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

Introduction
Specificity Mediated by Flavonoids and the Flavonoid-NodD Recognition
Specificity Mediated by Nod-Factor Perception
Specificity Mediated by Perception of Rhizobial Exopolysaccharides
Specificity Mediated by Host Innate Immunity
Swoistość w wiązaniu azotu
Wnioski i perspektywy na przyszłość
Wkład autorów
Funding
Oświadczenie o konflikcie interesów

Introduction

Symbioza legumina-rhizobium rozpoczyna się od wymiany sygnału pomiędzy rośliną gospodarza a jego mikrosymbiontem (Oldroyd, 2013). Rozpoznanie kompatybilnych bakterii przez gospodarza indukuje podziały komórek korowych w celu utworzenia primordiów guzków korzeniowych, a jednocześnie inicjuje proces infekcji w celu dostarczenia bakterii do komórek guzków. Zakażenie większości roślin strączkowych polega na wytworzeniu przez rośliny nici infekcyjnych, które rozpoczynają się we włośnikach korzeniowych. Nici infekcyjne zawierające dzielące się bakterie przechodzą przez warstwę komórek epidermy do komórek guzków, gdzie bakterie są uwalniane i internalizowane w procesie podobnym do endocytozy. W komórkach guzków pojedyncze bakterie są otoczone błoną pochodzenia roślinnego, tworząc organelle zwane symbiosomami, w których bakterie dalej różnicują się w wiążące azot bakteroidy (Jones i in., 2007; Oldroyd i in., 2011).

Rozwój guzków symbiotycznych obejmuje synchroniczne różnicowanie się zarówno komórek guzków, jak i komórek bakteryjnych. Guzki roślin strączkowych można podzielić na dwa główne typy: nieokreślone (np. groch, koniczyna, Medicago) i określone (np. soja, fasola zwyczajna, Lotus) (Nap i Bisseling, 1990; Hirsch, 1992). Guzki nieokreślone powstają w wyniku podziałów komórkowych w korze wewnętrznej i posiadają przetrwały merystem wierzchołkowy. W konsekwencji guzki nieokreślone mają cylindryczny kształt, z gradientem rozwojowym od wierzchołka do podstawy guzka, który można podzielić na różne strefy guzka (Nap i Bisseling, 1990). W przeciwieństwie do nich, guzki zdeterminowane powstają w wyniku podziałów komórkowych w środkowej/zewnętrznej korze korzenia, nie posiadają trwałego merystemu i mają kulisty kształt. Podziały komórkowe guzka determinatywnego ustają we wczesnych fazach rozwoju, a dojrzały guzek rozwija się poprzez powiększanie komórek; w związku z tym zainfekowane komórki rozwijają się mniej więcej synchronicznie z fazą wiązania azotu. W obu typach guzków symbiotyczne komórki guzków ulegają endoreduplikacji genomu, co prowadzi do poliploidyzacji i powiększenia komórek. Równolegle z rozwojem komórek guzków następuje różnicowanie bakteroidów wiążących azot. W zależności od gospodarza, ale niezależnie od typu guzka, takie różnicowanie bakterii może być terminalne lub odwracalne. Różnicowanie terminalne charakteryzuje się endoreduplikacją genomu, wydłużaniem komórek, zwiększoną przepuszczalnością błon i utratą zdolności reprodukcyjnych, podczas gdy w różnicowaniu odwracalnym bakteroidy zachowują wielkość komórek i zawartość DNA podobną do bakterii wolno żyjących (Kereszt i in., 2011; Oldroyd i in., 2011; Haag i in., 2013). W porównaniu z bakteriami wolno żyjącymi, bakteroidy wykazują dramatyczne zmiany w transkryptomie, strukturze powierzchni komórkowej i aktywności metabolicznej, dzięki czemu stają się lepiej przystosowane do środowiska wewnątrzkomórkowego i dedykowane do wiązania azotu (Mergaert i in., 2006; Prell i Poole, 2006; Haag i in., 2013).

