ЭВОЛЮЦИЯ СИМБИОТИЧЕСКИХ СИСТЕМ: ЗАПРОГРАММИРОВАННЫЙ ОТБОР, ОБУСЛОВЛЕННЫЙ ПРЕАДАПТАЦИЯМИ И ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ ПАРТНЕРОВ

Н. А. Проворов, Н. И. Воробьев, И. А. Тихонович

Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии

Российской академии сельскохозяйственных наук

Санкт-Петербург, Пушкин, Россия: provorov@newmail. ru

Бурное развитие генетики симбиоза открывает широкие возможности для изучения эволюции взаимовыгодных (мутуалистических) отношений, широко распростра — ненных в природе и играющих ключевую роль в индивидуальном и историческом развитии организмов. Долгое время эволюция мутуализма не находила объяснения в рамках теории естественного отбора, так как в симбиозах у организмов возника — ют «альтруистические» признаки, приносящие непосредственную пользу не своему обладателю, а партнеру. Изучение N2-фиксирующего симбиоза бобовых растений и клубеньковых бактерий показало, что становление таких признаков определяет — ся либо групповым (междемовым, родственным) отбором, индуцируемым в кло — нальных популяциях микросимбионтов, либо индивидуальным (дарвиновским, частотно-зависимым) отбором, идуцируемым в их смешанных популяциях (в обоих случаях под влиянием растения-хозяина происходит повышение специфичности вза — имодействия партнеров и ограничивается размножение неактивных N2-фиксаторов in planta). Эти факторы действуют на фоне преадаптаций к N2-фиксирующему сим- биозу, связанных с наличием у бобовых универсальных систем для развития арбу — скулярной микоризы, которые обусловливают адаптивную макроэволюцию структур и функций клубенька.

Ключевые слова: Симбиоз, мутуализм, эволюция, естественный отбор, математиче — ское моделирование, микробно-растительные симбиозы, симбиотическая азотфик — сация, преадаптации, обратные связи, биологический альтруизм.

Введение

Фундаментальным свойством организмов, наряду с обменом веществ и вос — произведением себе подобных, является склонность к объединению в глубоко ин — тегрированные комплексы — симбиозы (Douglas, 1994). Это объединение может быть либо полезным для обоих партнеров (мутуализм), либо полезным для одно — го из них, но неблагоприятным для другого (антагонизм или паразитизм). Долгое время мутуалистические и антагонистические симбиозы изучали раздельно и даже противопоставляли друг другу. Однако исследования последних лет, проводимые главным образом на моделях микробно-растительных симбиозов, показали, что мутуалистические и антагонистические взаимодействия основаны на сходных мо — лекулярных и клеточных механизмах (Comprehensive and.., 2007; Тихонович, Про — воров, 2009). Например, гифы грибов арбускулярной микоризы (АМ), проникая в кортекс корня, образуют особые выросты — арбускулы, которые, подобно гаусто — риям грибов-патогенов, глубоко проникают в растительные клетки. Мутуалисти — ческие и патогенные для растений бактерии способны передавать в клетки хозяина

белки-эффекторы с помощью систем секреции 3 и 4-го типов, обеспечивая пере — стройку метаболизма хозяина на симбиотическое взаимодействие (Deakin, Brough — ton, 2009). Результатом этих процессов является глубокая интеграция генетиче — ских систем партнеров, приводящая к развитию у них новых, адаптивно значимых признаков: в N2-фиксирующих клубеньках клетки растений и бактерий (ризобий) формируют единую систему обмена веществ и энергии, которая обеспечивает координированное распределение С — и N-метаболитов между партнерами (Прово — ров, Долгих, 2006).

Несмотря на структурное и биохимическое сходство мутуализма и антагониз — ма, пути их эволюции сильно различаются. Природа этого различия долгое время оставалась загадочной: один из выдающихся эволюционистов XX в. Дж. Майнард Смит (Maynard Smith, 1989) сформулировал оставленный им без ответа вопрос:

«Зачем микросимбионтам нужно быть полезными для своего хозяина, если они уже получили выгоду, проникнув в него?» Действительно, при паразитизме каждый из партнеров формирует признаки, определяющие его собственную экологическую приспособленность (вирулентность полезна для патогена, а устойчивость к нему — для хозяина), тогда как при мутуализме часто возникают признаки, которые непо — средственно используются не своим обладателем, а партнером по симбиозу: азот, фиксируемый из атмосферы ризобиями, или фосфаты, поглощаемые из почвы АМ-грибами, полностью поступают в растение.

Вопрос о механизмах становления таких признаков очень важен, поскольку от — ношения мутуализма сыграли огромную роль в органической эволюции: достаточ — но вспомнить симбиогенное происхождение эукариотических клеток (Маргелис,

1983), а также глубокую зависимость от симбиотических микробов, характерную практически для всех растений и для многих (в первую очередь — для растительно — ядных) животных (Douglas, 1994). Современные знания об эколого-генетических механизмах симбиоза позволяют нам обратиться к выявлению факторов его эво — люции, что требует существенного расширения представлений о механизмах есте — ственного отбора: в популяциях симбиотических организмов он может быть пред — ставлен как непосредственный результат взаимодействий, осуществляемых на молекулярном, клеточном и физиологическом уровнях.

