Бактерии рода Azospirillum формируют биопленки с Enterobacter cloacae K7 в корневой системе проростков пшеницы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Формирование биопленок имеет равноценное адаптационное значение как для эпифитных, так и эндофитных ризобактерий в связи с их первичной локализацией на поверхности растительных корней. Типовые штаммы Azospirillum brasilense Sp7 и A. baldaniorum Sp245 формировали биопленки в корневой системе пшеницы (Triticum aestivum L.) преимущественно в зонах верхушки корня и корневых волосков, а также в местах формирования боковых корней. В случае выделенного из корней топинамбура (Helianthus tuberosus L.) штамма Enterobacter cloacae K7 формирование биопленок в определенных зонах корня не являлось характерным признаком. Штамм K7 колонизировал корни, формируя биопленки по поверхности зон проведения, всасывания и кончика корня. Штаммы Sp7/Sp245 и K7 не являлись антагонистами, а в популяции их смешанных биопленок (исследовано на модели Sp7 и K7) доли субпопуляций каждого из штаммов были примерно одинаковыми. Однако в корневой системе проростков, инокулированных смешанными культурами K7 и Sp7/Sp245, в биопленках встречались участки, в которых многоклеточные скопления одного штамма были изолированы от скопления бактерий другого. Диффузное распределение клеток Sp7/Sp245 среди энтеробактерий или клеток K7 между азоспириллами не являлось типичным.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Шелудько

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Автор, ответственный за переписку.
Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Д. И. Мокеев

