Analysis of phenotypic manifestations of mutations in the pea symbiotic gene Sym40 encoding the key developmental regulator of nitrogen-fixing nodules

Abstract

Бобово-ризобиальный симбиоз — одна из самых продуктивных систем биологической фиксации азота. Ее эффективность определяется скоординированной экспрессией генов обоих симбиотических партнеров. Мутации в генах как микро-, так и макросимбионта ведут к нарушениям в развитии клубеньков. Так, мутации в симбиотическом гена гороха Sym40 приводят к формированию белых неэффективных клубеньков, характеризующиеся аномальной гистологической организацией, гипертрофированными инфекционными нитями и инфекционными каплями, аномальной дифференцировкой бактероидов и преждевременной деградацией симбиотических структур. Целью работы являлось изучение фенотипических проявлений мутации в симбиотическом гене гороха Sym40, кодирующем ключевой регулятор развития симбиотического клубенька — транскрипционный активатор PsEFD. В ходе работы было установлено, что исследуемые мутации приводят к серьезным нарушениям в функционировании транскрипционного фактора PsEFD у гороха и могут быть супрессированы штаммами Rhizobium leguminosarum bv. viciae лишь частично. Иммунолокализация выявила накопление абсцизовой кислоты меристеме и зоне инфекции, а также снижение ее уровня в клубеньках мутантной линии sym40-1, что доказывает участие абсцизовой кислоты в функционировании клубеньков гороха. Влияния действия пониженных температур и обработки корней синтетическом аналогом цитокининов — 6-бензлиламинопурином — на клубенькообразование в ходе работы установлено не было.

Legume-rhizobial symbiosis is one of the most productive systems for biological nitrogen fixation. Its effectiveness is determined by the coordinated gene expression of both symbiotic partners. Mutations in the genes of both micro and macrosymbiont lead to abnormalities in the nodule development. Thus, mutations in the pea symbiotic gene Sym40 lead to the formation of white ineffective nodules, characterized by abnormal histological organization, hypertrophied infection threads and infection droplets, abnormal bacteroid differentiation and premature degradation of symbiotic structures. The aim of the work was to study the phenotypic manifestations of the mutations in the pea symbiotic gene Sym40 that encodes a key regulator of the development of a symbiotic nodule, the transcriptional activator PsEFD. As a result, it was found that the studied mutations lead to serious disturbances in the functioning of the PsEFD transcription factor in pea and can only be partially suppressed by strains of Rhizobium leguminosarum bv. viciae. Immunolocalization revealed accumulation of abscisic acid in the meristem and the infection zone, as well as a decrease in its level in the nodules of the sym40-1 mutant line, which proves the participation of abscisic acid in the functioning of pea nodules. The effect of low temperatures and root treatment by the synthetic cytokinin analog, 6-benzyl-aminopurine, on nodulation was not found during this study.