Frontiers | Genetic and Molecular Mechanisms Underlying Symbiotic Specificity in Legume-Rhizobium Interactions | Plant Science

Introduction
Specificiteit gemedieerd door Flavonoïden en de Flavonoïd-NodD herkenning
Specificiteit Gemedieerd door Nod-Factor Perceptie
Specificiteit gemedieerd door de perceptie van rhizobiale exopolysacchariden
Specificiteit gemedieerd door de aangeboren immuniteit van de gastheer
Specificiteit in Stikstoffixatie
Conclusie en toekomstperspectieven
Author Contributions
Funding
Conflict of Interest Statement

Introduction

De legume-rhizobial symbiose begint met een signaaluitwisseling tussen de gastheerplant en zijn microsymbiont (Oldroyd, 2013). De herkenning van compatibele bacteriën door de gastheer induceert corticale celdelingen om wortelknobbelprimordia te vormen, en start tegelijkertijd een infectieproces om de bacteriën in de knolcellen af te leveren. Infectie van de meeste peulvruchten gaat gepaard met de ontwikkeling van door de plant gemaakte infectiedraden die beginnen in de wortelharen. De infectiedraden met daarin delende bacteriën groeien door de epidermale cellaag naar de nodulecellen, waar de bacteriën vrijkomen en geïnternaliseerd worden in een endocytose-achtig proces. In de nodulecellen worden de individuele bacteriën omsloten door een membraan van plantaardige oorsprong, waardoor een organelachtige structuur wordt gevormd die de symbiosoom wordt genoemd, waarbinnen de bacteriën zich verder differentiëren tot stikstoffixerende bacteroïden (Jones et al., 2007; Oldroyd et al., 2011).

Symbiotische noduleontwikkeling gaat gepaard met synchrone differentiatie van zowel de nodule- als de bacteriecellen. Knollen van peulvruchten kunnen in twee hoofdtypen worden ingedeeld: onbepaalde knollen (bv. erwten, klavers en Medicago) en onbepaalde knollen (bv. sojabonen, bonen en Lotus) (Nap en Bisseling, 1990; Hirsch, 1992). Onbepaalde knollen ontstaan uit celdelingen in de binnenste cortex en bezitten een persistent apicaal meristeem. Bijgevolg zijn onbepaalde knollen cilindrisch van vorm, met een ontwikkelingsgradiënt van de apex naar de basis van de knol, die in verschillende knolzones kan worden onderverdeeld (Nap en Bisseling, 1990). Bepaalde knollen daarentegen zijn het resultaat van celdelingen in de middelste/buitenste cortex van de wortel, hebben geen persistente meristeem en zijn bolvormig. De celdelingen van een determinate nodule stoppen in de vroege ontwikkelingsstadia en de rijpe nodule ontwikkelt zich door celvergroting; de geïnfecteerde cellen ontwikkelen zich dus min of meer synchroon met het stikstoffixerende stadium. In beide knollentypen ondergaan de symbiotische knolcellen endoreduplicatie van het genoom, wat leidt tot polyploïdisatie en celvergroting. Parallel aan de ontwikkeling van de nodulecellen verloopt de differentiatie van de stikstoffixerende bacteroïden. Afhankelijk van de gastheer, maar onafhankelijk van het knollentype, kan deze bacteriële differentiatie terminaal of reversibel zijn. Terminale differentiatie wordt gekenmerkt door endoreduplicatie van het genoom, celverlenging, verhoogde membraanpermeabiliteit en verlies van voortplantingsvermogen, terwijl bij reversibele differentiatie de bacteroïden hun celgrootte en DNA-inhoud behouden, vergelijkbaar met die van vrijlevende bacteriën (Kereszt et al., 2011; Oldroyd et al., 2011; Haag et al., 2013). Vergeleken met vrijlevende bacteriën vertonen de bacteroïden dramatische veranderingen in transcriptoom, celoppervlakstructuur en metabolische activiteiten, zodat ze beter aangepast raken aan de intracellulaire omgeving en zich toeleggen op stikstoffixatie (Mergaert et al., 2006; Prell en Poole, 2006; Haag et al., 2013).

