Fronteiras em Microbiologia

Host Específico de Interação Entre as estirpes de rizóbios e Plantas Parceiros

As bactérias que formam fixação de nitrogênio em simbiose com leguminosas plantas pertencentes a diversos grupos de α – e β-proteobacteria são coletivamente denominadas rizóbios (Chen et al., 2003; MacLean et al., 2007). Muitas α-proteobactérias estão envolvidas em interações a longo prazo com eucariotas superiores. Essas interações vão desde a colonização da superfície através de relações simbióticas facultativas para obrigar o patógeno intracelular ou estilos de vida endossimbiontes. Os genes simbióticos necessários para a formação de nódulos, infecção das células hospedeiras e fixação de nitrogênio foram adquiridos pela transferência lateral de genes, que é a principal fonte de diversidade genética de rhizobia. Portanto, a rhizobia poderia estar mais intimamente relacionada com patógenos (como Agrobacterium ou Brucella) do que uma com a outra. Rhizobia tende a ter genomas grandes (até 10.5 Mbp) que em rápido crescimento rhizobia são dispersos em múltiplas réplicas (MacLean et al., 2007). Por exemplo, Sinorhizobium meliloti, o endossimbionte da espécie Medicago, tem um genoma tripartido; um cromossomo de 3,65 Mbp e dois megaplasmídeos, pSymA e pSymB (1,35 e 1,68 Mbp), ambos são indispensáveis e carregam a maioria dos genes simbióticos. No entanto, muitas estirpes de S. meliloti contêm outros plasmídeos auxiliares de tamanho médio e, portanto, o genoma de S. meliloti pode conter até 9.000 genes (Barnett et al., 2001; Capela et al., 2001). Em contraste com rhizobia, endossimbiontes obrigatórios de insetos geralmente possuem um genoma fortemente reduzido (160-450 Kbp) que garante sua multiplicação e códigos para algumas vias biossintéticas específicas, incluindo aquelas que satisfazem a necessidade do hospedeiro (Moran et al., 2008; Price et al., 2011). Estes genomas incrivelmente reduzidos são, no entanto, amplificados compensando o genoma diminuído com um conteúdo de DNA poliplóide.

os parceiros vegetais de rhizobia pertencem à família Leguminosae / Fabaceae. A simbiose fixadora de azoto evoluiu em várias linhagens, mas nem todas as leguminosas formam simbiose. Até agora, 12.000 espécies de leguminosas noduladas são conhecidas e cada uma tem seu próprio parceiro(s) Rhizobium. A simbiose é desencadeada pela fome de nitrogênio da planta hospedeira que tem que selecionar seu parceiro de Rizóbio de bilhões de bactérias na rizosfera. Isto é conseguido pela secreção de moléculas de sinal flavonóide da raiz que agem como quimio-atrativos, mas mais importante como indutores dos genes de nodulação de Rizóbio (Oldroyd, 2013). Estes genes são necessários para a produção de moléculas de sinal bacteriano; the Nod factors (NFs) which trigger the nodule developmental program in the host plant (Walker and Downie, 2000). Os NFs são moléculas lipocitooligossacáridas que carregam substituições específicas hospedeiras nos resíduos de açúcar terminal e cadeias lipídicas características, que são reconhecidas pelos receptores hospedeiros do tipo LysM e são necessárias tanto para o desenvolvimento do nódulo e infecção bacteriana. Curiosamente, a simbiose antiga de plantas terrestres com fungos micorrízicos arbusculares (AM) opera com moléculas de sinal lipocitooligossacáridos semelhantes, os fatores Myc que são percebidos por receptores similares mas diferentes do tipo Lism como o NFs (Abdel-Lateif et al., 2012; Oldroyd, 2013). Os fatores Myc e NFs ativam uma via sinalizadora comum, mas após o envolvimento dos genes simbióticos comuns conservados em plantas, os caminhos se desviam; um levando à nodulação, o outro para a simbiose AM.a infecção vegetal e a formação de nódulos são processos intrincados.; Os fatores Nod desempenham papéis distintos na organogênese do nódulo e infecção do cabelo da raiz. Além disso, além dos fatores Nod, vários polissacáridos de superfície bacteriana são cruciais para uma infecção eficiente (Fraysse et al., 2003). Na maioria das leguminosas, a rizobia entra no hospedeiro através dos pêlos da raiz, onde por invaginação da membrana plasmática se forma um fio de infecção (IT) que contém as bactérias multiplicadoras e cresce em direção ao córtex da raiz. Um modo de infecção menos frequente e antigo ocorre através de fissuras na superfície da raiz de certas leguminosas.