Zarówno rośliny strączkowe, jak i bakterie ryzobialne są zróżnicowane filogenetycznie. Żaden pojedynczy szczep rizobialny nie może tworzyć symbiozy ze wszystkimi roślinami strączkowymi i odwrotnie. Specyficzność występuje zarówno na poziomie gatunkowym, jak i genotypowym (Broughton i in., 2000; Perret i in., 2000; Wang i in., 2012). Może to mieć miejsce na wczesnych etapach interakcji, tak że te same szczepy bakterii mogą infekować i nodulować jedną roślinę żywicielską, ale nie inną (Yang i in., 2010; Wang i in., 2012; Tang i in., 2016; Fan i in., 2017). Niekompatybilność często występuje również na późniejszych etapach rozwoju guzków, przez co efektywność wiązania azotu różni się znacząco pomiędzy różnymi kombinacjami roślina-bakteria (Wang i in., 2012, 2017, 2018; Yang i in., 2017). Specyficzność symbiotyczna wynika ze zmiany sygnałów zarówno ze strony gospodarza, jak i bakterii; w związku z tym w procesie koadaptacji wyewoluowały różne mechanizmy rozpoznawania. Wiedza na temat genetycznych i molekularnych podstaw specyficzności symbiotycznej jest ważna dla rozwoju narzędzi do manipulacji genetycznej gospodarza lub bakterii w celu zwiększenia wydajności wiązania azotu. W tym przeglądzie omówimy nasze obecne rozumienie ewolucji specyficzności w symbiozie guzków korzeniowych.

Specificity Mediated by Flavonoids and the Flavonoid-NodD Recognition

W warunkach ograniczenia azotu, korzenie roślin strączkowych wydzielają do ryzosfery koktajl związków flawonoidowych, Służą one do aktywacji ekspresji grupy bakteryjnych genów nodulacji (nod), co prowadzi do syntezy czynnika Nod, lipochitooligosacharydowego sygnału, który jest niezbędny do zainicjowania rozwoju symbiotycznego u większości roślin strączkowych (Oldroyd i in., 2011). W indukcji ekspresji genów Nod pośredniczą aktywowane przez flawonoidy białka NodD, które są regulatorami transkrypcji typu LysR (Long, 1996). Białka NodD aktywują ekspresję genów guzków poprzez wiązanie się z konserwowanymi motywami DNA (nod box) na początku operonów guzków (Rostas i in., 1986; Fisher i in., 1988).

Białka NodD pochodzące z różnych rizobiów są przystosowane do rozpoznawania różnych flawonoidów wydzielanych przez różne rośliny strączkowe, a ta specyficzność rozpoznawania definiuje wczesny punkt kontrolny symbiozy (Peck i in., 2006). Pomimo braku bezpośrednich dowodów na fizyczną interakcję pomiędzy tymi dwoma cząsteczkami, wykazano, że flawonoidy są w stanie stymulować wiązanie NodD do promotorów genów nod w Sinorhizobium meliloti (Peck i in., 2006). Dobrze udokumentowano, że międzyodmianowa wymiana genów nodD może zmienić odpowiedź szczepu biorcy na inny zestaw induktorów flawonoidowych, a tym samym zakres gospodarza (Horváth i in., 1987; Perret i in., 2000). Na przykład, transfer nodD1 z symbionta Rhizobium sp. NGR234 do szczepu o ograniczonym zasięgu Rhizobium leguminosarum biovar trifolii ANU843 umożliwił szczepowi-biorcy nodulację nie-rośliny Parasponia, ponieważ białko NodD1 o szerokim zasięgu jest zdolne do rozpoznawania szerszego spektrum induktorów flawonoidowych (Bender i in…, 1988).

