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

Обложка

Цитировать

Полный текст

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.

Об авторах

Дмитрий Игоревич Мокеев

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук”

ORCID iD: 0000-0002-0558-0775
Саратов, проспект Энтузиастов 13

Елизавета Михайловна Телешева

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук”

просп. Энтузиастов, 13

Ирина Васильевна Волохина

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр Российской академии наук”

ORCID iD: 0000-0002-9088-481X
Саратов, проспект Энтузиастов 13

Стелла Сергеевна Евстигнеева

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН

410049, Россия, Саратов, просп. Энтузиастов, 13

Тимофей Евгеньевич Пылаев

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН

410049, Россия, Саратов, просп. Энтузиастов, 13

Лилия Петровна Петрова

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН

410049, Россия, Саратов, просп. Энтузиастов, 13

Юлия Анатольевна Филипьечева

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН

410049, Россия, Саратов, просп. Энтузиастов, 13

Андрей Вячеславович Шелудько

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН

410049, Россия, Саратов, просп. Энтузиастов, 13

Список литературы

  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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».