение штаммов в клубеньках при их колонизации. Следовательно, первопричиной НКС бактериальных штаммов служит QS-регуляция клеточных миграционных потоков. Поэтому при построении НКС-модели мы будем учитывать QS-регуляцию миграционных потоков клеток, функциональный характер которой пред-

[1]

299

ставлен в уравнении [1]. Поскольку в ответ на возрастание пространственной плотности каждого штамма QS-регуляция снижает долю мигрирующих клеток, в НКС-модели следует использовать обратно пропорциональную зависимость миграционного индекса (m) от числа клеток каждого штамма:

nM m = —M = 1+ f N 1

N V NM J

1-a

-|-1

[2]

[3]

где N — суммарное число делящихся и покоящихся клеток штамма в единице объема инокулюма; nM < N — численность способных мигрировать клеток; Nм — миграционная активность бактериального штамма, выраженная плотностью клеток в нише, при которой половина клеток способна мигрировать в соседние ниши (2-nM = N = Nм); 0 < а < 1 — индекс ЧЗО из уравнения [1].

При мультиштаммовой конкуренции для вычисления доли клубеньков (kj), колонизированных J-штаммом, необходимо определить долю клеток этого штамма (nMj) среди мигрирующих клеток всех штаммов:

kJ = nMJ X nML ’

/ L=1

где kj — доля клубеньков, колонизированных J-штаммом; nMj, nML — число клеток J- и L-штаммов в единице объема инокулюма, рассчитываемое по НКС-модели [2]; S — число штаммов, участвующих в колонизации клубеньков. Для конкуренции между двумя штаммами из [3] можно получить равенство:

k1 : k2 = nM1 : nM2. [4]

Подставляя [2] в [4] и учитывая, что N1 и N2 принимаются значительно большими, чем Nm1 и Nm2, получим уравнение, асимптотически близкое к [1]:

Д-a, 1

log\ т1 I =log\ I =log

N1-a2 V М2

+ log

4^

V N2 J

[5]

V k2 J V nA2 у

где Nmi, Nm2 — миграционная активность популяций конкурирующих штаммов; 0 < ах, а2 < 1 — индексы ЧЗО для этих штаммов. Асимптотическая близость [1] и [5] доказывает корректность НКС-модели [2] и допускает использование [2] и [3] для описания мультиштаммовой колонизации корней бобовых растений. В результате для двух конкурирующих штаммов можно рассчитать индивидуальные (сх = N Mi с2 = N м22) и парный (сх2 = С1Х2) индексы НКС.

Верификация модели. Используя экспериментальные данные (9, 10), мы определили уровни миграционной активности популяций, а также индивидуальные индексы НКС и ЧЗО для конкурирующих штаммов ризобий (табл.). В качестве показателя адекватности НКС-модели использовался коэффициент детерминации (r2) экспериментальных и расчетных (вычисленных по модели) данных. Близость коэффициента детерминации к единице подтверждает высокую сходимость НКС-модели и экспериментальных данных (см. табл., рис.).

Аналитические зависимости, построенные с помощью НКС-модели для значений параметров из таблицы, показали, что с возрастанием плотности бактерий в инокулюме число мигрирующих клеток растет (см. рис., А, сплошные линии), однако доля мигрирующих клеток (миграционный индекс) уменьшается (см. рис., А, пунктирные линии). Для штамма KIM5s

300

(см. рис., Б) при плотностях клеток в инокулюме 108 кл/мл и 1010 кл/мл QS-регуляция потока мигрирующих клеток определяется значениями соответственно 2600 и 9300 кл/мл.

Параметры НКС-модели колонизации клубеньков бобовых растений штаммами Rhizobium leguminosamm

Штамм ризобий Миграционная активность бактерий NM, кл/мл Индивидуальный индекс НКС, см Индекс ЧЗО, ам Коэффициент детерминации модели, г2

FSS1 (9) 10±1 3,8±0,4 0,42±0,03 0,98

FH20S1 (9) 9±1 4,2±0,5 0,35±0,03 0,93

FS163S (9) 12±1 4,0±0,5 0,45±0,03 0,98

KIM5s (10) 42±2 14,8±1,6 0,28±0,02 0,98

CE3 (10) 6±1 3,5±0,6 0,30±0,02 0,98

Примечание. НКС — нодуляционная конкурентоспособность, ЧЗО — частотно-зависимый отбор.