Dowody na znaczenie flawonoidów w określaniu zasięgu gospodarza pochodzą głównie z genetyki bakterii, a geny roślinne są mniej zbadane. Ponieważ korzenie roślin strączkowych wydzielają złożoną mieszaninę związków flawonoidowych, trudno jest wskazać, które flawonoidy odgrywają bardziej krytyczną rolę oraz kiedy i gdzie są one wytwarzane. Ostatnie badania przeprowadzone na soi i Medicago truncatula zwróciły uwagę na kluczowe flawonoidy wymagane do infekcji rizobiów (przegląd w Liu i Murray, 2016). Te tak zwane „flawonoidy infekcyjne” są silnymi induktorami genów nod, wydzielane przez korzenie, w wysokim stopniu akumulowane w miejscach infekcji i wykazują zwiększoną biosyntezę w odpowiedzi na infekcję przez kompatybilne rizobia. Chociaż luteolina była pierwszym zidentyfikowanym flawonoidem, który może indukować ekspresję genów guzowatości w szerokim zakresie szczepów rizobiów, nie jest ona specyficzna dla roślin strączkowych, produkowana jest głównie w kiełkujących nasionach i nie została wykryta w wysiękach korzeniowych lub guzkach. Z kolei metoksychalkon wykazano, że jest jednym z silnych sygnałów infekcji gospodarza u Medicago i blisko spokrewnionych roślin strączkowych, które tworzą guzki nieokreślone, podczas gdy genisteina i daidzeina są kluczowymi sygnałami u soi, która tworzy guzki określone. Część związków flawonoidowych może również funkcjonować jako fitoaleksyny, działając w celu wzmocnienia specyficzności symbiozy (Liu i Murray, 2016). Na przykład Bradyrhizobium japonicum i Mesorhizobium loti, ale nie symbiont Medicago S. meliloti, są wrażliwe na izoflawonoid medicarpinę produkowaną przez Medicago spp. (Pankhurst i Biggs, 1980; Breakspear i in., 2014), a symbionty soi B. japonicum i S. fredii są odporne na glicerolinę pod wpływem genisteiny i daidzeiny (Parniske i in., 1991).

Specificity Mediated by Nod-Factor Perception

Faktory Nod produkowane przez rizobia są istotnym komponentem sygnalizacyjnym dla rozwoju symbiozy u większości roślin strączkowych. Czynniki Nod są lipochito-oligosacharydami, składającymi się z czterech lub pięciu 1,4 połączonych reszt N-acetylo-glukozaminy, które posiadają łańcuch acylowy o różnej długości dołączony do pozycji C-2 końca nieredukującego oraz różne specyficzne dla danego gatunku dekoracje chemiczne na obu końcach redukujących i nieredukujących (Dénarié i in., 1996). Wspólne geny nodABC biorą udział w syntezie szkieletu chitynowego, podczas gdy inne specyficzne dla danego szczepu geny nod modyfikują szkielet poprzez zmianę rozmiaru i nasycenia łańcucha acylowego lub dodanie do końcowych jednostek cukrowych grup acetylowych, metylowych, karbamoilowych, sulfurylowych lub glikozylowych. Różnice strukturalne czynników Nod są kluczową determinantą zasięgu gospodarza, ponieważ te czynniki Nod muszą być rozpoznane przez gospodarza w celu zainicjowania infekcji i nodulacji (Perret i in., 2000; D’Haeze i Holsters, 2002).

Faktory Nod są odbierane przez receptory czynników Nod (np. NFR1 i NFR5 w Lotus japonicus), które są kinazami receptorowymi zawierającymi domenę LysM (Limpens i in., 2003; Madsen i in., 2003; Radutoiu i in., 2003). Bezpośrednie wiązanie się czynników Nod z zewnątrzkomórkowymi domenami LysM kompleksu receptorowego prowadzi do aktywacji szlaków sygnałowych downstream nodulacji (Broghammer i in., 2012). Powszechnie uważa się, że specyficzność wiązania czynników Nod jest krytyczna dla rozpoznawania potencjalnych partnerów symbiotycznych. Hipoteza ta jest silnie wspierana przez dowody genetyczne, nawet jeśli taka specyficzność wiązania nie została wykazana. Najlepsze przykłady pochodzą z symbiozy groch-R. leguminosarum, gdzie mutacje genów bakteryjnych prowadzących do zmiany składu lub struktury czynnika Nod wykazywały nodulację specyficzną dla danego genotypu (Firmin et al., 1993; Bloemberg et al., 1995). Ta zmiana zasięgu gospodarza odpowiada zmienności allelicznej w locus Sym2/Sym37/PsK1, ortologicznym regionie NFR1, który zawiera klaster kinaz receptora LysM (Zhukov i in., 2008; Li i in., 2011). W tym przypadku zmienność alleliczna w połączeniu z duplikacją genów i dywersyfikacją przyczynia się do zmian w kompatybilności symbiotycznej.

