Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Химия. Биология. Экология

ISSN 1816-9775 (Print)
ISSN 2541-8971 (Online)

Для цитирования:

Мокеев Д. И., Телешева Е. М., Волохина И. В., Евстигнеева С. С., Пылаев Т. Е., Петрова Л. П., Филипьечева Ю. А., Шелудько А. В. Геномные перестройки влияют на устойчивость биопленок почвенных бактерий Azospirillum brasilense к абиотическим стрессам // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2023. Т. 23, вып. 4. С. 426-436. DOI: 10.18500/1816-9775-2023-23-4-426-436, EDN: JPBABO

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 105)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Биология
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
579.26:574.23
DOI: 
10.18500/1816-9775-2023-23-4-426-436
EDN: 
JPBABO

Геномные перестройки влияют на устойчивость биопленок почвенных бактерий Azospirillum brasilense к абиотическим стрессам

Авторы: 
Мокеев Дмитрий Игоревич, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук” (ИБФРМ РАН)
Телешева Елизавета Михайловна, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук” (ИБФРМ РАН)
Волохина Ирина Васильевна, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук” (ИБФРМ РАН)
Евстигнеева Стелла Сергеевна, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук” (ИБФРМ РАН)
Пылаев Тимофей Евгеньевич, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук” (ИБФРМ РАН)
Петрова Лилия Петровна, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук” (ИБФРМ РАН)
Филипьечева Юлия Анатольевна, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук” (ИБФРМ РАН)
Шелудько Андрей Вячеславович, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук” (ИБФРМ РАН)
Аннотация: 

Используемые в качестве биоудобрений бактерии Azospirillum brasilense оказывают существенное положительное влияние на рост и развитие растений. Геном типового штамма A. brasilense Sp7 представлен хромосомой и многочисленными плазмидами с молекулярной массой 90, 115 и более 300 МДа. Геномные перестройки, вызывающие изменения «плазмидного профиля», могут способствовать формированию в бактериальной популяции субпопуляций или фенотипических вариантов. Имеется мало данных о роли таких перестроек в адаптации A. brasilense к динамичным условиям окружающей среды. Способность азоспирилл формировать биопленки также имеет определенное значение для успешного функционирования растительно-микробной ассоциации и противостояния бактерий и растений различным абиотическим стрессам. Цель данной работы заключалась в анализе геномных перестроек у спонтанных производных A. brasilense Sp7 и оценке устойчивости их биопленок к высушиванию, водному и окислительному стрессам. ПЦР-анализ для выявления изменений в структуре геномной ДНК проводили с использованием праймеров, соответствующих известным консервативным мотивам в повторяющихся последовательностях нуклеотидов бактерий. Относительное количество биомассы биопленок оценивали, измеряя A540 кристаллического фиолетового, десорбированного после ее окрашивания. Уровень относительной респираторной активности клеток в биопленках определяли флуориметрическим резазурин-тестом. Для создания модели осмотического/водного стресса использовали непроникающий осмотический агент ПЭГ 6000. Показано, что перестройки в геномной ДНК способствуют образованию стабильных фенотипических вариантов штамма Sp7, по-разному формирующих биопленки в условиях водного стресса. Отобран производный штамм A. brasilense Sp7.8, биопленочная популяция которого устойчивее к водному стрессу по сравнению c таковой у родительского штамма.

