Grenser I Mikrobiologi

Vertsspesifikk Interaksjon mellom Rhizobium Og Plantepartnere

bakteriene som danner nitrogenfikserende symbiose med legume planter som tilhører ulike grupper av α-og β – proteobakterier kalles kollektivt rhizobia (Chen et al., 2003; MacLean et al., 2007). Mange α-proteobakterier er engasjert i langsiktige interaksjoner med høyere eukaryoter. Disse interaksjonene spenner fra overflatekolonisering gjennom fakultative symbiotiske forhold for å forplikte intracellulært patogen eller endosymbiont livsstil. De symbiotiske gener som kreves for noduleformasjon, vertscelleinfeksjon og nitrogenfiksering, er oppnådd ved lateral genoverføring som er den primære kilden til genetisk mangfold av rhizobia. Derfor kan rhizobia være nærmere relatert til patogener (Som Agrobacterium eller Brucella) enn til hverandre. Rhizobia har en tendens til å ha store genomer (opptil 10.5 Mbp) som i raskt voksende rhizobia er spredt på flere replikoner (MacLean et al., 2007). For eksempel Har Sinorhizobium meliloti, endosymbiont Av Medicago-arter, et tri-delt genom; et 3,65 Mbp kromosom og to megaplasmider, pSymA og pSymB (1,35 og 1,68 Mbp) som begge er uunnværlige og bærer flertallet av symbiotiske gener. Imidlertid inneholder Mange S. meliloti-stammer ytterligere ekstra mellomstore plasmider, og Dermed Kan s. meliloti-genomet inneholde opptil 9000 gener (Barnett et al., 2001; Capela et al., 2001). I motsetning til rhizobia har obligatoriske endosymbionter av insekter vanligvis et sterkt redusert (160-450 Kbp) genom som sikrer deres multiplikasjon og koder for noen få spesifikke biosyntetiske veier, inkludert de som tilfredsstiller vertens behov (Moran et al., 2008; Pris et al., 2011). Disse utrolig reduserte genomene forsterkes likevel kompensere det reduserte genomet med et polyploid DNA-innhold.

rhizobias plantepartnere tilhører Leguminosae / Fabaceae-familien. Nitrogenfikserende symbiose har utviklet seg i flere linjer, men ikke alle belgfrukter danner symbiose. Hittil er 12.000 nodulerte legume arter kjent, og hver har sin Egen Rhizobium partner (er). Symbiosen utløses av nitrogen sult av vertsplanten som må velge Sin Rhizobium partner fra milliarder bakterier i rhizosfæren. Dette oppnås ved sekresjon av flavonoid signalmolekyler fra roten som fungerer som kjemo-tiltrekkende midler, men viktigst som induktorer av Rhizobium nodulasjonsgener (Oldroyd, 2013). Disse genene er nødvendige for produksjon av bakterielle signalmolekyler; Nod-faktorene (NFs) som utløser noduleutviklingsprogrammet i vertsanlegget (Walker Og Downie, 2000). NFs er lipochitoligosakkaridmolekyler som bærer vertsspesifikke substitusjoner på de terminale sukkerrester og karakteristiske lipidkjeder, som gjenkjennes Av LysM-type vertsreseptorer og kreves både for noduleutvikling og bakteriell infeksjon. Interessant, den gamle symbiose av landplanter med arbuscular mycorrhizal (AM) sopp opererer med lignende lipochitoligosaccharide signal molekyler, Myc faktorer som oppfattes av lignende, men forskjellige lysm-type reseptorer Som NFs (Abdel-Lateif et al .(2012; Oldroyd, 2013). Myc-faktorene og NFs aktiverer en felles signalvei, men etter involvering av de vanlige symbiotiske gener konservert i planter, avviker veiene; en som fører til nodulasjon, den andre FOR am symbiose.

Planteinfeksjon og noduleformasjon er intrikate prosesser; Nod faktorer spiller forskjellige roller i nodule organogenesis og root hår infeksjon. Videre, foruten Nikk faktorer, ulike bakterielle overflate polysakkarider er avgjørende for effektiv infeksjon (Fraysse et al., 2003). I de fleste belgfrukter kommer rhizobia inn i verten via rothårene der ved invaginering av plasmamembranen dannes en infeksjonstråd (DEN) som inneholder multipliserende bakterier og vokser mot rotkortexen. En mindre hyppig og gammel infeksjonsmodus oppstår via sprekker på rotoverflaten av visse belgfrukter.