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Л. П. Петрова

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Е. М. Телешева

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

И. В. Волохина

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Ю. А. Филипьечева

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

И. В. Борисов

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Е. В. Крючкова

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Л. Ю. Матора

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Список литературы

  1. Баймиев Ан.Х., Ямиданов Р. С., Матниязов Р. Т., Благова Д. К., Баймиев Ал.Х., Чемерис А. В. Получение флуоресцентно меченных штаммов клубеньковых бактерий дикорастущих бобовых для их детекции in vivo и in vitro // Мол. биология. 2011. Т. 45. С. 984–991.
  2. Baymiev A. K., Yamidanov R. S., Matniyazov R. T., Blagova D. K., Baymiev Al.K., Chemeris A. V. Preparation of fluorescent labeled nodule bacteria strains of wild legumes for their detection in vivo and in vitro // Mol. Biol. 2011. V. 45. P. 904–910. https://doi.org/10.1134/S0026893311060033
  3. Матора Л. Ю., Шварцбурд Б. И., Щеголев С. Ю. Иммунохимический анализ О-специфических полисахаридов почвенных азотфиксирующих бактерий Azospirillum brasilense // Микробиология. 1998. Т. 67. С. 815–820.
  4. Matora L.Yu., Shvartsburd B. I., Shchegolev S.Yu. Immunochemical analysis of O-specific polysaccharides from the soil nitrogen-fixing bacteria Azospirillum brasilense // Microbiology (Moscow). 1998. V. 67. P. 677–681.
  5. Олескин А. В., Ботвинко И. В., Цавкелова Е. А. Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов // Микробиология. 2000. Т. 69. С. 309–327.
  6. Olskin A. V., Botvinko I. V., Tsavkelova E. A. Colonial organization and intercellular communication in microorganisms // Microbiology (Moscow). 2000. V. 69. P. 309–327.
  7. Шелудько А. В., Широков А. А., Соколова М. К., Соколов О. И., Петрова Л. П., Матора Л. Ю., Кацы Е. И. Колонизация корней пшеницы бактериями Azospirillum brasilense с различной подвижностью // Микробиология. 2010. Т. 79. С. 696–704.
  8. Shelud’ko A.V., Shirokov A. A., Sokolova M. K., Sokolov O. I., Petrova L. P., Matora L.Yu., Katsy E. I. Wheat root colonization by Azospirillum brasilense strains with different motility // Microbiology (Moscow). 2010. V. 79. P. 688–695. https://doi.org/10.1134/S0026261710050140
  9. Шелудько А. В., Мокеев Д. И., Евстигнеева С. С., Филипьечева Ю. А., Буров А. М., Петрова Л. П., Пономарева Е. Г., Кацы Е. И. Анализ ультраструктуры клеток в составе биопленок бактерий Azospirillum brasilense // Микробиология. 2020. Т. 89. С. 59–73. https://doi: 10.1134/S0026365620010140
  10. 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 biofilms of Azospirillum brasilense // Microbiology (Moscow). 2020. V. 89. P. 50–63. https://doi.org/10.1134/S0026261720010142
  11. Baldani V. L.D., Baldani J. I., Döbereiner J. Effects of Azospirillum inoculation on root infection and nitrogen incorporation in wheat // Can. J. Microbiol. 1983. V. 29. P. 924–929. https://doi.org/10.1139/m83-148
  12. Bashan Y., de-Bashan L.E. How the plant growth-promoting bacterium Azospirillum promotes plant growth – a critical assessment // AdV. Agron. 2010. V. 108. P. 77–136. https://doi.org/10.1016/S0065-2113(10)08002-8
  13. Cámara M., Green W., MacPhee C.E., Rakowska P. D., Raval R., Richardson M. C., Slater-Jefferies J., Steventon K., Webb J. S. Economic significance of biofilms: a multidisciplinary and cross-sectoral challenge // Biofilms Microbiomes. 2022. V. 8. Art. 42. https://doi: 10.1038/s41522-022-00306-y
  14. Creus C. M., Sueldo R. J., Barassi C. A. Water relations and yield in Azospirillum-inoculated wheat exposed to drought in the field // Can. J. Bot. 2004. V. 82. P. 273–281. http://dx.doi.org/10.1139/b03-119
  15. Díaz P. R., Romero M., Pagnussatt L., Amenta M., Valverde C. F., Cámara M., Creus C. M., Maroniche G. A. Azospirillum baldaniorum Sp245 exploits Pseudomonas fluorescens A506 biofilm to overgrow in dual-species macrocolonies // Environ. Microbiol. 2022. V. 24. P. 5707–5720. https://doi: 10.1111/1462-2920.16195
  16. Dobereiner J., Day J. M. Associative symbiosis in tropical grass: characterization of microorganisms and dinitrogen fixing sites // Symp. on Nitrogen Fixation / Eds. Newton W. E., Nijmans C. J. Pullman: Washington State University Press, 1976. P. 518–538. https://doi.org/10.12691/aees-4-4-1
  17. Dos Santos Ferreira N., Sant’Anna F.H., Reis V. M., Ambrosini A., Volpiano C. G., Rothballer M., Schwab S., Baura V. A., Balsanelli E., de Oliveira Pedrosa F., Pereira Passaglia L. M., Maltempi de Souza E., Hartmann A., Cassan F., Zilli J. E. Genome-based reclassification of Azospirillum brasilense Sp245 as the type strain of Azospirillum baldaniorum sp. nov. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2020. V. 70. P. 6203–6212. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.004517
  18. 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. V. 326. P. 99–108. https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2011.02407.x
  19. Fukami J., Cerezini P., Hungria M. Azospirillum: benefits that go far beyond biological nitrogen fixation // AMB Expr. 2018. V. 8. P. 73–85. https://doi: 10.1186/s13568-018-0608-1
  20. Hendriksen N. B. Microbial biostimulants – the need for clarification in EU regulation // Trends Microbiol. 2022. V. 30. P. 311–313. https://doi.org/10.1016/j.tim.2022.01.008
  21. Kumar K., Lall C., Raj R., Vedhagiri K., Vijayachari P. Coexistence and survival of pathogenic leptospires by formation of biofilm with Azospirillum // FEMS Microbiol. Ecol. 2015. V. 91. Art. fiv051. https://doi.org/10.1093/femsec/fiv051
  22. Kryuchkova Y. V., Burygin G. L., Gogoleva N. E., Gogolev Y. V., Chernyshova M. P., Makarov O. E., Fedorov E. E., Turkovskaya O. V. Isolation and characterization of a glyphosate-degrading rhizosphere strain, Enterobacter cloacae K7 // Microbiol. Res. 2014. V. 169. P. 99–105. https://doi: 10.1016/j.micres.2013.03.002
  23. Mishkind M., Raikhel N. V., Palevitz B. A., Keegstra K. Immunocytochemical localization of wheat germ agglutinin in wheat // J. Cell Biol. 1982. V. 92. P. 753–764. https://doi.org/10.1083/jcb.92.3.753
  24. O’Toole G.A., Kolter R. Initiation of biofilm formation in Pseudomonas fluorescens WCS365 proceeds via multiple, convergent signalling pathways: a genetic analysis // Mol. Microbiol. 1998. V. 28. P. 449–461. 10.1046/j.1365-2958.1998.00797.x' target='_blank'>https://doi: 10.1046/j.1365-2958.1998.00797.x
  25. Pagnussat L. A., Salcedo F., Maroniche G., Keel C., Valverde C., Creus C. M. Interspecific cooperation: enhanced growth, attachment and strain-specific distribution in biofilms through Azospirillum brasilense–Pseudomonas protegens co-cultivation // FEMS Microbiol. Lett. 2016. V. 363. Art. fnw238. https://doi.org/10.1093/femsle/fnw238
  26. Prosser J. I. Molecular marker systems for the detection of genetically modified microorganisms in the environment // Microbiology (Reading).1994. V. 140. P. 5–17. https://doi: 10.1099/13500872-140-1-5
  27. Ramirez-Mata A., Pacheco M. R., Moreno S. J., Xiqui-Vazquez M.L., Baca B. E. Versatile use of Azospirillum brasilense strains tagged with egfp and mCherry genes for the visualization of biofilms associated with wheat roots // Microbiol Res. 2018. V. 215. P. 155–163. https://doi.org/10.1016/j.micres.2018.07.007
  28. Rostamian A., Payam Moaveni P., Sadeghi-Shoae M., Mozafari H., Rajabzadeh F. Effective drought mitigation by rhizobacteria consortium in wheat field trials // Rhizosphere. 2023. V. 25. Art. 100653. https://doi.org/10.1016/j.rhisph.2022.100653
  29. Schloter M., Hartmann A. Endophytic and surface colonization of wheat roots (Triticum aestivum) by different Azospirillum brasilense strains studied with strain-specific monoclonal antibodies // Symbiosis. 1998. V. 25. P. 159–179.
  30. Shelud’ko A., Volokhina I., Mokeev D., Telesheva E., Yevstigneeva S., Burov A., Tugarova A., Shirokov A., Burigin G., Matora L., Petrova L. Chromosomal gene of hybrid multisensor histidine kinase is involved in motility regulation in the rhizobacterium Azospirillum baldaniorum Sp245 under mechanical and water stress // World J. Microbiol. Biotechnol. 2023. V. 39. Art. 336. https://doi.org/10.1007/s11274-023-03785-z
  31. Singh D., Thapa S., Singh J. P., Mahawar H., Saxena A. K., Singh S. K., Mahla H. R., Choudhary M., Parihar M., Choudhary K. B., Chakdar H. Prospecting the potential of plant growth-promoting microorganisms for mitigating drought stress in crop plants // Curr. Microbiol. 2024. V. 81. Art. 84. https://doi: 10.1007/s00284-023-03606-4
  32. 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. V. 24. P. 967–980. https://doi.org/10.1139/m78-160
  33. Tombolini R., Unge A., Davey M. E., de Bruijn F. J., Janet K Jansson J. K. Flow cytometric and microscopic analysis of GFP-tagged Pseudomonas fluorescens bacteria // FEMS Microbiol. Ecol. 1997. V. 22. P. 17–28. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.1997.tb00352.x
  34. Wang D., Xu A., Elmerich C., Ma L. Z. Biofilm formation enables free-living nitrogen-fixing rhizobacteria to fix nitrogen under aerobic conditions // ISME J. 2017. V. 11. P. 1602–1613. https://doi: 10.1038/ismej.2017.30
  35. Xue Q., Wang X., Zhang K., Zhang J., Gao N., Min J., He Y., Wu Z., Chang X. Enterobacter cloacae Rs-2 inoculum replaces fertiliser application by half in the field and modifies microbial community structure // Rhizosphere. 2024. V. 31. Art. 100942. https://doi.org/10.1016/j.rhisph.2024.100942