Симбиоз на молекулярном уровне

Наиболее полные представления о молекулярных отношениях, которые скла — дываются между микробами и растениями, получены на модели N2-фиксирующего бобово-ризобиального симбиоза (Тихонович, Проворов, 2009). Для него характер — на тесная кооперация генных систем партнеров: при проникновении в растение у бактерий активируются nif-гены, кодирующие нитрогеназу, которая осуществляет фиксацию азота, передаваемого хозяину в обмен на продукты фотосинтеза (Камин — ски и др., 2002). Однако за фасадом этих взаимовыгодных отношений стоят сложные регуляторные взаимодействия (обратные связи) партнеров, включающие элементы антагонизма (рис. 1). Они проявляются уже на первых этапах симбиоза, когда про — исходит узнавание и сигнальное взаимодействие партнеров, запускающее морфо — генез клубенька. Синтез молекулярных сигналов — Nod-факторов, индуцирующих этот процесс, происходит под контролем бактериальных nod-генов, активируемых флавоноидами, которые сходны с фитоалексинами, защищающими растения от па-

тогенов (Ovtsyna, Staehelin, 2005). Да и сами Nod-факторы — модифицированные олигомеры хитина — сходны с элиситорами защитных реакций не только по хими — ческой структуре, но и по способности вызывать у растений местные и локальные ответы, характерные для фитопаразитарных отношений.

Рис. 1. Обратные связи, определяющие индивидуальное развитие и эволюцию бобово — ризобиального симбиоза.

А — локальные взаимодействия при колонизации бактериями корней. Б — системные взаимодействия при развитии клубеньков.

В — метаболическая интеграция партнеров симбиоза.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Клетка ризобий на стадии преинфекции.

Выделение флавоноидов, активирующих гены вирулентности бактерий. Синтез и выделение Nod-факторов, активирующих образование клубенька. Клетка корневого волоска, инфицируемая бактериями.

Закладка примордия в кортексе корня.

Колонизация бактериями, находящимися в инфекционной нити, тканей молодого клубенька.

Развитие клубенька и его сигнальное воздействие на надземные органы. Системная авторегуляция образования клубеньков.

Фиксация азота в клубеньке.

Усиление азотного питания растений, приводящее к увеличению потока углерода в клубеньки

В последующем развитии клубенька также задействовано множество защит — ных факторов, включая активные формы кислорода и белки, сходные с экстен — синами и гидролитическими ферментами (Jones et al., 2007). Образуемые с их участием обратные связи партнеров являются отрицательными, что наиболее

ярко проявляется при системной регуляции клубенькообразования, благодаря которой симбиотрофное питание азотом координируется с другими функциями растений. В эту регуляцию вовлечены факторы типа CLAVATA (контролируют развитие меристем), которые ограждают растения от образования избытка клу — беньков, причем эти факторы не связаны с устойчивостью к патогенам (Kinkema et al., 2006).

На поздних стадиях бобово-ризобиального симбиоза сходство с патогенными отношениями еще более уменьшается: партнеры формируют объединенную биохи — мическую систему, через которую происходит обмен С- и N-метаболитами, тогда как при антагонизме их движение одностороннее — от хозяина к патогену (Прово — ров, Долгих, 2006). Весьма интригующим оказалось то, что со стороны бактерий эти отношения с растением организованы как запрограммированный альтруизм. Дей — ствительно, у подавляющего большинства ризобий nif-гены активируются только в клубеньках, где они работают в условиях избытка азота, ассимилируемого расти — тельной клеткой. У некоторых ризобий N2-фиксация сопровождается превращени — ем в нежизнеспособные бактероиды, которые по мере обновления тканей клубенька разрушаются растительными клетками (Brewin, 2004): бактерии жертвуют собой для того, чтобы снабдить растение азотом! Правда, в бактероиды превращаются не все находящиеся в клубеньках бактерии: значительная их часть продолжает размно — жаться и после отмирания клубеньков переходит в состав почвенной популяции. Однако эти клетки N2 не фиксируют и, потребляя растительные метаболиты, функ — ционируют как фитопатогены.

Могла ли подобная система межорганизменных отношений возникнуть путем естественного отбора? Долгое время этот вопрос вызывал споры среди эволюцио- нистов, которые, вслед за Ч. Дарвином (1991, с. 173), считали, что «отбор не мо — жет произвести у одного вида чего-нибудь такого, что служило бы исключительно на пользу… другому виду». Действительно, сведение всех вариантов отбора к его простейшей, индивидуальной форме, направленной на повышение приспособлен — ности отдельных генотипов (Тимофеев-Ресовский и др., 1977), несовместимо с изучением альтруистических отношений, играющих ключевую роль в развитии и эволюции симбиоза.

Симбиоз и биологический альтруизм

Первым исследователем, который попытался вскрыть генетико-эволюционные основы биологического альтруизма, был Дж. Б. С. Холдэн (1935) — один из осно- воположников синтетической теории эволюции. Он определил биологический альтруизм как внутривидовое взаимодействие, повышающее приспособленность одного организма за счет ее снижения у другого организма. В качестве примера та — ких отношений автор рассматривал заботу о потомстве, которая сопровождается снижением жизнеспособности родителей, обеспечивающих выживание потомков: они-то и подхватывают полученные от родителей «гены альтруизма», сохраняя их в популяции (рис. 2А). В. Гамильтон (Hamilton, 1964) и Дж. Майнард Смит (May — nard Smith, 1964) дали математическую интерпретацию происходящих при этом селективных процессов, предположив, что альтруизм закрепляется в популяции тогда, когда суммарный экологический выигрыш, получаемый реципиентами аль — труизма (b — benefit), проигрыш, испытываемый донорами альтруизма (c — cost),

и коэффициент генетического родства доноров и реципиентов (k — kinship) связа — ны «неравенством Гамильтона»:

k ⋅ b — c > 0 . (1).

