Микробиология, 2024, № 6

Российская академия наук 
МИКРОБИОЛОГИЯ 
Том 93   № 6 2024   Ноябрь–Декабрь 
Основан 1932 г.
Выходит 6 раз в год 
ISSN: 0026-3656
Журнал издается под руководством 
Отделения биологических наук РАН
Главный редактор 
Н.В. Пименов
Редакционная коллегия:
С.Н. Дедыш (заместитель главного редактора),
А.И. Слободкин (заместитель главного редактора),
Е.А. Бонч-Осмоловская, В.Ф. Гальченко, М.Ю. Грабович,
П.Н. Голышин, В.М. Горленко, В.Г. Дебабов, М.В. Донова,
Р.Н. Ивановский, И.Б. Ившина, О.В. Карначук,
М.Г. Калюжная, А.В. Пиневич, В.К. Плакунов,
Н.В. Равин, Д.Ю. Сорокин, М.М. Якимов
Зав. редакцией И.К. Кравченко
Адрес редакции: 117312, Москва, ГСП-7,
Проспект 60-летия Октября, д. 7, корп. 2, тел. 8-499-135-75-73
redakcia_microbiologiya@mail.ru   
©  
Российская академия наук, 2024
©  
Редколлегия журнала “Микробиология”
(составитель), 2024

СОДЕРЖАНИЕ
Том 93, Номер 6, 2024
ОБЗОРЫ
Геномная эволюция α-протеобактерий в системе симбиоза
Н. А. Проворов, Е. Е. Андронов................................................................................................................679
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
Methanosarcina baikalica sp. nov. Новая метаногенная архея, выделенная  
из поверхностных придонных осадков озера Байкал
Т. Н. Жилина, А. Ю. Меркель, Т. В. Колганова, В. Э. Трубицын, В. А. Щербакова,  
Н. Е. Сузина, Н. В. Пименов....................................................................................................................690
Анализ генома и реконструкция метаболических путей деградации аминокислот  
и бетаина у галоалкалофильной бактерии Anoxynatronum Sibiricum
Е. Н. Деткова, Ю. В. Болтянская, Н. В. Пименов, А. В. Марданов, В. В. Кевбрин.
................................702
Структура биокристаллического нуклеоида и его роль в регуляции диссоциативной 
фенотипической гетерогенности микробных популяций
Г. И. Эль-Регистан, Н. Е. Сузина, Е. В. Дёмкина, Ю. А. Николаев.........................................................715
Модуляция активности азитромицина в отношении моновидовых и бинарных биопленок 
Staphylococcus aureus и Kytococcus schroeteri гормоном норадреналином
Е. В. Дювенжи, И. Д. Соловьев, М. В. Сухачева, Е. Д. Неволина, М. А. Овчарова,  
Н. А. Логинова, А. М. Мосолова, С. В. Мартьянов, В. К. Плакунов, А. В. Ганнесен................................732
Анализ электрофизических профилей планктонных и биопленочных клеток  
на модели бактерий Azospirillum baldaniorum
А. В. Шелудько, С. С. Евстигнеева, Е. М. Телешева, Ю. А. Филипьечева,  
Л. П. Петрова, Д. И. Мокеев, И. В. Волохина, И. В. Борисов, В.Д. Бунин, О. И. Гулий..........................745
Изменения белковых профилей планктонных культур и биопленок Staphylococcus epidermidis, 
выращенных в анаэробных условиях в присутствии гормона CNP
А. В. Ганнесен, Р. Х. Зиганьшин, М. А. Овчарова, А. М. Мосолова, Н. А. Логинова,  
Е. В. Дювенжи, Е. Д. Неволина, С. В. Мартьянов, В. К. Плакунов.........................................................757
Биовыщелачивание медно-цинкового концентрата при разных температурных режимах
А. Г. Булаев, А. В. Артыкова, Ю. А. Елкина, А. В. Колосов, А. В. Нечаева, А. В. Белецкий,  
В. В. Кадников, В. С. Меламуд, А. В. Марданов.