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Формирование и взаимодействия макроколоний штаммов Azospirillum и Enterobacter в полужидкой МСС с 1 г/л NH4Cl за 72 ч. Панель А: колонии штаммов A. brasilense Sp7, Sp7-pJN105TurboGFP, Sp7-pJN105TurboRFP, E. cloacae К7 и K7-pJN105TurboGFP (слева); колонии штаммов E. cloacae К7 и K7-pJN105TurboGFP (в центре); колонии штаммов A. baldaniorum Sp245, Sp245-pJN105TurboGFP, Sp245-pJN105TurboRFP и E. cloacae К7 и K7-pJN105TurboGFP (справа). Панель Б: влияние источника азота на размер макроколоний штамма A. baldaniorum Sp245 (1) и зон их “столкновения” (2). Масштабная линейка соответствует 10 мм.

Скачать (580KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результаты иммунохимических исследований биопленок, сформированных штаммами A. brasilense Sp7 (1 и 2), A. baldaniorum Sp245 (6 и 7) и E. cloacae K7 (4 и 5) на стекле под жидкой средой за 7 сут культивирования. На панели А представлено сравнение относительного содержания (ОС%) антигенов Sp7 или K7 в биопленках, сформированных смешанными культурами этих штаммов. Для определения ОС% использовали ИФА. Для определения значимости различий ОС% использовали однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA); а – указывает на отсутствие значимых различий между средними. На панели Б показаны результаты взаимодействия экстрактов клеток планктонных культур (1, 4 и 6) или биомассы биопленок (2, 3, 5, 7 и 8) со штамм-специфическими Ат (Ат к антигенам штаммов Sp7 (АтSp7), Sp245 (АтSp245) и (АтK7)). Экстракты биомассы биопленок, сформированных смешанными культурами Sp7 и K7 (3) или Sp245 и K7 (8).

Скачать (480KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты конфокальной микроскопии корневой системы проростков пшеницы, инокулированных A. brasilense Sp7, A. baldaniorum Sp245 и E. cloacae K7, содержащими плазмиды pJN105TurboGFP или pJN105TurboRFP (через 7 сут после инокуляции). На панелях А, В и Д представлены результаты микроскопии пшеницы, инокулированной Sp245(pJN105TurboRFP) и K7(pJN105TurboGFP). Панели Б и Г иллюстрируют результаты микроскопии растений, инокулированных Sp7(pJN105TurboRFP) и K7(pJN105TurboGFP). На панели Е показаны результаты микроскопии проростков, инокулированных монокультурами Sp7(pJN105TurboGFP) или Sp245 (pJN105TurboGFP). Изображения в оттенках серого – видимый свет. Зеленый или красный цвет – результаты детекции флуоресценции белков GFP или RFP. Панели А, В, Г и Е представляют результаты микроскопии зоны всасывания корня. На панелях Д и Б представлены соответственно результаты микроскопии зон проведения и кончика корня.

Скачать (1MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025