Генетические основы эволюции растительно-микробного симбиоза представляют разно­образные функции: матричные процессы, обмен веществ и энергии, образование мембранных и поверхностных струк­тур, клеточный цикл. В дополнение к хромосоме, в геноме «колийного типа» могут присутствовать более мелкие репликоны (плазмиды, эписомы, профаги), выполняющие частные адаптивные функции, включая синтез анти­биотиков, использование редких источников пи­тания, устойчивость к тяжелым металлам или ксенобиотикам. Однако эти репликоны не являются обязательными для функции­онирования и репродукции клетки и поэтому имеются лишь у некоторых штаммов. Изучение бактериальных симбионтов растений показало, что многие из них обладают гораздо более сложными, многокомпонентными (со­стоящими из нескольких сопоста­вимых по размеру репликонов) гено­мами, обеспечивающими существование микроорга­низмов в сложных экосистемах «хозяин-среда» (рис. 6).

Рис. 6. Соотношение генотипа и фенотипа у свободноживущих организмов
и симбиотических систем:

  • объединения продуктов действия генов партнеров;
  • синтеза одним из партнеров продукта, который воздействует на другого пар­тнера и вызывает образование продукта, используемого первым партнером (рис. 7).

Рис. 7. Соотношение ген-признак у свободноживущих организмов и симбиотических систем

В модельной бобоворизобиальной системе большинство отношений построено по второму тину, а к первому типу можно отнести образова­ние перибактероидных мембран, содержащих белки как бактериально­го, так и растительного происхождения.

После проведения двухуровневого генетического анализа удалось конкретизировать созданное ранее [118] представление о том, что для симбиоза единицей наследственности является не ген (как у инди­видуального организма), а как минимум пара генов, принадле­жащих разным организмам. Эта единица может считаться функционально эквивалентной гену, выявляемому в классическом ген-анализе: пары взаимодействующих Avr/R генов в симбиозах оказываются функци­онально аналогичными парам аллелей А/а у диплоидного организма. Сходство простейшей схемы наследования признаков патосистемы с менде­левской схемой наследования моногенного признака (3:1) ука­зывает на то, что отношения симбиотических партнеров могут быть описаны в терминах не только межгенных, но и межаллельных взаи­модействий. Однако необходимо подчеркнуть, что в симбиотической системе единица наследственности состоит из негомологичных генов, что принципиально отличает стратегию и результаты генетического анализа симбиоза и свободноживущего организма.

Показано, что общие размеры геномов у ризобий значительно выше, чем у свободноживущих бактерий, они варьируют от 4300 до 7000 т. п.н. у форм с высокой или средней скоростью роста (Rhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium) и могут превышать 9000 т. п.н. у форм с низкой скоростью роста (Bradirhizobium). Таким образом, ризобии по размеру генома достигают или даже превосходят низшие эукариоты (у дрожжей Saccharomyces cerevisiae геном состоит из 6600 т. п.н.), что связано с необходимостью поддержания генных систем, функцио­нирующих на альтернативных (симбиотической и свободноживущей) стадиях жизненного цикла. Сравнительный анализ широкого спектра a-протеобактерий показал, что симбионты растений имеют в среднем намного более крупные геномы (6,73±1,26 млн пар нуклеотидов), чем свободноживущие бактерии (4,34±0,99 млн пар нуклеотидов). У бы­строрастущих видов (Зуда) Rhizobium геномы содержат в дополнение к хромосоме многочисленные плазмиды, которые могут достигать необы­чайно крупных размеров. Впервые многокомпонентные геномы были выявлены у ризобий люцерны (S. meliloti): было показано, что прак­тически все штаммы содержат в дополнение к хромосоме (около 3600 т. п. н.) две гигантские плазмиды (1100-1900 т. п.н.), а иногда еще и 1–6 «средних» плазмид размером 10–400 т. п.к. [54]. Не менее сложные ге­номы выявлены у агробактерий – патогенов, образующих опухоли на расте­ниях. Эти бактерии таксономически близки к быстрорастущим ризобиям. Было показано, что Зуда-плазмиды являются детерминантами основных симбиотических признаков ризобий: вирулентности, азотфиксирующей активности и хозяйской специфичности. Для неко­торых Sym-плазмид показано участие в контроле адаптивно значимых признаков, важных для выживания в почве, например для катаболиз­ма сложных и редких пита­тельных субстратов, синтеза поверхностных компонентов клетки и бактериоцинов, а также кислотоустойчивость и скорости роста. Для развития эффективного (сопровож­дающегося активной фиксацией N2) симбиоза необходимы и остальные плазмиды: утрата любой из них приводит к резкому снижению скорости образо­вания клубеньков и (или) нитрогеназной активности. Часть генома, вовлеченная в симбиоз, составляет 15–20 % для ризобий, но менее 1 % для растений, показывая, что геномы микросимбионтов намного более специализированы для целей симбиоза, чем геномы растений-хозяев.