Determinate Og Ubestemte Nodule Utvikling

Nodule utvikling krever mitotisk reaktivering av kortikale celler som fører til nodule primordium dannelse som deretter skiller i nitrogen-feste rot knuter gir mikroaerob tilstand i den sentrale sonen for funksjon av oksygen sensitive nitrogenase enzymet i bacteroids. Avhengig av forbigående og vedvarende natur vertscelleproliferasjon, kan nodulene være enten determinate eller ubestemt type (Terpolilli et al., 2012; Kristian et al., 2013). Determinate knuter har ingen meristem og inneholder homogen populasjon av symbiotiske celler. Determinate knuter utvikler for eksempel På Phaseolus vulgaris og Lotus japonicus røtter.

Tvert imot opprettholdes den aktive celledeling i de ubestemte nodulene. En nodule meristem er tilstede i apikalområdet (sone I) som ved konstant generering av nye celler provoserer kontinuerlig vekst og langstrakt noduleform. Cellene som forlater meristemet, deler seg ikke lenger og går inn i en differensieringsfase. Smittetråden frigjør bakteriene i de submeristematiske cellene, som gradvis differensierer seg langs de 12-15 cellelagene i infeksjonssonen (sone II), noe som fører til utvikling av nitrogenfikserende symbiotiske celler I nodule zone III (Figur 1; Franssen et al ., 1992). Medicago sativa, m. truncatula, Vicia sativa og Pisum sativum er eksempler på planter som danner ubestemte knuter.

Vekst Av Symbiotiske Celler Involverer Forsterkning Av Vertsgenomet ved Endoredupliseringssykluser

Ekstrem plantecelleforstørrelse kan observeres i både determinate og ubestemte knuter. Cytoplasma av en nitrogen-fikserende symbiotisk celle er vert for ca 50.000 bakterier. For å imøtekomme et så høyt antall endosymbionter vokser vertscellene. I m. truncatula nodules er volumet av nitrogenfikseringscellene 80 ganger større enn for de diploide meristematiske cellene. Veksten av infiserte celler skjer trinnvis i sone II OG er konsekvensen av gjentatt endoreduplikasjon (ER) av genomet uten mitose. I sone II er cellesyklusmaskineriet fortsatt aktivt, men mangelen på mitotiske sykliner hemmer mitose og forvandler de mitotiske syklusene til endoreduplikasjonssykluser (Cebolla et al., 1999). Dette oppnås ved cellesyklusbryteren CCS52A protein som ved ødeleggelsen av de mitotiske sykliner induserer gjentatte runder av genom duplisering som fører til dannelsen av gradvis voksende polyploide celler (Roudier et al.( 2003; Kondorosi og Kondorosi, 2004). I Medicago-arter kan ploidinivåene nå 64C som representerer 64 ganger høyere DNA-innhold sammenlignet med haploide celler (C tilsvarer haploid DNA-innholdet; Vinardell et al., 2003). Ned-regulering AV CCS52A I m. truncatula hadde ingen effekt på primordium dannelse, men var skadelig for nodule differensiering indikerer AT er sykluser og dannelse av store svært polyploide celler er avgjørende for nodule funksjon (Vinardell et al., 2003). Interessant nok er kortikale celler som inneholder am-sopp også polyploide, så vel som nematodeforende gigantiske rotceller (Favery et al., 2002; Genre et al., 2008). På samme måte er insektsymbiotiske celler, bakteriocyttene som har intracellulære endosymbionter, også store og polyploide (Nakabachi et al., 2010). I angiosperm-planter er polyploidi hyppig, og det spesifikke arvelige mønsteret av polyploidi i forskjellige organer, vev og celletyper tyder på at det kan være en viktig kilde til vertscellens spesialiserte fysiologi (Nagl, 1976; Edgar et al ., 2014). Foruten cellevekst, kan flere genkopier, mangel på kromosomkondensasjon bidra til høyere transkripsjonelle og metabolske aktiviteter. Imidlertid antyder forening av polyploidi med forskjellige cellefunksjoner en innvirkning av polyploidi også på arkitekturen av nukleosomer og på epigenomet som styrer aktivering eller undertrykkelse av bestemte genomiske regioner. Følgelig synes polyploid genominnholdet i symbiotiske celler å være en forutsetning for noduledifferensiering og for ekspresjon av de fleste symbiotiske vertsgener (Maunoury et al., 2010).