Rozpoznawanie czynników węzłowych prawdopodobnie odgrywa bardziej krytyczną rolę w określaniu zasięgu gospodarza na poziomie gatunkowym, co zostało najlepiej zilustrowane po stronie bakterii. Jednakże, naturalne polimorfizmy w receptorach czynnika Nod, które są odpowiedzialne za specyficzność nodulacji pomiędzy różnymi roślinami strączkowymi, nie zostały dobrze zbadane na poziomie genetycznym, po prostu dlatego, że rośliny nie mogą być krzyżowane. Niemniej jednak, przeniesienie NFR1 i NFR5 z L. japonicus do M. truncatula umożliwia nodulację transformantów przez symbionta L. japonicus – Mesorhizobium loti (Radutoiu i in., 2007).

Specificity Mediated by Perception of Rhizobial Exopolysaccharides

Oprócz czynników Nod, polisacharydy powierzchniowe ryzobiów, takie jak egzopolisacharydy (EPS), lipopolisacharydy (LPS) i polisacharydy kapsulowe (KPS) są również uważane za ważne dla ustanowienia relacji symbiotycznych (Fraysse i in., 2003; Becker et al., 2005; Jones et al., 2007; Gibson et al., 2008). Proponuje się, że te składniki powierzchniowe mogą tłumić obronę roślin, ale ich aktywna rola w promowaniu infekcji bakteryjnej i nodulacji pozostaje nieuchwytna i zależy od badanych specyficznych interakcji.

Wykazano, że egzopolisacharydy są wymagane do infekcji rizobiów w wielu interakcjach symbiotycznych. Najlepiej ilustruje to symbioza Sinorhizobium-Medicago, w której sukcynoglikan, główny EPS produkowany przez S. meliloti, jest wymagany do inicjacji i wydłużania nici infekcyjnych, a zwiększona produkcja sukcynoglikanu zwiększa zdolność do nodulacji (Leigh i in., 1985; Reinhold i in., 1994; Cheng i Walker, 1998; Jones, 2012). Jednakże symbiotyczna rola EPS jest bardzo skomplikowana w interakcji Mesorhizobium-Lotus (Kelly i in., 2013). Na przykład, podzbiór mutantów EPS M. loti R7A wykazywał poważne braki w nodulacji na L. japonicus i L. corniculatus, podczas gdy inne mutanty tworzyły efektywne guzki (Kelly i in., 2013). W szczególności, mutanty R7A z niedoborem produkcji kwaśnego oktasacharydowego EPS były zdolne do normalnej nodulacji L. japonicus, podczas gdy mutanty exoU produkujące okrojony pentasacharydowy EPS nie zdołały najechać gospodarza. Zaproponowano, że EPS o pełnej długości służy jako sygnał dla zgodnych gospodarzy, aby modulować reakcje obronne roślin i umożliwić infekcję bakteryjną, a mutanty R7A, które nie wytwarzają EPS, mogą unikać lub tłumić system nadzoru roślin i dlatego zachowują zdolność do tworzenia guzków. W przeciwieństwie do nich, szczepy wytwarzające zmodyfikowane lub okrojone EPS uruchamiają reakcje obronne roślin, co skutkuje zablokowaniem infekcji (Kelly i in., 2013).