Выполнение этого неравенства означает, что объектом отбора является группа

особей, в которой суммарный баланс выживаемости возрастает за счет ее снижения

у отдельных индивидов, вплоть до их запрограммированной гибели. Такой отбор

получил название «родственного», поскольку он осуществляется в группе генети-чески близких особей, относящихся к одной семье или дему.

Рис. 2. Основные формы биологического альтруизма.

А — внутривидовой (социальный, однонаправленный) альтруизм, поддерживаемый родственным отбором (уравнение (1)): в системе заботы о потомстве донором альтруиз — ма является материнский организм, реципиентом альтруизма — потомок.

Б — межвидовой (симбиотический, реципрокный) альтруизм, поддерживаемый благо — даря координированному действию отбора на партнеров мутуалистического симбиоза (система уравнений (2)).

Может ли биологический альтруизм, допустимый для межвидовых отношений, проявляться при симбиозе: ведь если в альтруистические отношения вступают не — родственные организмы, то кто подхватит гены альтруизма после гибели его доно — ра? Для того чтобы применить понятие альтруизма к мутуалистическим отношени — ям, С. Фрэнк (Frank, 1994) предположил, что для каждого из взаимодействующих организмов экологический выигрыш превосходит проигрыш, связанный с предо — ставлением партнеру «взаимных услуг» (рис. 2Б):

⎧ r ⋅ b1 — c1 > 0

⎩r ⋅ b2 — c2 > 0

(2),

где r > 0 — коэффициент корреляции между величинами экологического выи — грыша, получаемого партнерами. По своему биологическому смыслу он близок к коэффициенту родства в неравенстве (1): величины r и k характеризуют сохранение эффектов альтруизма в биосистемах, стабильность которых обеспечивается тесны — ми взаимодействиями их компонентов. Иными словами, мутуализм может быть представлен как результат межвидового (реципрокного или согласованного) аль — труизма, в результате которого у каждого из взаимодействующих организмов закре — пляются гены, которые повышают жизнеспособность не у своего непосредственного обладателя, а у партнера по симбиозу.

Отбор в системе межвидового альтруизма

До недавнего времени изучение механизмов отбора в системах симбиоза было ограничено его антагонистическими формами (паразитизм). В этом случае обрат — ные связи партнеров являются отрицательными (Pimentel, 1968): повышение при — способленности у одного из них снижает приспособленность другого партнера (по — явление у патогена новых факторов вирулентности снижает приспособленность хозяина, вызывая у него выработку комплементарных механизмов устойчивости). Происходящие при этом коэволюционные процессы основаны на действии инди — видуального (дарвиновского, частотно-зависимого) отбора в популяциях патогенов (по признаку вирулентности) и хозяев (по признаку устойчивости) и ведут к фор — мированию характерных для патогенеза систем «ген-на-ген».

В популяциях мутуалистических симбионтов происходят более сложные селек — тивные процессы, так как при мутуализме обратные связи партнеров носят поло — жительный характер: повышение приспособленности у одного из них является бла — гоприятным для другого партнера. Поскольку мутуалистическое взаимодействие может быть представлено как результат межвидового альтруизма (раздел 2), логич — но предположить, что в его поддержании ведущую роль играют групповые формы отбора, действующие в многочисленных и сложно организованных бактериальных популяциях, которые претерпевают закономерные перестройки при эндосимбиоти — ческом взаимодействии с растением. Их анализ показал, что в эндосимбиотической популяции ризобий индуцируется межгрупповой (междемовый) отбор, связанный с клональным размножением азотфиксирующих штаммов in planta (рис. 3А). В осно — ве этого отбора лежит то, что бактерии, поставляющие растению азот, получают от него избыток углеводов, используемых для размножения. В то же время, наруше — ния фиксации N2 могут приводить к «санкциям» со стороны хозяина, который огра- ничивает питание микроорганизмов и индуцирует против них защитные реакции (Denison, 2000). Межгрупповой отбор в популяции бактерий может быть усилен благодаря полиморфизму растительной популяции по признаку восприимчивости к инокуляции фиксирующими и не фиксирующими N2 штаммами: в этом случае ме — таболические обратные связи партнеров (рис. 3А) дополняются популяционными обратными связями (рис. 3Б), усиливающими отбор в пользу мутуализма.

Другая стратегия отбора на повышение эффективности мутуализма может быть связана с разделением клонов микросимбионта на субклоны, либо прино — сящие пользу хозяину за счет снижения собственной жизнеспособности («аль — труисты»), либо реализующие предоставляемые хозяином питательные ресурсы («эгоисты»). Это разделение возникает у тех видов ризобий, которые фиксируют

Рис. 3. Междемовый отбор в клональной эндосимбиотической популяции ризобий, основанный на их обратных связях с растением.

Фиксирующие (Fix+) и не фиксирующие (Fix–) N2 штаммы ризобий подвергаются действию метаболических обратных связей (А), основанных на обмене партнеров

С — и N-соединениями, либо популяционных обратных связей (Б), основанных на по — лиморфизме растительной популяции по восприимчивости к инокуляции Fix+ и Fix– штаммами (обозначены темными и белыми овалами соответственно).