......................................................................................773
Образование биологически активных соединений сибирскими штаммами Cordyceps militaris 
Т. В. Антипова, В. П. Желифонова, Б. П. Баскунов, Ю. А. Литовка,  
М. М. Патрушева, В. Б. Кешелава, Е.С. Михайлов, И. Н. Чистяков, И. Н. Павлов...............................785
Распространенность феномена продукции пептидных факторов антагонизма  
среди коагулазонегативных стафилококков
Т. В. Полюдова, Л. М. Лемкина, М. В. Антипьева, А. Л. Есаев, В. П. Коробов.
.......................................797

Cтруктурное и генетическое родство О-антигенов типовых штаммов  
Azospirillum agricola CC-HIH038 и Azospirillum doebereinerae GSF71
Е. Н. Сигида, В. С. Гринёв, М. С. Кокоулин, С. А. Коннова, Ю. П. Федоненко........................................807
Алкалотермофильные железоредуцирующие бактерии горячинского месторождения  
термальных вод
Д. Г. Заварзина, А. А. Клюкина, А. Ю. Меркель, Т. А. Маслова, А. А. Маслов......................................... 818
Филогенетическая структура бактериопланктона водоемов бассейна  
Куйбышевского водохранилища в период массового развития цианобактерий
М. В. Уманская, М. Ю. Горбунов .
............................................................................................................832
Бактериальные сообщества реки Селенги, ее притоков и Селенгинского мелководья  
в летний период 2021 года
А. С. Захаренко, И. В. Томберг, С. В. Букин, В. В. Блинов, Т. И. Земская.
..............................................849
Определение состава кишечной микробиоты рыжей вечерницы посредством  
бактериологического анализа и высокопроизводительного секвенирования 16S РРНК
И. В. Попов, И. М. Донник, Т. А. Липилкина, И. С. Березинская, Е. В. Ткачева,  
Е. А. Лукбанова, А. В. Алешукина, Ю. А. Тихменева, Т. Н. Дерезина, А. П. Евсюков,  
Т. И. Твердохлебова, А. М. Ермаков........................................................................................................864
Новые штаммы Bacillus thuringiensis subsp. israelensis, высокотоксичные для Aedes aegypti  
и Culex pipiens pipiens
В. П. Ходырев, О. В. Поленогова, А. С. Артемченко, А. В. Кривопалов, В. В. Глупов..............................870
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
Экспрессия гетерологичной феп-карбоксилазы в Methylococcus capsulatus MIR:  
влияние на ростовые характеристики и аминокислотный состав биомассы метанотрофа
С. Ю. Бут, О. Н. Розова, С. В. Чистякова, Д. С. Потапова, В. Н. Хмеленина,  
И. И. Мустахимов ..................................................................................................................................879
Индукция алкогольдегидрогеназы у дрожжей Yarrowia lipolytica  
в стрессовых условиях
Е. Н. Бирюкова, А. Ю. Аринбасарова, А. Г. Меденцев .
............................................................................884

CONTENTS
Vol. 93, No. 6, 2024
REVIEWS
Genomic Evolution of α-Proteobacteria in the Symbiotic System
N. A. Provorov and E. E. Andronov.............................................................................................................679
EXPERIMENTAL ARTICLES 
Methanosarcina baikalica sp. nov., a New Methanogenic Archaea Isolated  
from Surface Bottom Sediments of Lake Baikal 
T. N. Zhilina, A. Yu. Merkel, T. V. Kolganova, V. E. Trubitsyn, V. A. Shcherbakova,  
N. E. Suzina, N. V. Pimenov.......................................................................................................................690
Genome Analysis and Reconstruction of Metabolic Pathways of Amino Acids  
and Betaine Degradation in the Haloalkaliphilic Bacteria Anoxynatronum sibiricum
E. N. Detkova, Yu. V. Boltyanskaya, N. V. Pimenov, A. V. Mardanov, V. V. Kevbrin.......................................702