Zowel peulvruchten als rhizobiale bacteriën zijn fylogenetisch divers. Geen enkele rhizobiale stam kan een symbiose vormen met alle peulvruchten, en vice versa. Specificiteit doet zich voor op zowel soort- als genotypisch niveau (Broughton et al., 2000; Perret et al., 2000; Wang et al., 2012). Dit kan plaatsvinden in vroege stadia van de interactie, zodat dezelfde bacteriestammen de ene waardplant wel kunnen infecteren en noduleren en de andere niet (Yang et al., 2010; Wang et al., 2012; Tang et al., 2016; Fan et al., 2017). Incompatibiliteit treedt ook vaak op in latere stadia van de noduleontwikkeling, zodat de stikstoffixerende efficiëntie aanzienlijk verschilt tussen verschillende plant-bacteriecombinaties (Wang et al., 2012, 2017, 2018; Yang et al., 2017). Symbiotische specificiteit is het gevolg van de wisseling van signalen van zowel gastheer- als bacteriële zijde; als zodanig zijn verschillende herkenningsmechanismen geëvolueerd tijdens het proces van co-adaptatie. Kennis van de genetische en moleculaire basis van symbiotische specificiteit is belangrijk voor het ontwikkelen van hulpmiddelen voor genetische manipulatie van de gastheer of bacteriën om de stikstoffixatie-efficiëntie te verhogen. In dit overzicht bespreken we onze huidige inzichten in de evolutie van specificiteit in de wortelknol-symbiose.

Specificiteit gemedieerd door Flavonoïden en de Flavonoïd-NodD herkenning

Onder stikstofbeperkende omstandigheden scheiden vlinderwortels een cocktail van flavonoïde verbindingen af in de rhizosfeer, en deze dienen om de expressie te activeren van een groep bacteriële nodulatie (nod) genen, wat leidt tot de synthese van de Nod factor, een lipochitooligosaccharidisch signaal dat essentieel is voor het op gang brengen van de symbiotische ontwikkeling in de meeste peulvruchten (Oldroyd et al., 2011). De inductie van nod-genexpressie wordt gemedieerd door de flavonoïde-geactiveerde NodD-eiwitten, die transcriptieregulatoren van het LysR-type zijn (Long, 1996). NodD’s activeren de expressie van nod-genen door binding aan de geconserveerde DNA-motieven (nod boxes) stroomopwaarts van de nod-operons (Rostas et al., 1986; Fisher et al., 1988).

NodD-eiwitten van verschillende rhizobia zijn aangepast om verschillende flavonoïden te herkennen die door verschillende peulvruchten worden afgescheiden, en deze herkenningsspecificiteit bepaalt een vroeg controlepunt van de symbiose (Peck et al., 2006). Ondanks het ontbreken van direct bewijs voor een fysische interactie tussen de twee moleculen, is aangetoond dat flavonoïden de binding van NodD aan nod-genpromotors in Sinorhizobium meliloti kunnen stimuleren (Peck et al., 2006). Het is goed gedocumenteerd dat de uitwisseling van nodD-genen tussen stammen de respons van de ontvangende stam op een andere reeks flavonoïde-inductoren kan veranderen en bijgevolg het gastheerbereik (Horváth et al., 1987; Perret et al., 2000). Bijvoorbeeld, de overdracht van nodD1 van de symbiont Rhizobium sp. NGR234 met een breed gastheerbereik naar de stam Rhizobium leguminosarum biovar trifolii ANU843 met een beperkt gastheerbereik stelde de ontvangende stam in staat om het niet-legum Parasponia te noduleren, omdat het NodD1-eiwit met een breed gastheerbereik in staat is om een breder spectrum van flavonoïde-inductoren te herkennen (Bender et al.,