Produkcja EPS jest powszechna u bakterii ryzobialnych, a skład EPS wytwarzanych przez różne gatunki jest bardzo zróżnicowany (Skorupska i in., 2006). Kilka badań sugerowało udział struktur EPS w określaniu specyficzności infekcyjnej (Hotter i Scott, 1991; Kannenberg i in., 1992; Parniske i in., 1994; Kelly i in., 2013). Ostatnio u L. japonicus zidentyfikowano receptor EPS (EPR3), który jest zlokalizowanym na powierzchni komórki białkiem zawierającym trzy zewnątrzkomórkowe domeny LysM oraz wewnątrzkomórkową domenę kinazową (Kawaharada i in., 2015). EPR3 wiąże EPS ryzobiów w sposób strukturalnie specyficzny. Co ciekawe, ekspresja genu Epr3 jest zależna od sygnalizacji czynnika Nod, co sugeruje, że wejście bakterii do gospodarza jest kontrolowane przez dwa kolejne etapy pośredniczonego przez receptor rozpoznawania sygnałów czynnika Nod i EPS (Kawaharada i in., 2015, 2017). Interakcja receptor-ligand wspiera tezę, że rozpoznawanie EPS odgrywa rolę w regulacji specyficzności symbiozy. Jednakże, naturalne zróżnicowanie specyficzności w zakresie gospodarza, które wynika ze specyficznego rozpoznawania pomiędzy receptorami gospodarza i specyficznymi dla szczepu EPS, nie zostało wykazane w żadnych interakcjach legumina-rhizobium. Warto zauważyć, że kwaśne EPS patogenów bakteryjnych także sprzyjają infekcjom powodującym choroby roślin (Newman i in., 1994; Yu i in., 1999; Aslam i in., 2008; Beattie, 2011). Tak więc, EPS ryzobiów mogą być również rozpoznawane przez receptory immunologiczne gospodarza w celu wywołania reakcji obronnych, które negatywnie regulują rozwój symbiozy.

Specificity Mediated by Host Innate Immunity

Bakterie symbiotyczne i patogenne często wytwarzają podobne cząsteczki sygnalizacyjne w celu ułatwienia ich inwazji na gospodarza (Deakin i Broughton, 2009). Cząsteczki te obejmują konserwowane wzorce molekularne związane z mikroorganizmami (MAMPs) oraz wydzielane efektory (D’Haeze i Holsters, 2004; Fauvart i Michiels, 2008; Deakin i Broughton, 2009; Soto i in., 2009; Downie, 2010; Wang i in., 2012; Okazaki i in., 2013). Gospodarz wykształcił mechanizmy rozpoznawania, aby rozróżniać patogeny i symbionty oraz różnie na nie reagować (Bozsoki i in., 2017; Zipfel i Oldroyd, 2017). Jednak rozróżnienie to nie zawsze jest skuteczne; w rezultacie, specyficzność rozpoznawania często występuje zarówno w interakcjach patogenicznych, jak i symbiotycznych. W interakcji roślina strączkowa – ryzobium, odporność roślin stymulowana przez efektor lub MAMP, mediowana przez receptory gospodarza, również odgrywa ważną rolę w regulacji zasięgu ryzobiów (Yang i in., 2010; Wang i in., 2012; Faruque i in., 2015; Kawaharada i in., 2015; Tang i in., 2016).