N2 после трансформации в нежизнеспособные бактероиды (рис. 4А): на такие бак — терии действует родственный отбор, описываемый неравенством (1). Важно отме — тить, что у организмов, размножающихся половым путем (например, у животных, проявляющих заботу о потомстве; рис. 2А), этот отбор действует на фоне ограни — ченного родства доноров и реципиентов альтруизма (при свободном скрещивании k ≤ 0,5). Однако у ризобий эффективность родственного отбора гораздо выше в связи с клональностью симбиотических популяций: если каждый клубенек со — держит потомство одной клетки, то родство доноров и реципиентов альтруизма максимально (k = 1).

Рис. 4. Селективные процессы в популяциях ризобий, связанные с их дифференциаци — ровкой в нежизнеспособные бактероиды.

А — адаптивный альтруизм при клональном размножении ризобий in planta; нежизне- способные бактероиды обозначены перечеркнутыми Y-образными клетками (родствен — ный отбор на поддержание мутуализма).

Б — неадаптивный альтруизм при смешанном размножении ризобий in planta (отбор на — правлен против мутуализма); фиксирующие (Fix+) и не фиксирующие (Fix–) N2 (штам — мы ризобий обозначены темными и белыми овалами соответственно).

Групповой отбор может обеспечить эволюцию признаков мутуализма в попу — ляциях микросимбионтов при их клональном размножении in planta, однако при смешанном размножении этот отбор неэффективен, так как метаболические обрат — ные связи могут приводить к предпочтительному размножению не фиксирующих N2 штаммов (рис. 4Б). Для выяснения механизмов эволюции мутуализма в этих неблагоприятных для его проявления условиях мы использовали разработанную ранее (Воробьев, Проворов, 2008; Проворов, Воробьев, 2009; Provorov, Vorobyov,

2006, 2008) методологию математического моделирования, что позволяет изучать отбор на повышение эффективности мутуалистического симбиоза (ЭМС), пред — ставленной как его влияние на биологическую продуктивность партнеров.

Объектом моделирования была серия полиморфных симбиосистем, каждая из которых содержит два генотипа растений (Г1 и Г2) и четыре генотипа бактерий: не фиксирующий N2 родительский штамм Р и его три мутанта, проявляющих разную степень N2-фиксирующей активности в зависимости от генотипа растений (табл. 1). При этом один из растительных генотипов (Г1) может приобретать способность ограничивать размножение в своих клубеньках либо не фиксирующего N2 штамма

Р (вариант Г1+), либо Р и слабо фиксирующего N2 в симбиозе с этим растительным генотипом штамма М2 (вариант Г1++).

Таблица 1

Фенотипы полиморфных бобово-ризобиальных систем, образующихся при варьировании растений и бактерий по эффективности

и специфичности мутуалистического взаимодействия*

Генотипы бак — терий

Генотипы растений**

Г1

Г1+

Г1++

Г2

Р

Fix–

Nod–

Nod–

Fix–

М1

Fix++

Fix++

Fix++

Fix+/–

М2

Fix+/–

Fix+/–

Nod–

Fix++

М3

Fix+

Fix+

Fix+

Fix+

*В компьютерных31F20 .5pt;mso-border-left-alt:solid #231F20 .5pt; mso-border-alt:solid #231F20 .5pt;padding:0cm 0cm 0cm 0cm;height:13.0pt’>

Fix++

Fix+/–

М2

Fix+/–

Fix+/–

Nod–

Fix++

М3

Fix+

Fix+

Fix+

Fix+

*В компьютерных экспериментах (результаты которых представлены в табл. 2 и на рис. 5) изучена эволюция трех симбиосистем, каждая из которых состоит из диморфной рас- тительной популяции (Г1 + Г2, Г1++ Г2 или Г1+++ Г2) и полиморфной бактериальной попу — ляции (Р + М1 + М2 + М3).

**Соотношение величин азотфиксирующей активности (и обусловленной ей семенной продуктивности растений, которая является мерой эффективности симбиоза) при фенотипах симбиоза (Fix+/– : Fix+ : Fix++), формируемого в различных сочетаниях генотипов партнеров, равно 1 : 2 : 3. При фенотипе Nod– соответствующий штамм ризобий исключен из размно — жения в клубеньковой нише (где его численность сохраняется на уровне исходного иноку — люма, возникшего при миграции бактерий из ризосферы); при фенотипе Fix– отсутствует N2-фиксирующая активность, хотя ризобии размножаются в клубеньках.

Компьютерные эксперименты показали (табл. 2), что ЭМС, вычисленная на основе семенной продуктивности всей популяции растений, как и частота расти — тельного генотипа Г1, повышается вместе с ограниченностью размножения неак — тивных N2-фиксаторов в его клубеньковой нише. Отбор, действующий со стороны

генотипа Г1 на специфичного симбионта (М1), всегда положителен, тогда как отбор, действующий на неспецифичного симбионта (М3), положителен только в наименее эффективной системе (Г1 + Г2), где он значительно (в 4,3 раза) менее интенсивен, чем отбор в пользу М1 (соотношение интенсивностей отбора, действующего на М3 и М1, равно +0,232). При повышении эффективности системы (переход от Г1 к Г1+ и далее к Г1++) отбор, действующий на М1, остается положительным, тогда как отбор, действующий на М3, становится отрицательным, причем в наиболее эффективной системе (Г1++ + Г2) он столь же или даже более интенсивен, как и положительный отбор, действующий на М1 (соотношение интенсивностей отбора, действующего на М3 и М1, равно – 1,0… – 1,105).