Ключевые слова: 
азоспириллы
плазмиды
геномные перестройки
биопленки
водный и окислительный стрессы
Список источников: 
  1. Fibach-Paldi S., Burdman S., Okon Y. Key physiological properties contributing to rhizosphere adaptation and plant growth promoting abilities of Azospirillum brasilense // FEMS Microbiol. Lett. 2012. Vol. 326. P. 99–108. https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2011.02407.x
  2. Fukami J., Cerezini P., Hungria M. Azospirillum: benefi ts that go far beyond biological nitrogen fi xation // AMB Expr. 2018. Vol. 8. P. 73–85. https://doi.org/10.1186/s13568-018-0608-1
  3. Lipa P., Janczarek M. Phosphorylation systems in symbiotic nitrogen-fi xing bacteria and their role in bacterial adaptation to various environmental stresses // PeerJ. 2020. Feb11 : 8 : e8466. https://doi.org/10.7717/peerj.8466
  4. Ansari F. A., Jabeen M., Ahmad I. Pseudomonas azotoformans FAP5, a novel biofi lm-forming PGPR strain, alleviates drought stress in wheat plant // Int. J. Environ. Sci. Technol. 2021. Vol. 18. P. 3855–3870. https://doi.org/10.1007/s13762-020-03045-9
  5. Vurukonda S. S. K. P., Sandhya V., Shrivastava M., Ali S. K. Z. Enhancement of drought stress tolerance in crops by plant growth promoting rhizobacteria // Microbiol.Res. 2016. Vol. 184. P. 13–24. https://doi.org/10.1016/j.micres.2015.12.003
  6. Hsiao T. C. Plant responses to water stress // Ann. Rev. Plant Physiol. 1973. Vol. 24. P. 519–570. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.24.060173.002511
  7. Bogino P. C., Oliva M. M., Sorroche F. G., Giordano W. The role of bacterial biofi lms and surface components in plant-bacterial associations // Int. J. Mol. Sci. 2013. Vol. 14. P. 15838–15859. https://doi.org/10.3390/ijms140815838
  8. Lerner A., Valverde A., Castro-Sowinski S., Lerner H., Okon Y., Burdman S. Phenotypic variation in Azospirillum brasilense exposed to starvation // Environ. Microbiol. Rep. 2010. Vol. 2. P. 577–586. https://doi.org/10.1111/j.1758-2229.2010.00149.x
  9. Volfson V., Fibach-Paldi Sh., Paulucci N. S., Dardanelli M., Matan O., Burdman S., Okon Y. Phenotypic variation in Azospirillum brasilense Sp7 does not infl uence plant growth promotion effects // Soil Biology and Biochemistry. 2013. Vol. 67. P. 255–262. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.09.008
  10. Petrova L. P., Borisov I. V., Katsy E. I. Plasmid rearrangements in Azospirillum brasilense // Microbiology (Moscow). 2005. Vol. 74, № 4. P. 495–497. https://doi.org/10.1007/s1102100500948
  11. Petrova L. P., Shelud’ko A. V., Katsy E. I. Plasmid rearrangements and alterations in Azospirillum brasilense biofilm formation // Microbiology (Moscow). 2010. Vol. 79, № 1. P. 121–124. https://doi.org/10.1134/ S00226261710010169
  12. Katsy E. I., Petrova L. P. Genome rearrangements in Azospirillum brasilense Sp7 with the involvement of the plasmid pRhico and the prophage ΦAb-Cd // Russ. J. Genet. 2015. Vol. 51, № 132. P. 1165–117. https://doi. org/10.1134/S1022795415110095
  13. Shelud’ko A. V., Mokeev D. I., Evstigneeva S. S., Filip’echeva Yu. A., Burov A. M., Petrova L. P., Ponomareva E. G., Katsy E. I. Cell ultrastructure in biofi lms of Azospirillum brasilense // Microbiology. 2020. Vol. 89, № 1. P. 50–63. https://doi.org/10.1134/S0026261720010142
  14. Flemming H.-C., Wingender J. The biofi lm matrix // Nat. Rev. Microbiol. 2010. Vol. 8, № 9. P. 623–633. https://doi.org/10.1038/nrmicro2415
  15. Ramírez-Mata A., López-Lara L. I., Xiqui-Vázquez L., Jijón-Moreno S., Romero-Osorio A., Baca B. E. The cyclic-di-GMP diguanylate cyclase CdgA has a role in biofi lm formation and exopolysaccharide production in Azospirillum brasilense // Res. Microbiol. 2016. Vol. 167. P. 190–201. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2015.12.004
