Comparison of the variability and nitrogen-fixing activity of rhizobia strains isolated from Trifolium Hybridum L. and Galegaorientalis Lam. nodules at different stages of plant vegetation

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: The beginning of the life cycle of a leguminous plant in its natural habitat is usually associated with interaction with nodule bacteria in order to form a nitrogen-fixing symbiosis. In a short period of time, a plant needs to “choose” suitable microsymbionts for itself. Since a wide variety of rhizobial strains is formed in the rhizosphere of legumes, the choice made by the macrosymbiont will further influence its productivity.

AIM: The purpose of our work was to compare the principles of selection by different plants of their microsymbionts at different stages of plant development.

MATERIALS AND METHODS: Nodule bacteria Trifolium hybridum L. and Galegaorientalis Lam. were taken into the study. Their genetic diversity was studied by the RAPD method, a phylogenetic analysis of bacteria and their symbiotic nodC and nifH genes was carried out, and their nitrogen-fixing activity was assessed.

RESULTS: It was found that the rhizobia that form nodules on the roots of the studied leguminous plants at different stages of their vegetation have certain patterns. It was found that the highest polymorphism and specific nitrogen-fixing activity are characteristic of bacteria obtained from nodules formed at the initial stage of vegetation.

CONCLUSIONS: We assume that the plasticity of the rhizobia genome gives the host plant the ability to more flexibly adjust its nitrogen-fixing apparatus to changes in growing conditions.

About the authors

Andrei Kh. Baymiev

Institute of Biochemistry and Genetics — Subdivision of the Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: baymiev@anrb.ru
ORCID iD: 0000-0001-6637-9365
SPIN-code: 1919-5236

Dr. Sci. (Med.), leading research associate, Laboratory of plant and microbial bioengineering

Russian Federation, Ufa

Igor S. Koryakov

Institute of Biochemistry and Genetics — Subdivision of the Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: koryakov_igor@mail.ru
SPIN-code: 5586-7123

postgraduate student, Laboratory of plant and microbial bioengineering

Russian Federation, Ufa

Ekaterina S. Akimova

Institute of Biochemistry and Genetics — Subdivision of the Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: iv.katerina-bio@yandex.ru
SPIN-code: 6595-2452

Cand. Sci. (Biol.), research associate, Laboratory of plant and microbial bioengineering

Russian Federation, Ufa

Anastasiya A. Vladimirova

Institute of Biochemistry and Genetics — Subdivision of the Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: vladimirovaw@bk.ru
SPIN-code: 2059-9396

Cand. Sci. (Biol.), research associate, Laboratory of plant and microbial bioengineering

Russian Federation, Ufa

Rustam T. Matniyazov

Institute of Biochemistry and Genetics — Subdivision of the Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: rmat@mail.ru
SPIN-code: 6798-7913

Cand. Sci. (Biol.), research associate, Laboratory of plant and microbial bioengineering

Russian Federation, Ufa

Alexei Kh. Baymiev

Institute of Biochemistry and Genetics — Subdivision of the Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: baymiev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0606-6740
SPIN-code: 3771-4063