Forskjellige Skjebner Av Nitrogenfikserende Bakterier

bakteriene frigjort FRA IT er tilstede i vertscytoplasma som organelllignende strukturer, kalt symbiosomer. Bakteriene har ingen direkte kontakt med cytoplasma da de er omgitt av en peribacteroid membran, også kjent som symbiosom membran (sm). Bakteroid, SM og mellomrommet mellom dem utgjør symbiosomet (Catalano Et al., 2004). SM under dannelsen reflekterer sin plasmamembran opprinnelse, senere modifikasjoner av sin sammensetning åpne nye, spesialiserte roller på host-endosymbiont grensesnitt(Limpens et al., 2009; Ivanov et al., 2012; Brear et al., 2013; Sinharoy et al., 2013). Bacteroids multiplisere i voksende vert nodule celler til en viss celle tetthet, tilpasse seg endosymbiotic livsstil og mikroaerobic forhold og modne til nitrogen-fikse bacteroids. Formen og fysiologien til bakterier kan imidlertid være slående forskjellig i de forskjellige belgfrukter. I visse legume verter, nitrogen-feste bacteroids har samme morfologi som dyrkede celler; denne typen bacteroids kan gå tilbake til fritt levende form. I andre foreninger blir bakteriene irreversibelt omdannet til polyploide, forstørrede, ikke-dyrkbare endosymbionter. Disse terminalt differensierte bakteroider kan være langstrakte og til og med forgrenede og 5 – til 10-ganger lengre enn de frie levende cellene eller kan være sfæriske fra 8 til minst 20-ganger forsterket genom avhengig av verten (Mergaert et al ., 2006; Jørgen et al., 2010). Terminal differensiering av bacteroids er vert kontrollert, utviklet seg i flere grener Av Leguminosae familien indikerer vert fordel og sannsynligvis høyere symbiotisk ytelse (Oono et al ., 2010). Terminal bacteroid differensiering er den beste belyst I S. meliloti – m. truncatula symbiosen. I M. Truncatula nodules, de mest synlige hendelsene i terminal bacteroid differensiering forekommer i sone II. Multiplikasjon av bacteroids stopper i midten av sone II hvor celle forlengelse og uniform forsterkning av flere replikene ved endoreduplication sykluser begynne. Langs 2-3 cellelag ved grensen til sone II OG III (kalt interzone) er plutselig vekst av bakterier synlig og når praktisk talt sin endelige størrelse, men nitrogenfiksering finner sted bare i sone III.

Vertspeptider Styrer Bakterioiddifferensiering

Sammenligning av nodule transkriptomer av belgfrukter med reversibel og irreversibel bakterioiddifferensiering avslørte eksistensen av flere hundre små gener som bare var tilstede i genomet til de vertsplantene hvor bakterioiddifferensiering var terminal. I m. truncatula nodule cellene produsere minst 600 nodule-spesifikke symbiotiske peptider (symPEPs). SymPEP-genene aktiveres bare I s. meliloti-infiserte polyploide symbiotiske celler (Kevei et al., 2002; Mergaert et al., 2003), men visse sett på tidligere, andre i de senere stadier av nodule utvikling. En stor del, mer enn 500 gener kode nodule-spesifikke cystein-rik (NCR) peptider (Mergaert et al., 2003; Alunni et al., 2007; Nallu et al., 2014). NCR peptider er rettet mot bacteroids og når deres levering til endosymbionts ble blokkert, bacteroid differensiering ble avskaffet viser at peptidene er ansvarlig for terminal differensiering Av s. meliloti bacteroids (Van De Velde et al., 2010). Den høye sekvensvariasjonen og DE karakteristiske uttrykksmønstrene TIL NCR-gener tyder på mangfold i deres funksjoner, virkningsmåter og bakterielle mål på forskjellige stadier av bakterioid modning (Figur 2). Men hvorfor produserer vertscellen et arsenal Av NCRs? Hva kan være fordelen med et så variert peptidrepertoar? Er det nødvendig for samspill av verten med ulike bakterier? De symbiotiske partnerne Til m. truncatula er S. meliloti og S. medicae, men i jorda er det utallige stammevarianter av begge arter. M. truncatula er også representert av mange forskjellige økotyper og tiltredelser som varierer i antall, sekvenser og uttrykksprofil AV NCR-gener og i deres symbiotiske interaksjoner med forskjellige S. meliloti og S. medicae-stammer (Nallu et al., 2014; Roux et al., 2014). Mens en knute inneholder en enkelt bakterietype, kan de forskjellige nodulene på samme rotsystem ha forskjellige bakteriepopulasjoner. Det er mulig at planten som gjenkjenner de forskjellige endosymbiontene manipulerer dem med et stamme-spesifikt repertoar av peptider. Disse forskjellene kan legge til et ekstra kontrollnivå for verts-symbiont-spesifisitet og dermed for nodulasjonseffektivitet.