The Structure of the Biocrystalline Nucleoid and Its Role in the Regulation  
of Dissociative Phenotypic Heterogeneity of Microbial Populations
G. I. El’-Registan, N. E. Suzina, Е.V. Demkina, Yu. A. Nikolaev .
.................................................................715
Modulation of Azithromycin Activity Against Monospecies and Binary Biofilms Staphylococcus aureus  
and Kytococcus schroeteri by Norepinephrine
E. V. Diuvenji, I. D. Soloviev, M. V. Sukhacheva, E. D. Nevolina, M. A. Ovcharova,  
N. A. Loginova, A. M. Mosolova, S. V. Mart’yanov, V. K. Plakunov, A. V. Gannesen......................................732
Analysis of Electrophysical Profiles of Plankton and Biofilm Cells on the Model  
of Azospirillum baldaniorum Bacteria 
A. V. Sheludko, S. S. Evstigneeva, E. M. Telesheva, Yu. A. Filip’echeva, L. P. Petrova,  
D. I. Mokeev, I. V. Volokhina, I. V. Borisov, V.D. Bunin, O. I. Guliy..............................................................745
Changes in the Protein Profiles of Planktonic Cultures and Biofilms  
of Staphylococcus. epidermidis under Anaerobic Conditions in the Presence of the Hormone CNP
A. V. Gannesen, R. H. Ziganshin, M. A. Ovcharova, A. M. Mosolova, N. A. Loginova,  
E. V. Diuvenji, E. D. Nevolina, S. V. Mart’yanov, V. K. Plakunov.
.................................................................757
Bioleaching of Copper-Zinc Concentrate at Different Temperatures
A.G. Bulaev, A. V. Artykova, Yu. A. Elkina1 A. V. Kolosov, A. V. Nechaeva, A. V. Beletski,  
V. V. Kadnikov, V. S. Melmaud, A. V. Mardanov.
..........................................................................................773
Formation of Biologically Active Compounds by Siberian Cordyceps militaris (L.) Fr. Strains
T. V. Antipova, V. P. Zhelifonova, B. P. Baskunov, Y. A. Litovka, М. М. Patrusheva,  
V. B. Keshelava, E. S. Mikhaylov, I. N. Chistiakov, I. N. Pavlov ..................................................................785
Prevalence of the Phenomenon of Production of Peptide Factors of Antagonism Among Coagulase-Negative 
Staphylococci
T. V. Polyudova, L. M. Lemkina, M. V. Antipyeva, A. L. Yesaev, V. P. Korobov.
.............................................797

Structural and Genetic Relationship of the O-Antigens of the Type Strains Azospirillum agricola  
CC-HIH038 and Azospirillum doebereinerae GSF71
E. N. Sigida, V. S. Grinev, M. S. Kokoulin, S. A. Konnova,Y. P. Fedonenko.
..................................................807
Alkalo-Thermophilic Iron-Reducing Bacteria of the Goryachinskoe Thermal Water Deposit
D. G. Zavarzina, A. A. Klyukina, A. Yu. Merkel, T. A. Maslova, A. A. Maslov .............................................. 818
Phylogenetic Structure of Bacterioplankton in Water Bodies of the Kuibyshev Reservoir Basin During  
the Period of Mass Development of Cyanobacteria
M. V. Umanskaya, M. Yu. Gorbunov .
..........................................................................................................832
Bacterial Communities of the Selenga River, Its Tributaries and Selenginskoe Shallow Water  