Изменения адаптивных функций симбиоза при варьировании

Таблица 2

растительного генотипа Г1 по способности ограничивать размножение

в клубеньках неактивных N2-фиксаторов*

Структура популяции растений

Частота (%)

генотипа Г2

в популяции

растений

ЭМС** при взаимодей — ствии растений с по — лиморфной популяцией бактерий

(Р + М1 + М2 + М3)

Соотношение интенсивностей отбора, действующего на разные типы мутуалистов (М3 : М1)

при изменении репродуктивной активности***

бактерий

растений

0,376

–1,000

–1,105

* См. табл. 1.

**ЭМС — эффективность мутуалистического симбиоза, которую определяли как отно-шение количеств семян, сформированных растениями после колонизации бактериями сим-биотических ниш, к максимально возможным количествам семян, формируемых при 100%

частотах N2-фиксирующих бактерий в клубеньковых нишах (Проворов, Воробьев, 2009).

***Интенсивности отбора, действующего на бактериальные генотипы М1 и М3 при ко-лонизации клубеньковой ниши растительных генотипов Г1, Г1+, Г1++, определяли как сдви-ги частот бактериальных генотипов при малых (±1 %) изменениях системных параметров,

определяющих репродуктивную активность либо самих бактерий, либо растений (Воробьев,

Проворов, 2008).

Анализ полученных данных показал (рис. 5), что взаимодействие партнеров строится по принципу мутуализма (корреляции между изменениями частот пар — тнеров положительны) только в «специфичных» генотипических комбинациях, где N2-фиксирующая активность максимальна (Г1/М1, Г2/М2), тогда как в «антиспеци — фичных» комбинациях Г1/М2, Г2/М1 (где N2-фиксирующая активность мини — мальна) и неспецифичных комбинациях Г1/М3, Г2/М3 (с промежуточным уровнем N2-фиксирующей активности) отношения партнеров обычно оказываются антаго — нистическими (корреляции между изменениями частот партнеров отрицательны). Таким образом, моделирование популяционной динамики бобово-ризобиальной

симбиосистемы позволяет объяснить одну из основных тенденций ее эволюции — сопряженное повышение специфичности (избирательности) мутуалистического взаимодействия и его экологической эффективности (Проворов, 2009).

Рис. 5. Взаимодействия между компонентами бобово-ризобиальной системы, поли — морфной по эффективности мутуализма и по специфичности его проявления.

При анализе связей между изменениями частот генотипов партнеров в симбиосистемах, описанных в таблицах 1 и 2, стабильно положительные корреляции

(r = +0,57…+0,62; P0 < 0,01) выявлены для «специфичных» генотипических комбина — ций партнеров (фенотип Fix++): М1/Г1 и М2/Г2 (мутуализм); стабильно отрицательные корреляции (r = –0,58…–0,66; P0 < 0,01) — для «антиспецифичных» генотипических ком-бинаций партнеров (Fix+/–): М1/Г2 и М2/Г1 (антагонизм). Для неспецифичных геноти-пических комбинаций партнеров с участием штаммов М3 (Fix+) или Р (Fix–) отношения партнеров балансируют между антагонизмом и нейтрализмом

(r = +0,03…–0,53)

В рассмотренных случаях объектом отбора на способность к мутуализму явля — ется группа микробных клеток, взаимодействующих с хозяином лишь на определен — ной стадии жизненного цикла. Однако эволюция симбиоза этим не ограничивается, так как по мере углубления взаимной специализации партнеров взаимодействие может стать для них обязательным: некоторые бактерии в ходе коэволюции с хо — зяином утрачивают способность к автономному существованию в связи с элими — нацией значительной части генома (это характерно, например, для эндосимбион — тов насекомых, снабжающих своих хозяев незаменимыми метаболитами; Douglas,

1994). При переходе к строго облигатному мутуализму объектом отбора становится

вся симбиотическая система: организмы переходят от «реципрокного альтруизма» к «вынужденному альтруизму» (Darlington, 1978), при котором принесение пользы партнеру становится обязательным для каждого из них. Важнейший результат по — добных эволюционных процессов — становление эукариотической клетки: симбио — генное происхождение ряда ее органелл (митохондрии, пластиды, гидрогеносомы) доказывается наличием у них собственных редуцированных геномов, кодирующих системы для экспрессии генов (Маргелис, 1983).