У родственных штаммов KIM5s и CE3 (см. табл.) индексы ЧЗО близки по величине, и поэтому в уравнении [5] можно принять их равенство a1 = a2. В этом случае [5] совпадает с [1], что подтверждает корректность НКС-модели [2]. Если инокулюм штамма FSS1 (см. табл.) содержит 107 кл/мл, а штамма FH20S1 — 105 кл/мл (N:N = 100:1), то в клубеньках эти штаммы будут представлены в соотношении kxkk = 93:7, то есть в клубеньках представленность редкого штамма FH20S1 возрастает в 7 раз. Дальнейшее снижение индексов ЧЗО (ax = 0,21, a2 = 0,175) еще более изменит соотношение клубеньков в пользу штамма FSS1 (k1:k2 = 80:20).

Как видно из представленных в таблице данных, штамм KIM5s имеет наибольший индивидуальный индекс НКС (с4 = 14,8). Можно предположить, что QS-регуляция численности этого штамма поддерживает большую интенсивность потока мигрирующих клеток по сравнению с таковой у штамма CE3 (с5 = 3,5). Поэтому при равном соотношении штаммов KIM5s и CE3 в инокулюме в клубеньках будет преимущественно представлен штамм KIM5s: kpk5 = с45 = с4:с5 = 14,8:3,5 = 4,2 > 1. Таким образом, повышенный индивидуальный индекс НКС и уровень миграционной активности могут быть объяснены ослабленной QS-регуляцией миграционного потока бактерий из инокулюма.

Анализ выявленных закономерностей позволяет предположить, что бактериальные штаммы с высокими значениями индекса миграционной активности и индивидуального индекса НКС тратят на миграцию клеток большое количество энергетических ресурсов, что сокращает время выживания бактерий. Поэтому повышение НКС у штаммов с помощью генетических методов может повлечь за собой снижение жизнеспособности ри-зобий вне растений и их последующую гибель.

Известно, что низкой выживаемостью вне растений часто обладают штаммы ризобий с повышенной эффективностью симбиотической N2-фиксации (19). Поэтому ЧЗО в пользу редких штаммов может играть важную роль в поддержании эффективного взаимодействия бактерий и растений. Благодаря этому отбору в клубеньках осуществляется преимущественное размножение активных азотфиксаторов, обеспечивающее максимальную продуктивность бобово-ризобиальной системы.

Ранее при изучении фитопаразитарных систем было показано, что растения могут влиять на QS-регуляцию генов вирулентности патогенных бактерий, подавляя инфекционный процесс (20). Возможно, что аналогичный механизм действует и при образовании бобово-ризобиального симбиоза, что позволяет растению регулировать потоки бактерий из окружающей среды в эндосимбиотические ниши и таким образом осуществлять отбор штаммов ризобий по признакам симбиотической эффективности. Проверка этой гипотезы входит в задачи нашей дальнейшей работы.

301

Распределение конкурирующих штаммов ризобий по клубенькам бобовых растений в зависимости от плотности клеток в инокулюмах (N1, N2): к1 — доля клубеньков, образованных штаммом FSS1 (9). Левые оси соответствуют экспериментальным данным ( ^) и сплошным линиям, построенным по НКС-модели [2], правые оси — пунктирным линиям, которые соответствуют значениям миграционного индекса Ш1 (А) и парного индекса НКС с12 (Б), вычисленным по НКС-модели для штамма FSS1.

А. Результаты конкуренции штаммов Rhizo-bium leguminosarum bv. vi-ciae (FSS1, FH20S1, FS163S) с местной почвенной популяцией за нодуляцию конских бобов Vicia faba сорта Ascott (9).

Б. Результаты конкуренции мутантного штамма KIM5s с родительским штаммом CE3 R. legumino-saium bv. phaseoli за нодуляцию фасоли обыкновенной Phaseolus vul gaiis сорта Puebla 152 при разных соотношениях KIM5s:CE3 в инокулюме (10).

Итак, нодуляционная конкурентоспособность (НКС) ризобий определяется не только преимуществами штаммов при освоении питательных ресурсов в ризосфере бобовых растений, но и миграционной активностью клеток бактерий из ниш обитания. Повышение НКС методами генной инженерии может приводить к возрастанию миграционной активности клеток ризобий и преждевременному расходованию ресурсов почвенной ниши, в которой популяция ризобий обитает вне симбиоза. Поэтому при длительном выживании бактерий в почвенных условиях повышение энергетических затрат на миграцию клеток может повысить риски гибели популяции. Особенности выживания и миграции ризобий необходимо учитывать, в частности, при разработке микробных препаратов длительного действия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курчак О.Н., Проворов Н.А., Симаров Б.В. Плазмида pSym1-32 Rhizo-bium leguminosarum bv. viceae, контролирующая азотфиксирующую активность, эффективность симбиоза, конкурентоспособность и кислотоустойчивость. Генетика, 2001, 37(9): 1225-1232.