in the Summer Period of 2021
A. S. Zakharenko, I. V. Tomberg, S. V. Bukin, V. V. Blinov, T. I. Zemskaya .
..................................................849
Determination of the Gut Microbiota Composition of Common Noctule by Bacteriological  
Analysis and High-throughput Sequencing of 16s rRNA
I. V. Popov, I. M. Donnik, T. A. Lipilkina, I.S. Berezinskaia, E. V. Tkacheva,  
E. A. Lukbanova, A. V. Aleshukina, I. A. Tikhmeneva, T. N. Derezina, A. P. Evsyukov,  
T. I. Tverdokhlebova, A. M. Ermakov..........................................................................................................864
New Strains of Bacillus thuringiensis subsp. israelensis Highly Toxic for Aedes aegypti  
and Culex pipiens pipiens
V. P. Khodyrev, O. V. Polenogova, A. S. Artemchenko, A. V. Krivopalov, V. V. Glupov ....................................870
SHORT COMMUNICATIONS
Expression of Heterologous PEP-Carboxylase in Methylococcus capsulatus MIR: the Influence  
on Growth Characteristics and Amino Acid Composition of Methanotrophic Biomass
S. Y. But, O. N. Rozova, S. V. Chistyakova, D. S. Potapova, V. N. Khmelenin, I. I. Mustakhimov .
..................879
Induction of Alcohol Dehydrogenase in Yarrowia lipolytica Yeast under Stress Conditions
E. N. Biryukova, A. Yu. Arinbasarova, A. G. Medentsev ..............................................................................884

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2024, том 93, № 6,  с.  679–689
ОБЗОРЫ
УДК 579.25:579.262
ГЕНОМНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ α-ПРОТЕОБАКТЕРИЙ  
В СИСТЕМЕ СИМБИОЗА
© 2024 г.  Н. А. Проворовa, Е. Е. Андроновa, *
aВсероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии,  
Санкт-Петербург, 196608, Россия
*e-mail: eeandr@gmail.com
Поступила в редакцию 24.06.2024 г.
После доработки 04.07.2024 г.
Принята к публикации 05.07.2024 г.
Одним из основных факторов эволюции бактерий, сопровождаемой глубокими изменениями их генетической организации, является образование симбиозов с эукариотами. Они предоставляют бактериям 
экологические ниши, находясь в которых симбионты выполняют полезные для хозяев трофические 
или защитные функции. Приобретение способности к симбиозу связано с формированием у бактерий 
систем специализированных генов (sym), которое обычно сопровождается изменением общей организации генома. У клубеньковых бактерий (ризобий) – азотфиксирующих симбионтов бобовых растений, большинство из которых относится к α-протеобактериям порядка Hyphomicrobiales, характер 
симбиогенных изменений генома зависит от таксономического положения. У эволюционно первичных ризобий сем. Bradyrhizobiaceae, возникших из свободноживущих N2-фиксаторов путем преобразования их собственных геномов, переход к симбиозу сопровождался существенным (в 1.5–2 раза) увеличением генома, однако он сохранил унитарную структуру: у большинства штаммов Bradyrhizobium 
более 95% генов находится в хромосоме. У вторичных ризобий сем. Phyllobacteriaceae (Mesorhizobium, 
Phyllobacterium), возникших путем переноса sym-генов в почвенные бактерии, выявляются различные 
стадии образования многокомпонентных геномов, содержащих значительную часть генов в составе 
внехромосомных элементов (ВХЭ) – плазмид и хромид. Наиболее характерна такая геномная структура для бактерий сем. Rhizobiaceae (Rhizobium, Sinorhizobium, Neorhizobium), у которых суммарный размер ВХЭ, содержащих sym-гены, может превышать размер хромосомы. У этих ризобий при переходе 
из тропиков в умеренные широты происходило сужение хозяйской специфичности, однако изменение структуры генома наблюдали только у Sinorhizobium: общий размер ВХЭ у этих бактерий достигает 
51% генома. Усложнение генома характерно и для ризосферных азотфиксаторов Azospirillum: доля ВХЭ 
в их геномах достигает 60%. Формируемые ризобиями необратимо дифференцированные клеточные 
формы – бактероиды, входящие в состав симбиосом, могут рассматриваться как предшественники 
азотфиксирующих органелл, которые выявлены у некоторых простейших и конструирование которых 
представляет собой перспективное направление клеточной инженерии растений.
