SIMULATION OF PLANT-BACTERIA CO-EVOLUTION IN THE MUTUALLY BENEFICIAL SYMBIOSIS


Cite item

Full Text

Abstract

The mathematical model for evolution of legume-rhizobia mutualism based on the partners' positive feedbacks resulted from their metabolic (C-N) exchange is presented. Negative FDS in rhizobia population, combined with the partners' positive feedbacks ensure anchoring or even domination of the mutants which either acquired the mutualistic traits or changed the specificity in their expression with different host genotypes. The created model allows us to consider the mutualistic symbiosis as of a finely balanced population system in which the equilibrium may be shifted in favor of beneficial microbial genotypes due to natural selection for an improved symbiotic efficiency implemented in plant population. Research is supported by RFBR grant 06-04-48800a.

About the authors

Nikolay A Provorov

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology, Saint-Petersburg, RF

Email: provorov@newmail.ru

Nikolay I Vorobyov

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology, Saint-Petersburg, RF

Email: nik4@newmail.ru

References

  1. Amarger N., Lobreau J.P., 1982. Quantitative study of nodulation competitiveness in Rhizobium strains//Appl. Environ. Microbiol. Vol. 44. P. 583-588.
  2. Bassam B.J., Mahanty H.K., Gresshoff P.M., 1987. Symbiotic interaction of auxotrophic mutants of Rhizobium trifolii with white clover (Trifolium repens)//Endocyt. C. Res. Vol. 4. P. 331-347.
  3. Bethlenfalvay G.I., Abu-Shakra S.S., Phillips D.A., 1978. Interdependence of nitrogen nutrition and photosynthesis in Pisum sativum L. II Host plant response to nitrogen fixation by Rhizobium strains//Plant Physiol. Vol. 62. P. 131-133.
  4. Brewin N.J., 2004. Plant cell wall remodeling in the Rhizobium-legume symbiosis//Crit. Rev. Plant. Sci. Vol. 23. P. 1-24.
  5. Darlington P.J., 1978. Altruism: its characteristics and evolution//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Vol. 75. P. 385-389.
  6. Denison R.F., 2000. Legume sanctions and the evolution of symbiotic cooperation by rhizobia//The Amer. Naturalist. Vol. 156. P. 567-576.
  7. Denison R.F., Kiers E.T., 2004. Lifestyle alternatives for rhizobia: mutualism, parasitism and forgoing symbiosis//FEMS Microbiol. Lett. Vol. 237. P. 187-193.
  8. Douglas A.E., 1994. Symbiotic Interactions. Oxford, New York, Toronto: Oxford Univ. Press, 148 p.
  9. Douglas A.E., 1998. Host benefit and the evolution of specialization in symbiosis//Heredity. Vol. 81. P. 599-603.
  10. Frank S.A., 1994. Genetics of mutualism: the evolution of altruism between species//J. Theor. Biol. Vol. 170. P. 393-400.
  11. Frank S.A., 1996. Host-symbiont conflict over the mixing of symbiotic lineages//Proc. Roy. Soc. London. B. Vol. 263. P. 339-344.
  12. Genkai-Kato M., Yamamura N., 1999. Evolution of mutualistic symbiosis without vertical transmission//Theor. Populat. Biol. Vol. 55. P. 309-323.
  13. Gundel P.E., Batista W.B., Texeira M. et al., 2008. Neotyphodium endophyte infection frequency in annual grass populations: relative importance of mutualism and transmission efficiency//Proc. Roy. Soc. B. Vol. 275. P. 897-905.
  14. Kiers E.T., Rousseau R.A., West S.A., Denison R.F., 2003. Host sanctions and the legume-Rhizobium mutualism//Nature. Vol. 425. P. 78-81.
  15. Kubitschek H.E., 1974. Operation of selection pressure on microbial populations//Evolution in the Microbial World. Cambridge: Univ. Press. P. 105-130.
  16. Law R., Lewis D.H., 1983. Biotic environments and the maintenance of sex -some evidence from mutualistic symbioses//Biol.J. Linn. Soc. Vol. 20 P. 249-276.
  17. Pellmur O., Huth C.J., 1994. Evolutionary stability of mutualism between yuccas and yucca moths//Nature. Vol. 372. P. 257-260.
  18. Person C., Samborski D.J., Rohringer R., 1962. The gene-for-gene concept//Nature. Vol. 194. P. 561-562.
  19. Pimentel D., 1968. Population regulation and genetic feedback//Science. Vol. 159. P. 1432-1437.
  20. Provorov N.A., Vorobyov N.I., 2000. Population genetics of rhizobia: construction and analysis of an "infection and release" model//J. Theor. Biol. Vol. 205. P. 105-119.
  21. Provorov N.A., Vorobyov N.I., 2006. Interplay of Darwinian and frequency-dependent selection in the hostassociated microbial populations//Theor. Populat. Biol. Vol. 70. P. 262-272.
  22. Provorov N.A., Vorobyov N.I., Andronov E.E., 2008. Macro-and micro-evolution of bacteria in symbiotic systems//Russian Journal of Genetics. Vol. 44. P. 6-20.
  23. Sessitsch A., Howieson J.G., Perret X. et al., 2002. Advances in Rhizobium research//Crit. Rev. Plant Sci. Vol. 21. P. 323-378.
  24. Simms E.L., Taylor D.L., 2002. Partner choice in nitrogen-fixing mutualisms of legumes and rhizobia//Integrative and Comparative Biology. Vol. 42. P. 369-380.
  25. Smith S.E., Read D.J., 1997. Mycorrhizal Symbiosis (second edition). San Diego, London, New York, Boston, Sydney, Tokyo, Toronto: Academic Press, 580 p.
  26. Sprent J.I., 2007. Evolving ideas of legume evolution and diversity: a taxonomic perspective on the ocurrence of nodulation//New Phytologist. Vol. 174. P. 11-25.
  27. Strigul N.S., Kravchenko L.V., 2006. Mathematical modeling of PGPR inoculation into the rhizosphere//Environmental Modeling and Software. Vol. 21. P. 1158-1171.
  28. Streeter J., 1995. Integration of plant and bacterial metabolism in nitrogen fixing systems//Nitrogen Fixations: Fundamentals and Applications/Eds. I.A. Tikhonovich et al. Dordrecht, Boston, London: Kluwer Acad. Publ. P. 67-76.
  29. Tikhonovich I.A., Provorov N.A., 2007. Cooperation of plants and microorganisms: getting closer to the genetic construction of sustainable agro-systems//Biotechnology Journal. Vol. 2. P. 833-848.
  30. Timmers A.C.S., Soupene E., Auriac M.C. et al., 2000. Saprophytic intracellular rhizobia in alfalfa nodules//Mol. Plant-Microbe Interact. Vol. 13. P. 1204-1213.
  31. Timofeeff-Ressovsky N.W., Jablokov A.V., Glotov N. V., 1977. Grundriss der Populationslehre. Jena: Gustav Fisher Verlag, 335 p.
  32. Vance C.P., Heichel G.H., 1991. Carbon dioxide assimilation in pulvini of Phaseolus vulgaris L.//Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Molec. Biol. Vol. 42. P. 37-42.
  33. Williams G.S., 1966. Adaptation and Natural Selection. Princeton, New York: Princeton Univ. Press, 416 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2008 Provorov N.A., Vorobyov N.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


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».