Симбиоз как система адаптивной макроэволюции

Несмотря на широкое таксономическое и структурно-функциональое разно — образие микробно-растительных симбиозов, они составляют единый эволюцион — ный континуум, так как генные системы растений, контролирующие отношения с микроорганизмами, сформировались на основе арбускулярной микоризы (АМ) — древнейшей формы симбиоза, возникшей одновременно с выходом растений на сушу (Parniske, 2008). Поэтому эволюция N2-фиксирующих симбиозов может быть пред — ставлена как генетически запрограммированный процесс, направленность которого определяется не только канализированным действием отбора в системе обратных связей партнеров (рис. 1, 3, 4), но и наличием у растений преадаптаций, связанных с универсальностью генных систем АМ (Проворов, 2009). Направленность эволюции симбиоза проявляется в параллельном становлении гомологичных (паралогичных) структур и функций N2-фиксирующих клубеньков, которое происходило в разных семействах двудольных (клада Rosid I), формирующих симбиозы с ризобиями либо с актиномицетами Frankia. Их анцестральными формами были, по-видимому, бес — клубеньковые симбиозы, при которых бактерии колонизируют корни примитивных бобовых (например, ряда представителей подсемейства цезальпиниевых), не вызы — вая образования анатомически выраженных структур. На следующем этапе эволю — ции у растений возникли клубеньки, где бактерии фиксируют азот в субклеточных симбиотических компартментах (фиксационные нити, содержащие ризобии; вези — кулы Frankia), которые, хотя и проникают внутрь растительных клеток, не образуют структур, автономных от межклеточных компартментов. И наконец, многие бобовые образуют клубеньки, в которых азотфиксация осуществляется глубоко дифферен- цированными формами ризобий — бактероидами, находящимися в стабильно функ — ционирующих органеллах — симбиосомах, внутри растительных клеток.

Важным направлением эволюции симбиоза было совершенствование способа инфицирования корней ризобиями: от их «примитивного» проникновения через разрывы эпидермиса к более «продвинутому» инфицированию через корневые волоски (Проворов, 2009). Эта эволюция, происходившая параллельно в разных группах растений, обеспечила растениям способность отбирать из почвы только специфичных симбионтов, способных синтезировать Nod-факторы определенной структуры, что снизило вероятность заселения клубеньков посторонними организ — мами, например фитопатогенами.

Не менее важным результатом усложнения механизмов инфицирования стало усиление клональности эндосимбиотических популяций бактерий (через корневой волосок обычно проникают единичные клетки ризобий), что обеспечило установле — ние между партнерами положительных метаболических обратных связей, опреде — ляющих высокую эффективность мутуализма. Достигаемое благодаря этим связям

ограничение размножения в клубеньках не фиксирующих или слабо фиксирующих N2 штаммов ризобий, оказалось одной из эффективных стратегий эволюции на по- вышение эффективности мутуализма (табл. 1, 2). Интересно отметить, что у не- которых тропических бобовых (Aeschynomene) инфицирование корней и стеблей через разрывы эпидермиса осуществляют штаммы Bradyrhizobium, лишенные син — теза Nod-фактора и индуцирующие развитие клубеньковых примордиев с помощью цитокинин-подобных сигналов (Giraud et al., 2007). Такие формы симбиоза могут считаться переходными от малоэффективных безклубеньковых симбиозов к их высокоэффективным клубеньковым формам, которые характеризуются клональ — ной структурой эндосимбиотических популяций ризобий, формируемых благодаря инфицированию через корневые волоски.

Параллельно с усложнением структуры клубеньков у бактерий происходило усиление специализации nif-генов к выполнению симбиотических функций. Боль — шинство ризобий не синтезирует нитрогеназу в чистой культуре, показывая резкие отличия от свободноживущих азотфиксаторов по организации и регуляции nif-генов (Камински и др., 2002). Согласно наиболее вероятному эволюционному сценарию (Проворов, 2009), ризобии возникли из свободноживущих азотфиксаторов, которые приобрели способность формировать ризосферные или эндофитные ассоциации, а затем и вызывать развитие клубеньков, индуцируемое Nod-факторами. Возникшие при этом «первичные» формы ризобий сохранили способность фиксировать N2 в чи — стой культуре (примерами являются виды Bradyrhizobium, родственные ризосфер — ным азотфиксаторам Azospirillum). В системах «растение–почва» происходила пере — дача генов биосинтеза Nod-факторов (иногда вместе с nif-генами) из «первичных» ризобий в широкий круг бактерий, в том числе в фитопатогены (Agrobacterium) или в защитные симбионты (Pseudomonas). Возникшие при этом ризобии не обладали спо — собностью фиксировать N2 ex planta, так как в прошлом они не были диазотрофами. Примерами таких «вторичных» форм можно считать виды Rhizobium и Sinorhizobium, близкие к агробактериям, а также недавно открытые симбионты тропических бобо — вых, сходные с псевдомонадами (Provorov, Vorobyov, 2009).

Общим итогом этих эволюционных процессов стало возрастание уровня N2- фиксирующей активности, которая низка для безклубеньковых симбиозов, однако достигает 550–600 кг азота на га за сезон у бобовых галегоидного комплекса, на — пример у козлятника восточного Galega orientalis и люцерны посевной Medicago sativa (Проворов, Тихонович, 2003), клубеньки которых обладают весьма слож — ной тканевой и клеточной структурой. Важно отметить, что эти бобовые вступают в симбиоз с эволюционно молодыми «вторичными» ризобиями Rhizobium galegae и Sinorhizobium meliloti, которые образуют глубоко дифференцированные бактероиды и характеризуются высокой N2-фиксирующей активностью в сочетании со специ — фичностью к узкому кругу растений, инфицируемых через корневые волоски.