Ключевые слова: клубеньковые бактерии (ризобии), фиксация N2, эволюция симбиоза, унитарные 
и многокомпонентные геномы, плазмиды и хромиды, горизонтальный перенос генов, бактероиды 
и симбиосомы, клеточные органеллы, создание N2-фиксирующих растений
DOI: 10.31857/S0026365624060018
ВВЕДЕНИЕ
Изучение бактериальных геномов, которое началось более 30 лет назад (Koonin, Wolf, 2008), 
необходимо для выяснения генетических основ 
разнообразия прокариот, а также для раскрытия 
механизмов их прогрессивной и адаптивной эволюции (Bobay, Ochman, 2017). Эта эволюция базируется на процессах приобретения и утраты генов, 
соотношение которых ограничено размерами геномов свободноживущих бактерий, варьирующими от 
1.3 млн. п.н. у морской α-протеобактерии Pelagibacter ubique (Giovannoni et al., 2005) до 13 млн. п.н. 
у почвенной δ-протеобактерии Sorangium cellulosum 
(Schneiker et al., 2007).
Изучение эволюции бактерий связано с анализом связи между их  адаптивной стратегией 
и функциональным составом геномов, который 
активно проводится для патогенных бактерий, позволяя изучать распространение генов вирулентности и механизмы возникновения болезнетворных 
форм (Hacker, Kaper, 2000). Подробное изучение 
679

ПРОВОРОВ, АНДРОНОВ
ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА
геномной организации проведено для облигатных 
симбионтов насекомых, имеющих глубоко редуцированные геномы, которые сохранили лишь 
10‒20% предковых генов (Whittle et  al., 2021). 
Их редукцию связывают с отказом симбионтов 
от функций автономного существования, а также 
с генетическим дрейфом, который обусловлен регулярным прохождением микробной популяции 
через “бутылочное горлышко” вертикальной передачи (Naito, Pawlowska, 2016). Еще более глубокой 
редукцией характеризуются клеточные органеллы, 
которые обладают рудиментарными геномами (сохраняется 1‒5% предковых генов), а иногда полностью их лишены (Daley, Whelan, 2005).
Данные о влиянии на геномную организацию 
бактерий факультативного симбиоза ограничены. 
Показано, что при его образовании геномы бактерий могут как увеличиваться, так и уменьшаться 
в зависимости от их таксономического положения 
и от механизма взаимодействия партнеров. У многих бактерий при переходе к симбиозу сохраняются 
характерные для свободноживущих форм унитарные геномы “колийного” типа (свыше 95% генов 
находится в хромосоме), однако у некоторых бактерий геномы приобретают многокомпонентную 
форму (MacLean et al., 2007).
Наиболее разработанной моделью эволюционной геномики факультативных симбионтов являются клубеньковые бактерии (ризобии) – полифилетичные по происхождению N2-фиксирующие 
симбионты бобовых растений, включающие ряд 
представителей α-протеобактерий (10‒12 семейств, входящих в  порядок Hyphomicrobiales 
или Rhizobiales) и некоторые β-протеобактерии 
(сем. Burkholderiaceae) (Berrada, Fikri-Benbrahim, 
2014). Показано, что у ризобий в ходе коэволюции с растениями возникают системы симбиотически специализированных (sym) генов, которые 
обычно обособлены от генов домашнего хозяйства и  выявляются в  составе плазмид, хромид 
или хромосомных островов. При этом sym-гены 
приобретают высокую мобильность и легко перемещаются в различные почвенные бактерии, что 
приводит к возникновению новых симбионтов 
растений. Однако молекулярные и экологические 
механизмы, определяющие геномную эволюцию 
ризобий, остаются малоизученными.
В связи с этим целью нашей работы стал анализ вопросов о том: 1) как приобретение способности к N2-фиксирующему симбиозу с растениями влияет на структуру генома в разных группах 
α-протеобактерий; 2) каковы молекулярные механизмы и экологические факторы симбиогенной эволюции их геномов; 3) как их организация 
связана с процессами видообразования и с изменениями симбиотических признаков бактерий – 
хозяйской специфичности и N2-фиксирующей 
активности.