W soi sklonowano kilka genów dominujących (np. Rj2, Rfg1 i Rj4), które ograniczają nodulację przez określone szczepy ryzobiów (Yang i in., 2010; Tang i in., 2016; Fan i in., 2017). W tych przypadkach ograniczenie nodulacji jest kontrolowane w podobny sposób jak odporność „gen za gen” przeciwko patogenom roślinnym. Rj2 i Rfg1 to geny alleliczne, które kodują typowe białko odpornościowe TIR-NBS-LRR nadające odporność na wiele szczepów B. japonicum i Sinorhizobium fredii (Yang i in., 2010; Fan i in., 2017). Rj4 koduje białko związane z obroną podobne do thaumatyny, które ogranicza nodulację przez specyficzne szczepy B. elkanii (Tang i in., 2016). Funkcja tych genów jest zależna od bakteryjnego systemu sekrecyjnego typu III i wydzielanych przez niego efektorów (Krishnan i in., 2003; Okazaki i in., 2009; Yang i in., 2010; Tsukui i in., 2013; Tsurumaru i in., 2015; Tang i in., 2016; Yasuda i in., 2016). Badania te wskazują na istotną rolę odporności wyzwalanej przez efektor w regulacji specyficzności nodulacji u soi. Jak omówiono wcześniej, ryzobialne czynniki Nod i polisacharydy powierzchniowe mogą odgrywać rolę w supresji odpowiedzi obronnych (Shaw i Long, 2003; D’Haeze i Holsters, 2004; Tellström i in., 2007; Jones i in., 2008; Liang i in., 2013; Cao i in., 2017), ale te zdarzenia sygnalizacyjne najwyraźniej nie są wystarczająco silne, aby uniknąć odporności wywołanej przez efektor w niezgodnych interakcjach.

Wiele bakterii ryzobialnych wykorzystuje system sekrecyjny typu III do dostarczania efektorów do komórek gospodarza w celu promowania infekcji, a w niektórych sytuacjach dostarczony efektor(y) jest wymagany do nodulacji niezależnej od czynnika Nod, jak wykazano w symbiozie soi z B. elkanii (Deakin i Broughton, 2009; Okazaki i in., 2013, 2016). Z drugiej jednak strony, rozpoznanie efektorów przez geny odporności gospodarza wyzwala reakcje immunologiczne ograniczające infekcję ryzobiów. Geny oporności na nodulację występują często w naturalnych populacjach, co rodzi pytanie, dlaczego gospodarz ewoluuje i utrzymuje tak pozornie niekorzystne allele. Może to być spowodowane selekcją równoważącą, ponieważ te same allele mogą również przyczyniać się do odporności na patogeny, biorąc pod uwagę, że niektóre rizobialne czynniki efektorowe są homologiczne do tych wydzielanych przez patogeny bakteryjne (Dai i in., 2008; Kambara i in., 2009). Alternatywnie, rośliny strączkowe mogą wykorzystywać geny R do wykluczania nodulacji z mniej wydajnymi szczepami wiążącymi azot i selektywnie współdziałać ze szczepami o wysokiej wydajności wiązania azotu, co ma miejsce w przypadku allelu Rj4 soi.

U M. truncatula zidentyfikowano również pojedyncze dominujące locus, nazwane NS1, które ogranicza nodulację przez S. meliloti szczep Rm41 (Liu i in., 2014). W przeciwieństwie do specyficzności gospodarza kontrolowanej genem R u soi, która zależy od bakteryjnego systemu sekrecji typu III, u szczepu Rm41 brak jest genów kodujących taki system. Interesujące będzie ustalenie, jaki gen(y) gospodarza kontroluje(ją) tę specyficzność i jakie sygnały bakteryjne są w nią zaangażowane.

Swoistość w wiązaniu azotu

Swoistość symbiotyczna nie ogranicza się do wczesnych etapów rozpoznawania; niekompatybilne kombinacje gospodarz-szczep może prowadzić do tworzenia guzków, które są wadliwe w wiązaniu azotu (Fix-). Na przykład, badania przesiewowe głównej kolekcji odmian Medicago z wykorzystaniem wielu szczepów S. meliloti wykazały, że ∼40% kombinacji roślin i szczepów wytworzyło guzki, ale nie wiązało azotu (Liu i in., 2014). Fenotyp Fix- nie wynikał z braku infekcji, ale był spowodowany degradacją bakteroidów po zróżnicowaniu (Yang i in., 2017; Wang i in., 2017, 2018).