Использование современных генетических методов позволило подойти к вы — яснению молекулярных основ эволюции симбиоза на повышение экологической эффективности мутуализма. На примере бобовых было показано, что симбиоз эво — люционировал путем рекрутирования генов из систем, контролирующих «несим — биотические» функции растений (азотно-углеродный обмен, клеточный цикл, пе — редача сигнальной информации, гормональная регуляция генной активности) под действием селективных факторов, обеспечивающих: а) повышение эффективности симбиотрофного питания азотом; б) дифференциацию ризобий от фитопатогенов

и ограничение антагонистических взаимодействий растительных и бактериальных клеток в клубеньках.

Таким образом, эволюция симбиоза, которая на фенотипическом уровне вы — глядит как реализация преадаптаций, обусловленных способностью растений фор — мировать АМ, на молекулярном уровне проявляется как закономерное вовлечение функционально разнородных генов в систему межорганизменного взаимодействия под действием селективных факторов, повышающих эффективность симбиотроф — ного питания растений азотом, а бактерий — углеродом (Проворов и др., 2002).

Заключение

Изучение эволюции симбиоза — одно из наиболее увлекательных и плодотвор — но развивающихся направлений эволюционного учения: использование симбиоти — ческих моделей позволило существенно дополнить созданное Ч. Дарвином (1991) представление о естественном отборе как ведущем факторе адаптивной эволюции. Действительно, описание эволюции признаков мутуализма у симбиотических ми — кробов оказалось возможным благодаря экстраполяции понятия биологического альтруизма с внутривидовых на межвидовые отношения. Этот подход позволил нам показать участие групповых форм отбора (междемовый, родственный) в ста — новлении мутуализма: отбор в надорганизменных системах происходит в результа — те не столько «борьбы за существование», сколько кооперативного взаимодействия организмов, которое является условием их совместного выживания в меняющихся условиях среды.

Другой пример продуктивного использования симбиотических моделей в раз — витии эволюционной биологии связан с анализом соотношения макро — и микроэво — люционных процессов. Благодаря канализированному действию отбора, осущест — вляемого на фоне преадаптаций (связанных с наличием у растений универсальных генных систем АМ), историческое развитие симбиозов предстает перед нами как пример постулированного Ч. Дарвином (1991), однако позднее вызывавшего острые дискуссии (Воронцов, 2004) адаптивного характера макроэволюции. Действитель — но, в различных филогенетических линиях бобовых происходило параллельное усложнение тканевых и клеточных структур клубеньков, которое было связано с повышением уровня симбиотической N2-фиксации, обеспечивающей высокий ре — продуктивный потенциал партнеров.

Несмотря на значительный прогресс в изучении эволюции симбиоза, мы нахо — димся еще на его начальных этапах, связанных с анализом популяционной динамики отдельно взятых партнеров, например бактерий в системе «хозяин–среда». Перспек- тивой этих исследований является переход к моделированию эволюции симбиоза как целостной надорганизменной системы, свойства которой не могут быть сведены к свойствам отдельно изучаемых компонентов. Такой подход требует использования принципиально новых критериев, характеризующих симбиоз как биосистему, облада — ющую собственным генотипом, который определяет ее структурно-функциональные свойства и адаптивные возможности. Разработка таких критериев, которые позволят изучать связь внутренней организованности симбиосистемы с ее экологической эф — фективностью, является задачей нашей дальнейшей работы.

Работа поддержана РФФИ, грант 09-04-00907а.

Литература

Воробьев Н. И., Проворов Н. А. Моделирование эволюции бобово-ризобиального симбиоза при мультиштаммовой конкуренции бактерий за инокуляцию симбиотических ниш // Экологическая генетика. 2008. Т. 6. № 4. С. 3–11.

Воронцов Н. Н. Развитие эволюционных учений в биологии. М. : Т-во науч. изд. КМК, 2002.

432 с.

Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора. СПб. : Наука, 1991. 539 с.

Камински П., Батут Ж., Боистард П. Контроль симбиотической фиксации азота ризо — биями // Rhizobiaceae. Молекулярная биология бактерий, взаимодействующих с растениями / под ред. Г. Спайнка, А. Кондороши, П. Хукаса. СПб. : Бионт, 2002. С. 465–492.

Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М. : Мир, 1983. 351 с.

Проворов Н. А. Растительно-микробные симбиозы как эволюционный континуум // Журнал общей биологии. 2009. Т. 70. № 1. С. 10–34.

Проворов Н. А., Борисов А. Ю., Тихонович И. А. Сравнительная генетика и эволюционная мор — фология симбиозов растений с микробами-азотфиксаторами и эндомикоризными гриба — ми // Журнал общей биологии. 2002. Т. 63. № 6. С. 451–472.

Проворов Н. А., Воробьев Н. И. Моделирование коэволюции бактерий и растений в системе мутуалистического симбиоза // Генетика. 2009. Т. 45. № 5. С. 581–594.

Проворов Н. А., Долгих Е. А. Метаболическая интеграция организмов в системах симбиоза // Журнал общей биологии. 2006. Т. 67. № 6. C. 403–422.

Проворов Н. А., Тихонович И. А. Эколого-генетические принципы селекции растений на повы — шение эффективности взаимодействия с микроорганизмами // Сельскохозяйственная биология. 2003. № 3. С. 11–25.

Тимофеев-Ресовский Н. В., Воронцов Н. Н., Яблоков А. В. Краткий очерк теории эволюции. М. : Наука, 1977. 301 с.

Тихонович И. А., Проворов Н. А. Симбиозы растений и микроорганизмов: молекулярная гене — тика агросистем будущего. СПб. : Изд-во СПбГУ, 2009. 210 с.