Het bewijs voor het belang van flavonoïden bij het bepalen van het gastheerbereik komt voornamelijk uit de bacteriële genetica, en de betrokken plantengenen zijn minder bestudeerd. Aangezien de wortels van peulvruchten een complex mengsel van flavonoïde verbindingen afscheiden, is het moeilijk aan te geven welke flavonoïden een kritieke rol spelen, en wanneer en waar ze worden geproduceerd. Recente studies in sojabonen en Medicago truncatula hebben belangrijke flavonoïden aan het licht gebracht die nodig zijn voor rhizobiale infectie (besproken in Liu en Murray, 2016). Deze zogenaamde “infectie flavonoïden” zijn sterke inducers van nod genen, gesecreteerd door wortels, sterk geaccumuleerd op de infectie plaatsen, en vertonen verhoogde biosynthese in reactie op infectie door compatibele rhizobia. Hoewel luteoline het eerste flavonoid was dat werd geïdentificeerd dat nod-genexpressie kan induceren in een breed spectrum van rhizobiale stammen, is het niet specifiek voor peulvruchten, wordt het hoofdzakelijk geproduceerd in kiemende zaden, en is het niet gedetecteerd in wortelexudaten of nodules. Daarentegen is aangetoond dat methoxychalcone een van de sterke gastheer-infectiesignalen is van Medicago en nauw verwante peulvruchten die onbepaalde nodulen vormen, terwijl genisteïne en daidzeïne cruciale signalen zijn van sojabonen die bepalende nodulen vormen. Een deel van de flavonoïde verbindingen kan ook fungeren als fytoalexinen, die de symbiosespecificiteit versterken (Liu en Murray, 2016). Bradyrhizobium japonicum en Mesorhizobium loti, maar niet de Medicago symbiont S. meliloti, zijn bijvoorbeeld gevoelig voor het isoflavonoïde medicarpine dat wordt geproduceerd door Medicago spp. (Pankhurst en Biggs, 1980; Breakspear et al., 2014), en de sojasymbionten B. japonicum en S. fredii zijn resistent tegen glyceolline bij blootstelling aan genisteïne en daidzeïne (Parniske et al., 1991).

Specificiteit Gemedieerd door Nod-Factor Perceptie

Nodfactoren geproduceerd door rhizobia zijn een essentiële signaalcomponent voor symbioseontwikkeling in de meeste peulvruchten. Nod-factoren zijn lipochito-oligosachariden, bestaande uit vier of vijf 1,4-gekoppelde N-acetyl-glucosamineresiduen die een vette acylketen van verschillende lengte bevatten, gehecht aan de C-2 positie van het niet-reducerende uiteinde en verschillende soortspecifieke chemische versieringen aan zowel de reducerende als de niet-reducerende uiteinden (Dénarié et al., 1996). De gemeenschappelijke nodABC genen dragen bij tot de synthese van de chitine ruggengraat, terwijl andere stam-specifieke nod genen de ruggengraat wijzigen door de grootte en de verzadiging van de acylketen te veranderen, of door aan de eindsuikereenheden acetyl-, methyl-, carbamoyl-, sulfuryl- of glycosylgroepen toe te voegen. Structurele variaties in de Nod-factoren zijn een belangrijke determinant van het gastheerbereik, omdat deze Nod-factoren door de gastheer moeten worden herkend om infectie en nodulatie op gang te brengen (Perret et al, 2000; D’Haeze en Holsters, 2002).

Nod-factoren worden waargenomen door Nod-factor receptoren (b.v. NFR1 en NFR5 in Lotus japonicus), die LysM-domein-bevattende receptor kinasen zijn (Limpens et al., 2003; Madsen et al., 2003; Radutoiu et al., 2003). Directe binding van Nod-factoren aan de extracellulaire LysM-domeinen van het receptorcomplex leidt tot activering van de downstream nodulatiesignaalwegen (Broghammer et al., 2012). Algemeen wordt aangenomen dat specificiteit in de binding van Nod-factoren cruciaal is voor de herkenning tussen de potentiële symbiotische partners. Deze hypothese wordt sterk ondersteund door genetisch bewijs, ook al is die bindingspecificiteit niet aangetoond. De beste voorbeelden komen uit de erwt-R. leguminosarum symbiose waar bacteriële nod-genmutanten die leiden tot een veranderde samenstelling of structuur van de Nod-factor genotypespecifieke nodulatie vertoonden (Firmin et al., 1993; Bloemberg et al., 1995). Deze wijziging van het gastheerbereik komt overeen met allelische variaties op de Sym2/Sym37/PsK1 locus, een orthologe regio van NFR1 die een cluster van LysM receptor kinases bevat (Zhukov et al., 2008; Li et al., 2011). In dit geval dragen allelische variatie in combinatie met genverdubbeling en diversificatie bij tot veranderingen in de symbiotische compatibiliteit.