  16. Wang D., Xu A., Elmerich C., Ma L. Z. Biofi lm formation enables free-living nitrogen-fi xing rhizobacteria to fi x nitrogen under aerobic conditions // ISME J. 2017. Vol. 11. P. 1602–1613. https://doi.org/10.1038/ismej.2017.30
  17. Shelud’ko A. V., Filip’echeva Yu. A., Telesheva E. M., Burov A. M., Evstigneeva S. S., Burygin G. L., Petrova L. P. Characterization of carbohydrate-containing components of Azospirillum brasilense Sp245 biofi lms // Microbiology. 2018. Vol. 87, № 5. P. 610–620. https://doi.org/10.1134/S0026261718050156.
  18. Wisniewski-Dyé F., Vial L. Phase and antigenic variation mediated by genome modifi cations // Antonie van Leeuwenhoek J. Microbiol. 2008. Vol. 94. P. 493–515. https://doi.org/10.1007/s10482-008-9267-6
  19. Versalovic J., Koeuth T., Lupski R. Distribution of repetitive DNA sequences in eubacteria and application to fi nerpriting of bacterial genomes // Nucleic Acids Res. 1991. Vol. 19, № 24. P. 6823–6831. https://doi.org/10.1093/nar/19.24.6823
  20. Fancelli S., Castaldini M., Ceccherini M. T., Di Serio C., Fani R., Gallori E., Marangolo M., Miclaus N., Bazzicalupo M. Use of random amplifi ed polymorphic DNA markers for the detection of Azospirillum strains in soil microcosms // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1998. Vol. 49, № 2. P. 221–225. https://doi.org/10.1007/s002530051162
  21. Tarrand J. J., Krieg N. R., Döbereiner J. A taxonomic study of the Spirillum lipoferum group with description of a new genus, Azospirillum gen. nov. and two species, Azospirillum lipoferum (Beijerinck) comb. nov. and Azospirillum braslense sp. nov. // Can. J. Microbiol. 1978. Vol. 24, № 8. P. 967–980. https://doi.org/10.1139/m78-160
  22. Eskew D. L, Focht D. D., Ting L. P. Nitrogen fi xation, denitrification and pleomorphic growth in a highly pigmented Spirillum lipoferum // Appl. Environ. Microbiol. 1977. Vol. 34. P. 582–585. https://doi.org/10.1128/aem.34.5.582-585.1977
  23. Döbereiner J., Day J. M. Associative symbiosis in tropical grass: Characterization of microorganisms and dinitrogen fi xing sites // Symposium on Nitrogen Fixation / eds. W. E. Newton, C. J. Nijmans. Pullman : Washington State University Press, 1976. P. 518–538.
  24. O’Toole G. A., Kolter R. Initiation of biofi lm formation in Pseudomonas fl uorescens WCS365 proceeds via multiple, convergent signalling pathways: A genetic analysis // Mol. Microbiol. 1998. Vol. 28, № 3. P. 449–461. https://doi.org/10.1046/j.1365-2958.1998.00797.x
  25. Chutia J., Borah S. P. Water stress effects on leaf growth and chlorophyll content but not the grain yield in traditional rice (Oryza sativa Linn.) genotypes of Assam, India: II. Protein and proline status in seedlings under PEG induced water stress // Am. J. Plant Sci. 2012. Vol. 3. P. 971–980. http://dx.doi.org/10.4236/ajps.2012.37115
  26. Malinich E. A., Bauer C. E. The plant growth promoting bacterium Azospirillum brasilense is vertically transmitted in Phaseolus vulgaris (common bean) // Symbiosis. 2018. Vol. 76, № 2. P. 97–108. https://doi.org/10.1007/s13199-018-0539-2
  27. Schloter M., Hartmann A. Endophytic and surface colonization of wheat roots (Triticum aestivum) by different Azospirillum brasilense strains studied with strain-specifi c monoclonal antibodies // Symbiosis. 1998. Vol. 25. P. 159–179. 
  28. Pradedova E. V., Isheeva O. D., Salyaev R. K. Classification of the antioxidant defense system as the ground for reasonable organization of experimental studies of the oxidative stress in plants // Russ. J. Plant. Physiol. 2011. Vol. 58. P. 210–217. https://doi.org/10.1134/S1021443711020166
  29. Notununu I., Moleleki L., Roopnarain A., Adeleke R. Effects of plant growth-promoting rhizobacteria on the molecular responses of maize under drought and heat stresses: A review // Pedosphere. 2022. Vol. 32. P. 90–106. https://doi.org/10.1016/S10020160(21)60051-6
Поступила в редакцию: 
01.06.2023
Принята к публикации: 
01.07.2023
Опубликована: 
25.12.2023
Краткое содержание:
скачать
(загрузок: 55)