Dr. Sci. (Biol.), head of Laboratory of plant and microbial bioengineering

Russian Federation, Ufa

References

  1. Spoerke JA, Wilkinson HH, Parker MA. Nonrandom genotypic associations in a legumе — Bradyrhizobium mutualism. Evolution. 1996;50(1):146–154. doi: 10.1111/j.1558-5646.1996.tb04481.x
  2. Paffetti D, Daguin F, Fancelli S, et al. Influence of plant genotype on the selection of nodulating Sinorhizobium meliloti strains by Medicago sativa. Antonie van Leeuwenhoek. 1998;73:3–8. doi: 10.1023/a:1000591719287
  3. Carelli М, Gnocchi S, Fancelli S, et al. Genetic diversity and dynamics of Sinorhizobium meliloti populations nodulating different alfalfa cultivars in Italian soils. Appl Environ Microbiol. 2000;66(11):4785–4789. doi: 10.1128/AEM.66.11.4785-4789.2000
  4. Andronov EE, Terefework Z, Roumiantseva ML, et al. Symbiotic and genetic diversity of Rhizobium galegae isolates collected from the Galegaorientalis gene center in the Caucasus. Appl Environ Microbiol. 2003;69(2):1067–1074. doi: 10.1128/AEM.69.2.1067-1074.2003
  5. Ling J, Wang H, Wu P, et al. Plant nodulation inducers enhance horizontal gene transfer of Azorhizobium caulinodans symbiosis island. PNAS. 2016;113(48):13875–13880. doi: 10.1073/pnas.16151211
  6. Vavilov PP, Khaig KhA. Vozdelyvanie i ispol’zovanie kozlyatnika vostochnogo. Leningrad: Kolos, 1982. 72 p. (In Russ.)
  7. Nadezhkin SN, Kuznetsov IYu. Kozlyatnik vostochnyi na korm i semena. Ufa: BGAU, 2008. 143 p. (In Russ.)
  8. Romero D, Martinez-Salazar J, Girard L, et al. Discrete amplifiable regions (amplicons) in the symbiotic plasmid of Rhizobium etli CFN42. J Bacteriol. 1995;177(4):973–980. doi: 10.1128/jb.177.4.973-980.1995
  9. Baymiev AnKh, Ptitsyn KG, Baimiev AlKh. Influence of the introduction of Caragana arborescens on the composition of its root-nodule bacteria. Microbiology. 2010;79:115–120. (In Russ.) doi: 10.1134/S0026261710010157
  10. Williams JG, Kubelik AR, Livak KJ, et al. DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers. Nucleic Acids Res. 1990;18(22):6531–6535. doi: 10.1093/nar/18.22.6531
  11. Laguerre G, Mavingui P, Allard MR, et al. Typing of rhizobia by PCR DNA fingerprinting and PCR-restriction fragment length polymorphism analysis of chromosomal and symbiotic gene regions: application to Rhizobium leguminosarum and its different biovars. J Appl Environ Microbiol. 1996;62(6):2029–2036. doi: 10.1128/aem.62.6.2029-2036.1996
  12. Weisburg WG, Barns SM, Pelletier DA, Lane DJ. 16S ribosomal DNA amplification for phylogenetic study. J Bacteriol. 1991;173(2):697–703. doi: 10.1128/jb.173.2.697-703.1991
  13. Baymiev AnKh, Ivanova ES, Gumenko RS, et al. Analysis of symbiotic genes of leguminous root nodule bacteria grown in the Southern Urals. Russian Journal of Genetics. 2015;51:1172–1180. (In Russ.) doi: 10.1134/S1022795415110034
  14. Umarov MM. Assotsiativnaya azotfiksatsiya. Moscow: MGU Publ., 1989. 136 p. (In Russ.)
  15. Śliwka J, Sobkowiak S, Lebecka R, et al. Mating type, virulence, aggressiveness and metalaxyl resistance of isolates of Phytophthora infestans in Poland. Potato Res. 2006;49:155–166. doi: 10.1007/s11540-006-9013-2
  16. Osterman J, Chizhevskaja EP, Andronov EE, et al. Galegaorientalis is more diverse than Galega officinalis in Caucasus-whole-genome AFLP analysis and phylogenetics of symbiosis-related genes. Mol Ecol. 2011;20(22):4808–4821. doi: 10.1111/j.1365-294X.2011.05291.x
  17. Denison RF. Legume sanctions and the evolution of symbiotic cooperation by rhizobia. American Naturalist. 2000;156(6):567–576. doi: 10.1086/316994
  18. Kiers TE, Rousseau RA, West SA, Denison RF. Host sanctions and the legume-rhizobium mutualism. Nature. 2003;425:78–81. doi: 10.1038/nature01931

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Nodules on the roots of the eastern goat at different stages of development: a — formed in the spring; b — in the middle of the growing season; c — formed in late autumn (unlike the early periods, the nodules often do not have a red color on the cut); d — a root with destroyed nodules obtained in early spring before the beginning formation of nodules

Download (767KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Changes in the heterogeneity of nodule bacteria strains depending on the stage of vegetation of the host plant

Download (114KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Phylogenetic trees of nodule bacteria constructed on the basis of comparative analysis of 16S rRNA (a) and recA (b) gene sequences. The strains of microorganisms studied in this work are marked in bold

Download (155KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Phylogenetic trees of nodule bacteria constructed on the basis of comparative analysis of nodC (a) and nifH (b) gene sequences. The strains of microorganisms studied in this work are marked in bold

Download (133KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. The level of nitrogen-fixing activity of rhizobia strains obtained from nodules collected at different stages of plant vegetation. Visualization of variations by the Tukey method “box with mustache”. The values are shown in terms of one inoculated plant

Download (121KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Eco-Vector


 


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».