Herkenning van de nodfactor speelt vermoedelijk een kritischer rol bij het bepalen van het gastheerbereik op soortniveau, wat het best geïllustreerd is aan bacteriële zijde. De natuurlijke polymorfismen in Nod-factor receptoren die verantwoordelijk zijn voor de nodulatiespecificiteit tussen verschillende peulvruchten zijn echter niet goed bestudeerd op genetisch niveau, eenvoudigweg omdat de planten niet onderling kunnen worden gekruist. Niettemin maakt het overbrengen van NFR1 en NFR5 van L. japonicus naar M. truncatula nodulatie van de transformanten door de L. japonicus symbiont Mesorhizobium loti mogelijk (Radutoiu et al, 2007).

Specificiteit gemedieerd door de perceptie van rhizobiale exopolysacchariden

Naast de nodfactoren zouden ook rhizobiale oppervlaktepolysacchariden zoals exopolysacchariden (EPS), lipopolysacchariden (LPS) en capsulaire polysacchariden (KPS) belangrijk zijn voor het tot stand brengen van symbiotische relaties (Fraysse et al., 2003; Becker et al., 2005; Jones et al., 2007; Gibson et al., 2008). Van deze oppervlaktecomponenten wordt verondersteld dat ze de afweer van planten kunnen onderdrukken, maar hun actieve rol in het bevorderen van bacteriële infectie en nodulatie blijft ongrijpbaar en is afhankelijk van de specifieke interacties die zijn bestudeerd.

Exopolysacchariden blijken in meerdere symbiotische interacties nodig te zijn voor rhizobiale infectie. Dit is het best geïllustreerd in de Sinorhizobium-Medicago symbiose, waarin succinoglycan, een belangrijk EPS geproduceerd door S. meliloti, nodig is voor de initiatie en elongatie van infectiedraden, en een verhoogde productie van succinoglycan de nodulatiecapaciteit verhoogt (Leigh et al., 1985; Reinhold et al., 1994; Cheng en Walker, 1998; Jones, 2012). De symbiotische rol van EPS is echter zeer gecompliceerd in de Mesorhizobium-Lotus interactie (Kelly et al., 2013). Zo vertoonde een subset van EPS-mutanten van M. loti R7A ernstige nodulatietekorten op L. japonicus en L. corniculatus, terwijl andere mutanten effectieve nodules vormden (Kelly et al., 2013). Met name R7A-mutanten met een tekort in de productie van een zuur octasacharide EPS waren in staat om L. japonicus normaal te knopen, terwijl exoU-mutanten met een afgekapt pentasacharide EPS de gastheer niet konden binnendringen. Er werd voorgesteld dat EPS van volledige lengte dient als signaal naar compatibele gastheren om de afweerreacties van planten te moduleren en bacteriële infectie toe te laten, en R7A-mutanten die geen EPS maken, kunnen het plantbewakingssysteem vermijden of onderdrukken en daardoor het vermogen behouden om nodules te vormen. Daarentegen triggeren stammen die gemodificeerd of afgekapt EPS produceren afweerreacties van planten, wat resulteert in het blokkeren van infectie (Kelly et al., 2013).