2. О ни щук О.П., Курчак О.Н., Шарыпова JI.A., Проворов Н.А., Симаров Б.В. Анализ различных типов конкурентоспособности у Тп5-мутантов клубенько-

302

вых бактерий люцерны (Sinorhizobium meliloti). Генетика, 2001, 37(11): 1507-1512.

3. О ни щук О.П., Симаров Б.В. Гены, контролирующие нодуляционную конкурентоспособность клубеньковых бактерий. Генетика 1996, 32: 1157-1166.

4. О ни щук О.П., Симаров Б.В. Генетическая изменчивость нодуляционной конкурентоспособности у клубеньковых бактерий и ее использование в селекции. Генетика, 1995, 31(3): 293-303.

5. Sessitsch A., Jjemba P.K., Hardarson G., Akkermans A.D.L., Wilson K.J. Measurement of the competitiveness index of Rhisobium tropici strain CIAT899 derivatives marked with the gusA gene. Soil Biol. Biochem., 1997, 29: 1099-1110.

6. P e rez-Monta n o F., Jim e nez-Guerrero I., Del Cerro P., Baena-Ropero I., Lуpez-Baena F.J., Ollero F.J., Bellog i n R., Lloret J., Espuny R. The symbiotic biofilm of Sinorhizobium fredii SMH12, necessary for successful colonization and symbiosis of Glycine max cv. Osumi, is regulated by Quorum Sensing systems and inducing flavon-oids via NodD1. PLoS ONE, 2014, 9(8): e105901 (doi: 10.1371/journal.pone.0105901).

7. Jitacksorn S., Sadowsky M.J. Nodulation gene regulation and Quorum Sensing control density-dependent suppression and restriction of nodulation in the Bradyrhizobium japoni-cum-soybean symbiosis. Appl. Environ. Microbiol., 2008, 74: 3749-3756 (doi: 10.1128/AEM.02939-07).

8. Zheng H., Zhong Z., Lai X., Chen W.X., Li S., Zhu J. LuxR/LuxI-type QuorumSensing system in plant bacterium Mesorhizobium tianshanense controls symbiotic nodulation. J. Bacteriol., 2006, 188: 1943-1949 (doi: 10.1128/JB.188.5.1943-1949.2006).

9. Amarger N., Lobreau J.P. Quantitative study of nodulation competitiveness in Rhizo-bium strains. Appl. Environ. Microbiol., 1982, 44(3): 583-588.

10. Beattie G.A., Clayton M.C., Handelsman J. Quantitative Comparison of the laboratory and field competitiveness of Rhizobium leguminosarum biovar phaseoli. Appl. Environ. Microbiol., 1989, 55(11): 2755-2761.

11. Проворов Н.А., Воробьев Н.И. Генетические основы эволюции растительномикробного симбиоза. СПб, 2012.

12. Хмель И.А. Quorum-Sensing регуляция экспрессии генов: фундаментальные и прикладные аспекты, роль в коммуникации бактерий. Микробиология, 2006, 75(4): 457-464.

13. Шпаков А.О. Сигнальные молекулы бактерий непептидной природы QS-типа. Микробиология, 2009, 78(2): 163-175.

14. Conway B., Greenberg E. Quorum-Sensing signals and Quorum-Sensing genes in Burkholdeiia vietnamiensis. J. Bacteriol., 2002, 184: 1187-1191 (doi: 10.1128/jb.184.4.1187-1191.2002).

15. Daniels R., De Vos D.E., Desair J., R a e d s c h e l d e r s G., Luyten E., Rosemeyer V., Verreth C., Schoeters E., Vanderleyden J., Michiels J. The cin Quorum-Sensing locus of Rhizobium etli CNPAF 512 affects growth and symbiotic nitrogen fixation. J. Biol. Chem., 2002, 277: 462-468 (doi: 10.1074/jbc.M106655200).

16. Koutsoudis M.D., Tsaltas D., Minogue T.D., Von Bodman S.B. Quorum-Sensing regulation governs bacterial adhesion, biofilm development, and host colonization in Pantoea stewartii subspecies stewartii. PNAS, 2006, 103: 5983-5988 (doi: 10.1073/pnas.0509860103).

17. Воробьев Н.И., Семенов A.M., Шаталов А.А., Ван Бругген A.X.K., Свиридова О.В. Нелинейное моделирование автоколебаний численности Pseudomonas fluorescens в субстрат-бактериальной системе. Изв. Самарского НЦ РАН, 2009, 11(7): 1620-1624.

18. Schluter J.P., Czuppon P., Schauer O., Pfaffelhuber P., McIntosh M., B e c k e r A. Classification of phenotypic subpopulations in isogenic bacterial cultures by triple promoter probing at single cell level. J. Biotechnol., 2015, 198: 3-14 (doi: 10.1016/j.jbiotec.2015.01.021).