desenvolvimento de nódulos determinados e indeterminados

desenvolvimento de nódulos requer reativação mitótica de células corticais levando à formação de primórdio de nódulos que então diferencia em nódulos raiz fixadores de nitrogênio fornecendo condição microaeróbica na zona central para o funcionamento da enzima nitrogenase sensível ao oxigênio nos Bacteróides. Dependendo da natureza transitória e persistente da proliferação celular Hospedeira, os nódulos podem ser determinados ou indeterminados (Terpolilli et al., 2012; Kondorosi et al., 2013). Os nódulos determinados não têm meristem e contêm uma população homogénea de células simbióticas. Os nódulos determinados desenvolvem-se, por exemplo, nas raízes de Phaseolus vulgaris e Lotus japonicus.

ao contrário, a divisão celular ativa é mantida nos nódulos indeterminados. Um merismo de nódulo está presente na região apical (zona I) que, por geração constante de novas células, provoca um crescimento contínuo e forma alongada de nódulos. As células que saem do meristem não se dividem mais e entram em uma fase de diferenciação. O fio de infecção liberta as bactérias para as células submeristemáticas, que se diferenciam gradualmente ao longo das 12-15 camadas celulares da zona de infecção (zona II), levando ao desenvolvimento de células simbióticas fixadoras de azoto na zona de nódulos III (figura 1; Franssen et al., 1992). Medicago sativa, M. truncatula, Vicia sativa, e Pisum sativum são exemplos de plantas formando nódulos indeterminados.

o crescimento das células simbióticas envolve a amplificação do genoma do hospedeiro por ciclos de Endorreduplicação. O citoplasma de uma célula simbiótica fixadora de azoto abriga cerca de 50.000 Bacteróides. Para acomodar um número tão elevado de endossimbiontes, as células hospedeiras crescem. Nos nódulos de M. truncatula, o volume das células fixadoras de azoto é 80 vezes maior do que o das células meristemáticas diplóides. O crescimento das células infectadas ocorre passo a passo na zona II e é a consequência da endorreduplicação (ER) repetida do genoma sem mitose. Na zona II, A maquinaria do ciclo celular ainda está activa, mas a ausência de ciclinas mitóticas inibe a mitose e transforma os ciclos mitóticos em ciclos de endorreduplicação (Cebolla et al., 1999). Isto é conseguido pela troca do ciclo celular da proteína CCS52A que pela destruição das ciclinas mitóticas induz repetidas rodadas de duplicação do genoma levando à formação de células poliplóides em crescimento gradual (Roudier et al., 2003; Kondorosi and Kondorosi, 2004). Nas espécies de Medicago, os níveis de ploidia podem atingir 64C, representando um teor de ADN 64 vezes superior ao das células haplóides (C corresponde ao teor de ADN haplóide; Vinardell et al., 2003). Down-regulation CCS52A em M. truncatula não teve efeito sobre o primórdio de formação, mas foi prejudicial para o nódulo diferenciação, indicando que o ER ciclos e formação de grandes altamente polyploid células são essenciais para o nódulo funcionamento (Vinardell et al., 2003). Curiosamente, as células corticais que contêm fungos de micorrizas arbusculares também são poliploidas, bem como as células raízes gigantes alimentadoras de nemátodos (Fadery et al., 2002; Genre et al., 2008). Do mesmo modo, as células simbióticas dos insectos, os bacteriócitos que abrigam endossimbiontes intracelulares, também são grandes e poliplóides (Nakabachi et al., 2010). Nas plantas angiospérmicas, a poliploidia é frequente e o padrão hereditário específico da poliploidia em diferentes órgãos, tecidos e tipos celulares sugere que pode ser uma fonte importante da fisiologia especializada das células hospedeiras (Nagl, 1976; Edgar et al., 2014). Para além do crescimento celular, as múltiplas cópias dos genes, a falta de condensação cromossómica pode contribuir para actividades metabólicas e transcritoriais mais elevadas. No entanto, a associação da poliploidia com diferentes funções celulares sugere um impacto da poliploidia também na arquitetura dos nucleossomas e na ativação controladora epigenoma ou repressão de regiões genômicas específicas. Consequentemente, o conteúdo do genoma poliplóide das células simbióticas parece ser um pré-requisito para a diferenciação dos nódulos e para a expressão da maioria dos genes hospedeiros simbióticos (Maunoury et al., 2010).