Для ризобий характерны два направления эволюции генома: увеличение его размера и переход 
к многокомпонентной структуре. Первое направление реализуется главным образом у первичных 
ризобий, возникших из  свободноживущих N2фиксаторов путем внутригеномных перестроек, 
которые привели к формированию системы symгенов. Она включает гены N2-фиксации (nif/fix) 
и образования клубеньков (nod), представляя собой 
расширение базового генома за счет формирования нового генного функционала. Второе направление эволюции является качественным развитием 
первого направления и заключается в обособлении 
и повышении мобильности симбиотической системы, которое было реализовано при возникновении вторичных ризобий путем переноса sym-генов 
в различные почвенные и ассоциированные с растениями бактерии (Provorov et al., 2022).
Показано, что в ходе эволюции первичных ризобий рода Bradyrhizobium их геномы увеличились 
в 1.5‒2 раза по сравнению с предковыми формами (Rhodopseudomonas). При этом произошло еще 
более значительное (в 3‒4 раза) увеличение пангенома, в первую очередь его акцессорной части, 
определяющей экологическую пластичность бактерий (Oda et al., 2008; Mornico et al., 2012; Tian 
et  al., 2012). В  результате этого бактерии рода 
Bradyrhizobium сформировали наиболее крупные 
среди всех ризобий геномы, размеры которых достигают 11.7 млн. п.н. (в среднем 8.6 млн. п.н.). 
Некоторые штаммы брадиризобий содержат криптические плазмиды, однако они относительно невелики (до 300 т.п.н.) и обычно составляют лишь 
2‒3% генома, сохраняющего типичную для предков унитарную форму (Ormeño-Orrillo, MartínezRomero, 2019).
Однако уже у первичных ризобий можно проследить начальные этапы перехода к многокомпонентной структуре генома, состоящего из двух или более 
сопоставимых по размеру репликонов (HernándezOaxaca et al., 2022). Так, при изучении 9 штаммов 
Bradyrhizobium, выделенных из клубеньков тропических бобовых растений, у 2 штаммов, для которых характерны наибольшие размеры хромосомы 
(9882‒10272 т.п.н.), были выявлены крупномолекулярные плазмиды. Поскольку у этих штаммов, как 
и у большинства брадиризобий, sym-гены находятся 
в хромосомах, можно предположить, что непосредственной причиной образования многокомпонентного генома является увеличение его размера.
К настоящему времени описан лишь один штамм 
Bradyrhizobium (DOA9), для которого характерна 
внехромосомная локализация sym-генов (Wongdee 
et al., 2018). Sym-плазмида этого штамма, выделенного из бобового растения Aeschynomene americana, 
имеет размер 736 т.п.н. (9.4% генома) и содержит 
МИКРОБИОЛОГИЯ
том 93
№ 6
2024

	
Геномная эволюция α-протеобактерий в системе симбиоза 
681
предшественники симбиотических видов (Fagorzi 
et al., 2020). На примере этого рода было показано, что репликоны, входящие в состав многокомпонентных геномов ризобий, имеют разные механизмы эволюции. Так, при анализе 190 штаммов 
S. meliloti, выделенных из клубеньков Medicago truncatula в различных регионах Южной Европы, выявлено сходство филогений хромид М1 (содержит 
nod-, nif- и fix-гены) и М2 (содержит важные для 
симбиоза гены, участвующие в синтезе экзополисахаридов и в усвоении углеводов), которые отличаются от филогении хромосомы (Riley et al., 2022). 
При этом эволюция хромосомы и М2 определяется 
главным образом перестройками собственных геномов, а эволюция М1 и криптических плазмид – 
путем горизонтального переноса генов (ГПГ).