EPS-productie is gebruikelijk bij rhizobiale bacteriën, en de samenstelling van EPS geproduceerd door verschillende soorten varieert sterk (Skorupska et al., 2006). Verschillende studies hebben de betrokkenheid van de EPS-structuren gesuggereerd bij het bepalen van de infectiespecificiteit (Hotter en Scott, 1991; Kannenberg et al., 1992; Parniske et al., 1994; Kelly et al., 2013). Recent werd een EPS-receptor (EPR3) geïdentificeerd in L. japonicus, dat een celoppervlak gelokaliseerd eiwit is dat drie extracellulaire LysM-domeinen en een intracellulair kinasedomein bevat (Kawaharada et al., 2015). EPR3 bindt rhizobiaal EPS op een structureel specifieke manier. Interessant is dat Epr3 genexpressie afhankelijk is van Nod-factor signalering, wat suggereert dat de bacteriële toegang tot de gastheer wordt gecontroleerd door twee opeenvolgende stappen van receptor-gemedieerde herkenning van Nod-factor en EPS signalen (Kawaharada et al., 2015, 2017). De receptor-ligand interactie ondersteunt de notie dat EPS herkenning een rol speelt in de regulatie van symbiose specificiteit. Natuurlijke variatie in gastheer-range specificiteit die het gevolg is van specifieke herkenning tussen gastheer receptoren en stam-specifieke EPS is echter in geen enkele legume-rhizobial interacties aangetoond. Het is opmerkelijk dat zure EPS van bacteriële pathogenen ook infectie bevorderen om plantenziekten te veroorzaken (Newman et al., 1994; Yu et al., 1999; Aslam et al., 2008; Beattie, 2011). Het is dus mogelijk dat rhizobiaal EPS ook wordt herkend door immuunreceptoren van de gastheer om verdedigingsreacties te induceren die de ontwikkeling van de symbiose negatief reguleren.

Specificiteit gemedieerd door de aangeboren immuniteit van de gastheer

Symbiotische en pathogene bacteriën produceren vaak gelijkaardige signaalmoleculen om hun invasie in de gastheer te vergemakkelijken (Deakin en Broughton, 2009). Deze moleculen omvatten geconserveerde microbe-geassocieerde moleculaire patronen (MAMPs) en gesecreteerde effectoren (D’Haeze en Holsters, 2004; Fauvart en Michiels, 2008; Deakin en Broughton, 2009; Soto et al., 2009; Downie, 2010; Wang et al., 2012; Okazaki et al., 2013). De gastheer heeft herkenningsmechanismen geëvolueerd om onderscheid te maken tussen, en verschillend te reageren op, pathogenen en symbionten (Bozsoki et al., 2017; Zipfel en Oldroyd, 2017). Dit onderscheid is echter niet altijd succesvol; als gevolg hiervan komt herkenningsspecificiteit vaak voor in zowel pathogene als symbiotische interacties. In de legume-rhizobial interactie speelt effector- of MAMP-getriggerde plantenimmuniteit gemedieerd door gastheerreceptoren ook een belangrijke rol in het reguleren van gastheerbereik van rhizobia (Yang et al., 2010; Wang et al., 2012; Faruque et al., 2015; Kawaharada et al., 2015; Tang et al., 2016).

Er zijn verschillende dominante genen gekloond in sojabonen (bijv. Rj2, Rfg1, en Rj4) die nodulatie door specifieke rhizobiale stammen beperken (Yang et al., 2010; Tang et al., 2016; Fan et al., 2017). In deze gevallen wordt de beperking van nodulatie op een vergelijkbare manier gecontroleerd als ‘gen-voor-gen’-resistentie tegen plantpathogenen. Rj2 en Rfg1 zijn allelische genen die coderen voor een typisch TIR-NBS-LRR resistentie-eiwit dat resistentie verleent tegen meerdere B. japonicum en Sinorhizobium fredii stammen (Yang et al., 2010; Fan et al., 2017). Rj4 codeert voor een thaumatine-achtig defensiegerelateerd eiwit dat nodulatie door specifieke stammen van B. elkanii beperkt (Tang et al., 2016). De functie van deze genen is afhankelijk van het bacteriële type III secretiesysteem en zijn afgescheiden effectoren (Krishnan et al., 2003; Okazaki et al., 2009; Yang et al., 2010; Tsukui et al., 2013; Tsurumaru et al., 2015; Tang et al., 2016; Yasuda et al., 2016). Deze studies wijzen op een belangrijke rol van effector-getriggerde immuniteit in de regulatie van nodulatie specificiteit in sojabonen. Zoals eerder besproken, zouden rhizobiale Nod-factoren en oppervlaktepolysacchariden een rol kunnen spelen in de onderdrukking van afweerreacties (Shaw en Long, 2003; D’Haeze en Holsters, 2004; Tellström et al., 2007; Jones et al., 2008; Liang et al., 2013; Cao et al., 2017), maar deze signaleringsgebeurtenissen zijn blijkbaar niet sterk genoeg om effector-getriggerde immuniteit te omzeilen in incompatibele interacties.