Host genetyczna kontrola specyficzności wiązania azotu jest bardzo skomplikowana w symbiozie Medicago-Sinorhizobium, obejmując wiele powiązanych loci ze złożonymi interakcjami epistatycznymi i allelicznymi. Wykorzystując szczątkowe linie heterozygotyczne zidentyfikowane z rekombinacyjnej populacji linii wsobnej, Zhu i współpracownicy byli w stanie sklonować dwa z podstawowych genów, mianowicie NFS1 i NFS2, które regulują specyficzne dla szczepu wiązanie azotu dotyczące szczepów S. meliloti Rm41 i A145 (Wang i in., 2017, 2018; Yang i in., 2017). NFS1 i NFS2 oba kodują specyficzne dla guzków peptydy bogate w cysteinę (NCR) (Mergaert i in., 2003). Peptydy NFS1 i NFS2 prowokują śmierć komórek bakteryjnych i wczesną senescencję guzków w sposób specyficzny dla alleli i szczepów rizobiów, a ich działanie jest zależne od tła genetycznego gospodarza. Wcześniej wykazano, że NCRs są pozytywnymi regulatorami rozwoju symbiotycznego, niezbędnymi do terminalnego różnicowania bakterii i utrzymania przeżywalności bakterii w komórkach guzków (Van de Velde i in., 2010; Wang i in., 2010; Horváth i in., 2015; Kim i in., 2015). Odkrycie NFS1 i NFS2 ujawniło negatywną rolę, jaką NCR odgrywają w regulacji trwałości symbiotycznej i wykazało, że NCR są determinantami gospodarza w zakresie specyficzności symbiotycznej u M. truncatula i być może również u blisko spokrewnionych roślin strączkowych, które poddają swoje bakterie symbiotyczne terminalnemu różnicowaniu.

Genomy M. truncatula i blisko spokrewnionych roślin strączkowych galegoidalnych zawierają dużą liczbę genów kodujących NCR, które ulegają ekspresji wyłącznie w zainfekowanych komórkach guzków (Montiel i in., 2017). Te geny NCR, podobne do bakteryjnych efektorów typu III lub MAMP, mogą odgrywać zarówno pozytywne, jak i negatywne role w rozwoju symbiotycznym, a obie role są związane z właściwościami antybakteryjnymi peptydów. Z jednej strony gospodarz wykorzystuje tę antybakteryjną strategię do promowania terminalnego różnicowania się bakteroidów w celu zwiększenia wydajności wiązania azotu (Oono i Denison, 2010; Oono i in., 2010; Van de Velde i in., 2010; Wang i in., 2010). Z drugiej strony, niektóre szczepy rizobiów nie są w stanie przetrwać antybakteryjnego działania niektórych izoform peptydowych. Podatność poszczególnych szczepów bakterii na działanie peptydów zależy od budowy genetycznej bakterii, jak również od podłoża genetycznego gospodarza. Zaproponowano, że ta adaptacja gospodarz-szczep napędza koewolucję obu symbiotycznych partnerów, prowadząc do szybkiej amplifikacji i dywersyfikacji genów NCR w galegoidalnych roślinach strączkowych (Wang i in., 2017; Yang i in., 2017).

Specyficzność zakresu gospodarza w zdolności wiązania azotu została również udokumentowana u roślin strączkowych (np. soi), gdzie bakterie ulegają odwracalnemu różnicowaniu. W soi, ten rodzaj niezgodności był związany z indukcją akumulacji fitoaleksyny i reakcją nadwrażliwości w komórkach guzków (Parniske et al., 1990). W genomie soi nie ma genów NCR, co sugeruje udział nowych mechanizmów genetycznych kontrolujących tę specyficzność. W naszym laboratorium trwają prace nad zidentyfikowaniem genów gospodarza, które są w to zaangażowane.

