Бобовые растения страдают от конкуренции клубеньковых бактерий

Симбиотические отношения микроорганизмов и растений могут предоставлять последним множество преимуществ. Однако польза от микроорганизмов, например, азотфиксирующих бактерий, может варьировать в широких пределах. Чтобы извлечь максимальную пользу из симбиоза, растение воздействует на бактерии. Например, оно может «выбирать» себе бактерию, «вознаграждать» полезные микроорганизмы и ограничивать рост бесполезных. В то же время сами бактерии могут конфликтовать между собой. Процесс соревнования микроорганизмов и влияние этого взаимодействия на растение мало изучены.

Ученые из США проанализировали эти процессы на примере растения Acmispon strigosus из семейства бобовых. Они сравнили эффект от восьми симбиотических штаммов Bradyrhizobium spp., которые условно разделили эффективные (Fix+) и неэффективные (Fix-), то есть те, что способствовали или не способствовали росту растения с помощью фиксации атмосферного азота.

Сначала авторы сравнили пользу для растения от каждого штамма по отдельности. Для этого они измерили относительный рост растения-хозяина, общее количество клубеньков, количество новых клубеньков и вклад бактерий в образование клубеньков. Исследователи подтвердили, что большинство Fix+ штаммов увеличивают рост растения, в то время как Fix- штаммы не дают никаких преимуществ. Штамм 156 считался эффективным, однако давал мало преимуществ в росте, при этом сильнее всего стимулировал образование клубеньков, затрачивая ресурсы растения. За редким исключением, оба типа бактерий образовали одинаковое количество клубеньков (от 16 до 35 штук на растение).

Затем ученые заражали растение различными штаммами попарно (28 комбинаций). Оказалось, что наличие только эффективных бактерий не всегда полезно для растения. Только 50% комбинаций эффективных штаммов давали A. strigosus преимущество в относительном росте. Более того, только 36% комбинаций с хотя бы одним Fix+ штаммом приносили пользу растению.

Исследователи установили, какие бактерии преобладают в клубеньках зараженных растений. Для этого они секвенировали ген nifD. Авторы выяснили, что в случае комбинации эффективных и неэффективных штаммов Fix+ бактерий было больше, чем их Fix- соседей. Более того, в такой комбинации бактерии разных типов чаще заселяли разные клубеньки. Для комбинации только эффективных бактерий ситуация была иной — бактерии разного типа оказывались в одном и том же клубеньке.

Чтобы выяснить, почему одни бактерии занимали больше клубеньков, чем другие, авторы провели транскриптомных анализ. Однако они не смогли найти общей закономерности для двух самых активных штаммов (131 и 156). Оба штамма почти не отличались от других наличием уникальных генов, связанных с симбиозом. Тем не менее, ученые заметили, что у штамма 156 отсутствуют гены, отвечающие за движение, а также связанные с системой секреции четвертого типа. Эта система связана с поглощением мобильных генетических элементов, в том числе плазмид.

Чтобы найти причину такой распространенности штамма 156, авторы измерили скорость роста всех Fix+ штаммов. Оказалось, что штамм 156 рос гораздо быстрее остальных бактерий. Из этого эксперимента ученые сделали вывод, что большую часть клубеньков занимают не полезные для растения бактерии, а наиболее конкурентоспособные.

Морские бактерии-симбионты убивают водоросли, когда мирное сосуществование становится невыгодным