19. Проворов Н.А., Онищук О.П., Юргель С.Н., Курчак О.Н., Чижевская Е.П., Воробьев Н.И., Затовская Т.В., Симаров Б.В. Конструирование высокоэффективных симбиотических штаммов бактерий: эволюционные модели и генетические подходы. Генетика, 2014, 50(11): 1273-1285.

20. Braeken K., Daniels R., Ndayizeye M., Vanderleyden J., Michiels J. Quorum Sensing in bacteria-plant interactions. In: Molecular mechanisms of plant and microbe coexistence. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2008: 265-289 (ISBN 978-3-540-75574-6) (doi: 10.1007/978-3-540-75575-3).

ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной Поступила в редакцию

микробиологии, 24 марта 2015 года

196608 Россия, г. Санкт-Петербург—Пушкин, ш. Подбельского, 3, e-mail: [email protected]

Sel’skokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural Biology], 2015, V. 50, № 3, pp. 298-304

THE QUORUM SENSING AND THE NODULATION COMPETITIVENESS

303

OF Rhizobia DURING INFECTION OF LEGUMINOUS PLANTS

N.I Vorobyov, N.A. Provorov

All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology, Federal Agency of Scientific Organizations, 3, sh. Podbel’skogo, St. Petersburg, 196608 Russia, e-mail [email protected] Supported by Russian Science Foundation (project № 14-26-00094)

Received March 24, 2015 doi: 10.15389/agrobiology.2015.3.298eng

Abstract

A basic property of Rhizobia is the ability to compete for nodule formation under a multi strain inoculation. Its regulation remains poorly understood, thus limiting advances in biotechnological studies to improve the effectiveness of Rhizobia microbial preparations. The mathematical model of Rhizobia Nodulation Competitiveness (RNC) for describing a multi strains inoculation of leguminous plants is created (RNC-model). In the RNC-model we took into account that under Quorum Sensing regulation (QS-regulation) in soil niches not only the bacteria number in the niche, but a cell’s migration into adjacent niches is limited. The RNC-model represents a power-law nonlinear dependence of cell’s migration from a niche from the cell’s spatial density in the niche (the power value is less than 1). According to the formula of the RNC-model, the relative proportion of migratory cells from niche habitat decreases under increasing cell’s density. We suggest that after a multi strains inoculation in the rhizosphere of plants the bacterial strains with a large cells migration flow from the niche habitat (with big RNC) will be presented in large amounts. The verification and parametric identification (migration activity of strains, the index of frequency-dependent selection) of the RNC-model were carried out with using the previously published experimental data. The analysis of RNC-model’s parameters, calculated with using these data, showed that rizobia strains with a large migratory activity and a small index of frequency-dependent selection form a large migratory flow of cells from the niche habitat and demonstrate large RNC. The genetic modification of rhizobia with the aim of improving the RNC may cause the intensification of migration flows of strain cells from the niche habitat and the accelerated spending of niche resources. The intensive migration of cells from soil niche may lead to premature consumption of niche’s resource and cause a cell death of rhizobia before they form symbiosis with legume plants. The considered features of survival and migration of rhizobia in natural soil conditions must be considered, especially, in the development of microbial preparations with prolonged action.

Keywords: mathematical models, Rhizobia, nodulation competitiveness, Quorum Sensing regulation, migration, frequency-dependent selection.

Адрес сайта журнала в Интернете — www.agrobiology.ru Статьи, события, информация — 7500 просмотров за месяц 73 % — посетители из России, около 7 % — из США и Канады, 20 % — из других стран

ЛЬСКОХОЗЯИСТВЕН НАЯ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

БИОЛОГИ

Научно-теоретический

журнал

КАРТА САЙТА

Сообщаем, что...

■ В правилах оформления направлений к представляемым рукописям

• На сайте открыт новый раздел _ , ...

- ’Зарубежные публикации", вС 1989 гоДа ЖУРН' ■ В разделе "Архив" нашего сайта в открытом доступе

Включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук (Перечень ВАК) (по агрономии и лесному хозяйству, ло зоотехническим и ветеринарным специал ьностям, а с 2007 года — также по биологическим наукам).

Динамичное развитие и высокий уровень публикаций определяют интерес к изданию и его признание в научной среде. Читатели журнала — ученые не только из России и стран СНГ, не и из Бразилии, Великобритании, Германии, Испании, Китая, Швейцарии, Японии.

г выходит двум:

:ериям

Дизайн homo FABER, nporpai

Ат^Поиск АгдоРейтйнг

304

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.