diferentes destinos de Bacteróides fixadores de azoto

as bactérias libertadas do IT estão presentes no citoplasma hospedeiro como estruturas tipo organela, chamadas simbiossomas. As bactérias não têm contato direto com o citoplasma, pois estão cercadas por uma membrana peribacteróide, conhecida também como membrana simbiossoma (SM). O bacteróide, o SM e o espaço entre eles compõem o simbiossomo (Catalano et al., 2004). O SM durante sua formação reflete a origem da membrana plasmática, modificações posteriores de sua composição abrem novos papéis especializados na interface hospedeiro-endossimbionte (Limpens et al., 2009; Ivanov et al., 2012; Brear et al., 2013; Sinharoy et al., 2013). Os Bacteróides multiplicam-se nas células do nódulo hospedeiro em crescimento a uma certa densidade celular, adaptam-se ao estilo de vida endossimbiótico e às condições microaeróbicas e amadurecem a Bacteróides fixadores de azoto. A forma e a fisiologia dos Bacteróides podem ser, no entanto, muito diferentes nas várias leguminosas. Em certos hospedeiros de leguminosas, os Bacteroides fixadores de nitrogênio têm a mesma morfologia que as células cultivadas; este tipo de Bacteroides pode reverter para a forma de vida livre. Em outras Associações, os Bacteroides são irreversivelmente transformados em endossimbiontes poliplóides, ampliados, não cultiváveis. Estes Bacteroides diferenciados terminalmente podem ser alongados e até mesmo ramificados e 5 a 10 vezes mais do que as células livres ou podem ser esféricos de 8 a pelo menos 20 vezes o genoma amplificado dependendo do hospedeiro (Mergaert et al., 2006; Nakabachi et al., 2010). A diferenciação Terminal dos Bacteróides é controlada pelo hospedeiro, evoluindo em vários ramos da família Leguminosae indicando a vantagem do hospedeiro e provável maior desempenho simbiótico (Oono et al., 2010). A diferenciação bacteróide Terminal é a melhor elucidada na simbiose truncatula S. meliloti – M. Em M. nódulos de truncatula, os eventos mais visíveis da diferenciação bacteróide terminal ocorrem na zona II. A multiplicação de Bacteróides pára no meio da zona II, onde o alongamento celular e a amplificação uniforme dos múltiplos replicões por ciclos de endorreduplicação começam. Ao longo de 2-3 camadas celulares na fronteira da zona II e III (chamada interzona), o crescimento súbito de Bacteróides é visível atingindo praticamente o seu tamanho final, no entanto, a fixação de azoto ocorre apenas na zona III.a comparação de transcriptomas de nódulos de leguminosas com diferenciação bacteróide reversível e irreversível revelou a existência de várias centenas de pequenos genes que só estavam presentes no genoma das plantas hospedeiras onde a diferenciação bacteróide era terminal. In M. truncatula the nodule cells produce at least 600 nodule-specific symbiotic peptides (symPEPs). Os genes symPEP só são ativados nas células simbióticas poliploidas infectadas por S. meliloti (Kevei et al., 2002; Mergaert et al., 2003), no entanto, alguns conjuntos no início, outros durante as fases posteriores do desenvolvimento de nódulos. A large portion, more than 500 genes encode nodule-specific cysteine-rich (NCR) peptides (Mergaert et al., 2003; Alunni et al., 2007; Nallu et al., 2014). Os peptídeos NCR destinam-se aos Bacteróides e quando a sua entrega aos endossimbiontes foi bloqueada, a diferenciação bacteróide foi abolida, demonstrando que os peptídeos são responsáveis pela diferenciação terminal dos Bacteróides de S. meliloti (Van De Velde et al., 2010). A variedade de sequência elevada e os padrões característicos de expressão dos genes NCR sugerem diversidade nas suas funções, modos de acção e alvos bacterianos em diferentes fases de maturação bacteriana (Figura 2). No entanto, porque é que a célula anfitriã produz um arsenal de NCRs? Qual pode ser a vantagem de um repertório peptídico tão diversificado? É necessário para a interacção do hospedeiro com várias bactérias? Os parceiros simbióticos de M. truncatula São S. meliloti e S. medicae, no entanto, no solo existem inúmeras variantes de estirpe de ambas as espécies. M. truncatula é também representada por muitos ecotipos e adesões diferentes no número, seqüências e perfil de expressão dos genes NCR e em suas interações simbióticas com diferentes estirpes de S. meliloti E S. medicae (Nallu et al., 2014; Roux et al., 2014). Enquanto um nódulo contém um único tipo de bactéria, os diferentes nódulos no mesmo sistema radicular podem possuir populações bacterianas distintas. É possível que a planta reconhecendo os vários endossimbiontes manipula-os com um repertório específico da estirpe de peptídeos. Estas diferenças podem adicionar um nível de controlo adicional para a especificidade hospedeiro-simbionte e, assim, para a eficiência da nodulação.