Veel rhizobiale bacteriën gebruiken het type III secretiesysteem om effectoren af te leveren in gastheercellen om infectie te bevorderen, en in bepaalde situaties zijn de afgeleverde effector(en) vereist voor Nod-factor onafhankelijke nodulatie, zoals aangetoond in de sojaboon-B. elkanii symbiose (Deakin en Broughton, 2009; Okazaki et al., 2013, 2016). Aan de andere kant echter lokt herkenning van de effectoren door resistentiegenen van de gastheer immuunreacties uit om de rhizobiale infectie te beperken. De nodulatie resistentiegenen komen veelvuldig voor in natuurlijke populaties, wat de vraag oproept waarom de gastheer zulke schijnbaar ongunstige allelen evolueert en in stand houdt. Dit zou kunnen gebeuren door balanceringsselectie, aangezien dezelfde allelen ook kunnen bijdragen tot ziekteweerstand tegen pathogenen, aangezien sommige rhizobiale effectoren homoloog zijn aan diegene die worden afgescheiden door bacteriële pathogenen (Dai et al., 2008; Kambara et al., 2009). Een andere mogelijkheid is dat peulvruchten profiteren van R-genen om nodulatie met minder efficiënte stikstoffixerende stammen uit te sluiten en selectief te interageren met stammen met een hoge stikstoffixatie-efficiëntie, wat het geval is bij het sojaboon Rj4-allel.

Een enkele dominante locus, NS1 genaamd, werd ook geïdentificeerd in M. truncatula die nodulatie door S. meliloti stam Rm41 beperkt (Liu et al., 2014). In tegenstelling tot R-gen-gecontroleerde gastheerspecificiteit in sojabonen, die afhangt van bacterieel type III secretiesysteem, mist de Rm41 stam genen die coderen voor zo’n systeem. Het zal interessant zijn om te weten welk(e) gastheergen(en) deze specificiteit controleert (controleren) en welke bacteriële signalen hierbij betrokken zijn.

Specificiteit in Stikstoffixatie

Symbiotische specificiteit is niet beperkt tot de vroege herkenningsstadia; incompatibele gastheer-stamcombinaties kunnen leiden tot de vorming van knollen die defect zijn in stikstoffixatie (Fix-). Een screening van een kerncollectie van Medicago-toegangen met gebruikmaking van meerdere S. meliloti-stammen toonde bijvoorbeeld aan dat ∼40% van de plant-stamcombinaties wel knollen produceerde maar er niet in slaagde stikstof te fixeren (Liu et al., 2014). Het Fix- fenotype was niet te wijten aan een gebrek aan infectie, maar werd veroorzaakt door bacteroïde afbraak na differentiatie (Yang et al., 2017; Wang et al., 2017, 2018).