Универсальной и симбиотически значимой характеристикой гено­мов ризобий является их необычайно высокая пластичность. Адаптив­ная роль высокой геномной пластичности симбиотических микробов заключается в регулярных генных перестройках, являющихся источ­ником «исходного материала» для коэволюции с хозяевами. Горизон­тальный пере­нос генов ризобий был впервые показан В. Хейманом. Адаптивная роль высокой геномной пластичности симбиотических микробов заключается в регулярных генных перестройках, являющих­ся источником «исходного материала» для коэволюции с хозяе­вами. В модельных опытах, проведенных на Е. coli, было показано, что мута­ции, снижающие скорость размножения, возникают с частотами 10-4, тогда как повышающие ее мутации – с частотами 4·10-9 на клетку [55].

Способность Sym-плазмид широко специфичных ризобий функцио­нировать в нерод­ственных донору реципиентах может быть результатом адаптации этих бактерий к функционированию в клубеньках разнород­ных хозяев. Данное свойство Sym-плазмид является очень важным для эволюции симбиоза, так как широко специфичные ризобии (например, R. tropici) могут быть донорами sym-генов, передаваемых в различные почвенные бактерии, что приводит к формированию новых симбио­тических азот­фиксаторов. Особенностью некоторых ризобий является локализация sym-генов в составе специальных геномных элементов – «симбиотические острова» (СОС). После переноса в штамм-реципиент СОС обычно встраиваются в гены фен-тРНК или вал-тРНК, что харак­терно для мобильных геномных островов, кодирующих разнообразные (в том числе и патогенные) свойства бактерий [62]. Будучи лишенными собственной системы репликации, СОС могут переноситься между раз­ными штаммами Mesorhizobium spp. с помощью интегразы типа Р4. СОС были выявлены также у некоторых штаммов Bradyrhizobium, которые способны передавать свои sym-гены в почвенные и ассоциированные с растениями бактерии.

Отличительной особенностью СОС является их сниженное, по срав­нению с другими частями генома, содержание ГЦ (гуанин + цитозин) пар оснований, что типично для ДНК-элементов, подвергающихся ин­тенсивному переносу в популяциях. Эволюционное значение этого пе­реноса заключается в том, что он может приводить к быстрому преобра-зованию свободноживущих бактерий в симбиотически активные форм.

Использование методов транскриптомики и метаболомики под­твердило, что гены метаболизма и транспорта различных источников питания являются наиболее симби­отически значимыми элементами генома ризобий [55]. Большинство симбиотических бактерий соче­тает способность к генетически контролируемым биотрофным и не-кротрофным взаимодействиям с растениями хозяевами с эффектив­ной сапрофитной эксплуатацией экологических ниш почвы. Влияние на эти бактерии биотических и абиотических факторов внешней среды (включая физико-химические свойства почвы, характер растительно­сти, климатические факторы) изучены подробно. Следует под­черкнуть, что по интенсивности переноса генов ризобий значительно уступают энтеро­бактериям (Escherichia, Salmonella), которые имеют системы для высокочастотного переноса генов (F и F-факторы, эффективные трансдуцирующие фаги), и тем не менее проявляют строго клональную популяционную структуру.