Wnioski i perspektywy na przyszłość

Swoistość w symbiozie strączkowo-żywicznej wynika z szeregu sygnałów wymienianych między dwoma partnerami symbiotycznymi (podsumowanych na Rysunku 1). Ostatnie badania dopiero zaczynają odkrywać podstawowe mechanizmy molekularne, które regulują tę specyficzność, a wiele trudnych pytań czeka na odpowiedź. Wykazano, że odporność wyzwalana przez efektor jest ważnym czynnikiem w określaniu zakresu żywicielskiego rizobiów w soi, ale odpowiadające jej efektory nie zostały jasno zdefiniowane. Ponadto, jakie geny kontrolują specyficzność nodulacji w interakcji Medicago-Sinorhizobium, gdzie partner bakteryjny nie posiada systemu sekrecyjnego typu III? Klonowanie i charakterystyka locus NS1 u M. truncatula (Liu i in., 2014) dostarczy nowego spojrzenia na tę kwestię. Wiemy już, że peptydy NCR regulują specyficzność wiązania azotu u Medicago i prawdopodobnie u innych blisko spokrewnionych roślin strączkowych, ale brakuje nam mechanicznego zrozumienia jak te peptydy działają. Czy peptydy pro- i antysymbiotyczne oddziałują z tymi samymi celami bakteryjnymi? W jaki sposób substytucje aminokwasowe wpływają na strukturę i funkcję peptydów? Jak regulowana jest specyficzność wiązania azotu w roślinach strączkowych nie posiadających NCR, takich jak soja, gdzie bakterie ulegają odwracalnemu różnicowaniu? To tylko kilka pytań, na które należy znaleźć odpowiedź. Odpowiedzi na te pytania z pewnością wzbogacą naszą wiedzę o tym, jak regulowana jest specyficzność i pozwolą nam wykorzystać tę wiedzę do opracowania narzędzi genetycznego doskonalenia symbiotycznego wiązania azotu u roślin strączkowych.

FIGURA 1

FIGURA 1. Sygnalizacja symbiozy i odporność roślin zaangażowana w rozpoznawanie specyficznych oddziaływań pomiędzy roślinami strączkowymi a ryzobialnymi (zaznaczone czerwonymi gwiazdkami). (A) Proces infekcji i rozwoju guzka. Dojrzały guzek nieokreślony zawiera strefę merystemu (I), strefę infekcji (II), strefę międzystrefową (IZ), strefę wiązania azotu (III) i strefę starczą (IV). (B) Gospodarz wydziela flawonoidy, które indukują ekspresję bakteryjnego genu nodulacji (nod) poprzez aktywację białek NodD. Enzymy kodowane przez geny nod prowadzą do syntezy czynników Nod (NF), które są rozpoznawane przez receptory Nod (NFR) gospodarza. Specyficzność rozpoznawania występuje zarówno pomiędzy flawonoidami i NodDs, jak i pomiędzy NF i NFRs. (C) Oprócz sygnalizacji NF, bakterie wytwarzają również polisacharydy zewnątrzkomórkowe (EPS) i efektory typu III, aby ułatwić infekcję w zgodnych interakcjach, ale cząsteczki te mogą również indukować reakcje immunologiczne powodujące odporność na infekcję w niezgodnych interakcjach. (D) Niektóre rośliny strączkowe, takie jak Medicago, kodują antybakteryjne peptydy specyficzne dla guzków, bogate w cysteinę (NCR), aby doprowadzić swoich bakteryjnych partnerów do terminalnego różnicowania, które jest wymagane do wiązania azotu. Jednak niektóre szczepy rizobiów nie mogą przetrwać antybakteryjnej aktywności pewnych izoform peptydów, co prowadzi do powstawania guzków uszkodzonych w wiązaniu azotu.

Wkład autorów

Wszyscy wymienieni autorzy wnieśli istotny, bezpośredni i intelektualny wkład w powstanie tej pracy oraz zatwierdzili ją do publikacji.

Funding

Ta praca była wspierana przez 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, oraz Kentucky Soybean Promotion Board.

Oświadczenie o konflikcie interesów

Autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych relacji, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Aslam, S. N., Newman, M. A., Erbs, G., Morrissey, K. L., Chinchilla, D., Boller, T., et al. (2008). Bacterial polysaccharides suppressed induced innate immunity by calcium chelation. Curr. Biol. 18, 1078-1083. doi: 10.1016/j.cub.2008.06.061