Host genetische controle van stikstoffixatie specificiteit is zeer gecompliceerd in de Medicago-Sinorhizobium symbiose, waarbij meerdere gekoppelde loci met complexe epistatische en allelische interacties betrokken zijn. Door gebruik te maken van de resterende heterozygote lijnen geïdentificeerd uit een recombinatie inteeltlijn populatie, waren Zhu en collega’s in staat om twee van de onderliggende genen te klonen, namelijk NFS1 en NFS2, die de stam-specifieke stikstoffixatie reguleren betreffende de S. meliloti stammen Rm41 en A145 (Wang et al., 2017, 2018; Yang et al., 2017). NFS1 en NFS2 coderen beide voor nodule-specifieke cysteïnerijke (NCR) peptiden (Mergaert et al., 2003). De NFS1- en NFS2-peptiden veroorzaken bacteriële celdood en vroege veroudering van knollen op een allelspecifieke en rhizobiale stam-specifieke manier, en hun functie is afhankelijk van de genetische achtergrond van de gastheer. Eerder werd aangetoond dat NCR’s positieve regulatoren zijn van de symbiotische ontwikkeling, essentieel voor terminale bacteriële differentiatie en voor het behoud van bacteriële overleving in de nodulecellen (Van de Velde et al., 2010; Wang et al., 2010; Horváth et al., 2015; Kim et al., 2015). De ontdekking van NFS1 en NFS2 onthulde een negatieve rol die NCR’s spelen in de regulatie van symbiotische persistentie, en toonde aan dat NCR’s gastheer-determinanten zijn van symbiotische specificiteit in M. truncatula en mogelijk ook in nauw verwante peulvruchten die hun symbiotische bacteriën onderwerpen aan terminale differentiatie.

De genomen van M. truncatula en nauw verwante galegoïde peulvruchten bevatten een groot aantal NCR-coderende genen die uitsluitend tot expressie komen in de geïnfecteerde nodulecellen (Montiel et al, 2017). Deze NCR-genen, vergelijkbaar met bacteriële type III-effectoren of MAMP’s, kunnen zowel positieve als negatieve rollen spelen in de symbiotische ontwikkeling en beide rollen zijn geassocieerd met de antimicrobiële eigenschap van de peptiden. Enerzijds gebruikt de gastheer deze antimicrobiële strategie voor het bevorderen van terminale bacteroïde differentiatie om de stikstofbindingsefficiëntie te verhogen (Oono en Denison, 2010; Oono et al., 2010; Van de Velde et al., 2010; Wang et al., 2010). Anderzijds kunnen sommige rhizobiale stammen de antibacteriële activiteit van bepaalde peptide-isovormen niet overleven. De kwetsbaarheid van bepaalde bacteriestammen als reactie op een peptide hangt af van de genetische constitutie van de bacterie en van de genetische achtergrond van de gastheer. Er werd voorgesteld dat deze gastheer-stam aanpassing de co-evolutie van beide symbiotische partners aanstuurt, wat leidt tot de snelle amplificatie en diversificatie van de NCR-genen in galegoïde peulvruchten (Wang et al., 2017; Yang et al., 2017).

Host-range specificiteit in het vermogen om stikstof te fixeren is ook gedocumenteerd in peulvruchten (bijv. sojabonen) waar de bacteriën omkeerbare differentiatie ondergaan. In sojabonen werd dit type van incompatibiliteit geassocieerd met de inductie van fytoalexineaccumulatie en een overgevoeligheidsreactie in de nodulecellen (Parniske et al., 1990). Er bestaan geen NCR-genen in het sojaboongenoom, wat wijst op de betrokkenheid van nieuwe genetische mechanismen die deze specificiteit controleren. In ons lab wordt gewerkt aan de identificatie van de gastheergenen die hierbij betrokken zijn.