Холдэн Дж. Б. С. Факторы эволюции. М. ; Л. : Биомедгиз, 1935. 122 с.

Brewin N. J. Plant cell wall remodeling in the Rhizobium-legume symbiosis // Critical Reviews in

Plant Science. 2004. Vol. 23. P. 1–24.

Comprehensive and Molecular Phytopathology / eds. by Y. T. Dyakov, V. Dzhavakhiya, T. Korpela

Amsterdam : Elsevier, 2007. 483 р.

Darlington P. J. Altruism: its characteristics and evolution // Proceeding of the National Academy of Sciences of USA. 1978. Vol. 75. № 1. P. 385–389.

Deakin W. J., Broughton W. J. Symbiotic use of pathogenic strategies: rhizobial protein secretion systems // Nature Reviews. Microbiology. 2009. Vol. 7. P. 312–320.

Denison R. F. Legume sanctions and the evolution of symbiotic cooperation by rhizobia // The

American Naturalist. 2000. Vol. 156. P. 567–576.

Douglas A. E. Symbiotic Interactions. Oxford : Oxford Univ. Press, 1994. 148 p.

Frank S. A. Genetics of mutualism: the evolution of altruism between species // Journal of

Theoretical Biology. 1994. Vol. 170. P. 393–400.

Giraud E., Moulin L., Vallenet D., Barbe V., Cytryn E., Avarre J.-C., Jaubert M., Simon D., Cartieaux F., Prin Y., Bena G., Hannibal L., Fardoux J., Kojadinovic M., Vuillet L., Lajus A., Cruveiller S., Rouy Z., Mangenot S., Segurens B., Dossat C., Franck W. L., Chang W.-S., Saunders E., Bruce D., Richardson P., Normand P., Dreyfus B., Pignol D., Stacey G., Emerich D., Verméglio A., Médigue C., Sadowsky M. Legumes symbioses: absence of nod genes in photosynthetic bradyrhizobia // Science. 2007. Vol. 316. № 5829. P. 1307–1312.

Hamilton W. D. J. The genetical evolution of social behavior // Journal of Theoretical Biology.

1964. Vol. 7. P. 1–16.

Jones K. M., Kobayashi H., Davies B. W., Taga M. E., Walker G. C. How rhizobial symbionts invade plants: the Sinorhizobium-Medicago model // Nature Reviews. 2007. Vol. 5. P. 619–633.

Kinkema M., Scott P. L., Gresshoff P. M. Legume nodulation: successful symbiosis through short — and long-distance signaling // Functional Plant Biology. 2006. Vol. 33. P. 707–721.

Maynard Smith J. Group selection and kin selection // Nature. 1964. Vol. 201. P. 1145–1147.

Maynard Smith J. Generating novelty by symbiosis // Nature. 1989. Vol. 341. P. 284–285.

Ovtsyna A. O., Staehelin C. Bacterial signals required for the Rhizobium-legume symbiosis // Re — cent Research Development in Microbiology. 2005. Vol. 7. P. 631–648.

Parniske M. Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses // Nature Reviews.

Microbiology. 2008. Vol. 6. P. 763–775.

Pimentel D. Population regulation and genetic feedback // Science. 1968. Vol. 159. P. 1432–1437.

Provorov N. A., Vorobyov N. I. Interplay of Darwinian and frequency-dependent selection in the host-associated microbial populations // Theoretical Population Biology. 2006. Vol. 70. № 3. P. 262–272.

Provorov N. A., Vorobyov N. I. Equilibrium between the «genuine mutualists» and «symbiotic cheaters» in the bacterial population co-evolving with plants in a facultative symbiosis // Theoretical Population Biology. 2008. Vol. 74. № 4. P. 345–355.

Provorov N. A., Vorobyov N. I. Host plant as on organizer of microbial evolution in the beneficial symbioses // Phytochemical Reviews. 2009. Vol. 8. P. 519–534.

Evolution of Symbiotic Systems: the Programmed Selection Caused by Pre-Adaptations and by Partners’ Feedbacks

N. A. Provorov, N. I. Vorobyov, I. A. Tikhonovich

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology

St.-Petersburg, Pushkin, Russia: provorov@newmail. ru

Active development of the symbiosis genetics allows us to study the evolution of beneficial (mutualistic) interactions which are widely distributed in biocenoses and play an important role in the natural histories of many organisms. For a long time, mutualism evolution was not explained adequately within the frames of natural selection theory since the organisms within symbiotic systems often display the altruistic traits beneficial not for their owners, but for the symbiotic partners. Using the N2-fixing symbiosis between leguminous plants and nodule bacteria we demonstrated that evolution of these traits may be based on the group (inter-deme, kin) selection in the microsymbiont populations as well as on the co-evolutionary processes responsible for increasing the specificity of partners’ interactions and on the restricted in planta multiplication of low-active N2-fixers. This selection operates on the background of pre-dispositions for N2-fixing symbiosis which are based on the plant ability to form the universal arbuscular mycorrhizal symbiosis and are responsible for the adaptive macroevolution of the nodule structures and functions.

Keywords: symbiosis, mutualism, evolution, natural selection, mathematical simulation, bacterial-plant symbiosis, symbiotic diazotrophy, feedback, biological altruism.

Материал взят из: Чарльз Дарвин и современная биология. Труды Международной научной конференции (21–23 сентября 2009 г., Санкт — Петербург)