Conclusie en toekomstperspectieven

Specificiteit in de peulvruchten-rhizobia symbiose is het resultaat van een reeks signaaluitwisselingen tussen de twee symbiotische partners (samengevat in Figuur 1). Recente studies zijn nog maar net begonnen met het blootleggen van de onderliggende moleculaire mechanismen die deze specificiteit reguleren, en er wachten nog vele uitdagende vragen om beantwoord te worden. Effector-getriggerde immuniteit blijkt een belangrijke factor te zijn in het bepalen van het gastheerbereik van rhizobia in sojabonen, maar de cognate effectoren zijn nog niet duidelijk gedefinieerd. Bovendien, wat zijn de genen die de nodulatiespecificiteit controleren in de Medicago-Sinorhizobium interactie waarbij de bacteriële partner het type III secretiesysteem mist? Het kloneren en karakteriseren van de NS1 locus in M. truncatula (Liu et al., 2014) zal nieuwe inzichten in deze vraag verschaffen. We weten nu dat NCR peptiden de stikstofbindingspecificiteit in Medicago en mogelijk in andere nauw verwante peulvruchten reguleren, maar we hebben geen mechanistisch inzicht in hoe deze peptiden werken. Hebben de pro- en anti-symbiotische peptiden interactie met dezelfde bacteriële doelwitten? Hoe beïnvloeden de aminozuursubstituties de peptidestructuur en -functie? Hoe wordt de specificiteit voor stikstoffixatie geregeld in de NCR-loze peulvruchten zoals sojabonen, waar bacteriën een omkeerbare differentiatie ondergaan? Dit zijn slechts een handvol openstaande vragen die moeten worden beantwoord. Beantwoording van deze vragen zal zeker onze kennis verrijken over hoe specificiteit wordt gecontroleerd en ons in staat stellen deze kennis te gebruiken om instrumenten te ontwikkelen voor genetische verbetering van symbiotische stikstoffixatie in peulvruchten.

FIGUUR 1

FIGUUR 1. Symbiose-signalisatie en immuniteit van de plant betrokken bij herkenningsspecificiteit in de peulvruchten-rhizobiale interacties (aangegeven door de rode sterren). (A) Het proces van infectie en noduleontwikkeling. Een rijpe onbepaalde nodule bevat een meristeemzone (I), een infectiezone (II), een interzone (IZ), een stikstoffixerende zone (III), en een verouderde zone (IV). (B) De gastheer scheidt flavonoïden af om de expressie van het gen voor bacteriële nodulatie (nod) te induceren via de activering van NodD-eiwitten. De enzymen die door de nod-genen worden gecodeerd, leiden tot de synthese van Nod-factoren (NF) die door de Nod-factor-receptoren (NFR’s) van de gastheer worden herkend. Erkenningsspecificiteit treedt zowel op tussen Flavonoïden en NodD’s als tussen NF en NFR’s. (C) Naast NF-signalen produceren bacteriën ook extracellulaire polysacchariden (EPS) en effectoren van type III om hun infectie bij compatibele interacties te vergemakkelijken, maar deze moleculen kunnen ook immuunreacties opwekken die resistentie tegen infectie veroorzaken bij incompatibele interacties. (D) Bepaalde peulvruchten, zoals Medicago, coderen voor antimicrobiële nodulespecifieke cysteïnerijke (NCR) peptiden om hun bacteriële partners tot terminale differentiatie te brengen, wat nodig is voor stikstofbinding. Sommige rhizobiale stammen kunnen de antibacteriële activiteit van bepaalde peptide-isovormen echter niet overleven, wat leidt tot de vorming van nodules die defect zijn in stikstoffixatie.

Author Contributions

Alle vermelde auteurs hebben een substantiële, directe en intellectuele bijdrage geleverd aan het werk, en hebben het goedgekeurd voor publicatie.

Funding

Dit werk werd ondersteund door United States Department of Agriculture/National Institute of Food and Agriculture, Agriculture and Food Research Initiative Grant 2014-67013-21573, Kentucky Science and Engineering Foundation Grant 2615-RDE-015, en de Kentucky Soybean Promotion Board.

Conflict of Interest Statement

De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd in de afwezigheid van commerciële of financiële relaties die kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.

Aslam, S. N., Newman, M. A., Erbs, G., Morrissey, K. L., Chinchilla, D., Boller, T., et al. (2008). Bacteriële polysacchariden onderdrukken geïnduceerde aangeboren immuniteit door calcium chelatie. Curr. Biol. 18, 1078-1083. doi: 10.1016/j.cub.2008.06.061