Большой интерес для изучения эволюции 
Sinorhizobium представляют переходные формы, 
к числу которых относится штамм Т173Т, выделенный из клубеньков донника в Канаде и близкий к асимбиотическому виду S. adhaerens (Bromfield et al., 2023). Этот штамм образует нормальные 
по структуре, но не фиксирующие N2 клубеньки 
у люцерны и донника. Его геном состоит из кольцевой хромосомы (4051 т.п.н.) и двух хромид (1914 
и 947 т.п.н.), которые, как и хромосома, несут гены 
рРНК. В отличие от других симбионтов люцерны, 
штамм Т173Т содержит sym-гены (nod, nif, fix) на относительно небольшой (204 т.п.н.) плазмиде. Анализ 
этих генов показал, что они были приобретены путем 
горизонтального переноса генов (ГПГ) от S. medicae.
Сравнительный анализ широко- и узкоспецифичных видов Sinorhizobium позволяет предположить, что 
основным направлением их эволюции было увеличение внехромосомной части генома (табл. 1). Различные стадии этого процесса представлены широкоспецифичными штаммами S. fredii, у которых доля ВХЭ 
в геноме варьирует от 7.9 до 43.1% (Schmeisser et al., 
2009; Schuldes et al., 2012; Vinardell et al., 2015). Гораздо 
менее изменчивы узкоспецифичные виды синоризобий S. meliloti и S. medicae, у которых ВХЭ составляют 
45.5‒50.7% генома.
Род Rhizobium, как и Sinorhizobium, включает 
широкоспецифичные тропические виды (R. etli) 
и узкоспецифичные виды умеренных широт (R. leguminosarum). Эти виды сходны по организации 
генома, который состоит из  хромосомы (около 65% генома) и 2‒6 ВХЭ, варьирующих по размеру от 100 до 1100 т.п.н. (Gonzalez et al., 2006; Reeve 
et al., 2010; Perry et al., 2020). Основное различие 
геномов R. leguminosarum и R. etli касается их рекомбинационной активности, определяемой ГПГ. 
У R. leguminosarum перенос sym-генов происходит 
свободно внутри вида, однако их перенос в бактерии других видов наблюдают редко. В то же время, 
для R. etli показан интенсивный обмен sym-генами 
с неродственными тропическими ризобиями, например, с S. fredii (Cervantes et al., 2011).
гены, контролирующие образование клубеньков 
(nod), N2-фиксацию (nif, fix), а также систему секреции 3-го типа. Эта плазмида характеризуется более низким содержанием ГЦ-пар (60.1%), чем хромосома (64.4%). Важно отметить, что в хромосоме 
штамма DOA9 выявлены 2 несцепленных локуса, 
один из которых содержит nif- и fix-гены, а другой 
fix-гены. По-видимому, Sym-плазмида этого штамма возникла путем дупликаций симбиотически 
специализированных участков хромосомы. Анализ 
геномов различных штаммов Bradyrhizobium показал, что DOA9 может считаться переходной формой 
от фототрофов, лишенных nod-генов, к гетеротрофам, которые эти гены имеют (Okazaki et al., 2015).
Сравнительное изучение вторичных ризобий 
сем. Phyllobacteriaceae (Mesorhizobium, Phyllobacterium) позволило охарактеризовать последовательные этапы их эволюции (Wang et al., 2014): а) приобретение общим предком данного семейства 
кластера sym-генов, который сформировал хромосомный остров (ХО); б) диверсификацию этого 
ХО, которая привела к возникновению широкого 
спектра симбионтов, различающихся по хозяйской 
специфичности; в) выявленное у некоторых видов 
Mesorhizobium преобразование ХО в Sym-плазмиду. 
Широкое варьирование мезоризобий по хозяйской 
специфичности может быть связано с диверсификацией генов, контролирующих развитие клубеньков, а также образование систем секреции 3, 4 
и 6 типов. У широко специфичных штаммов этих 
бактерий сигнальные Nod-факторы, кодируемые 
nod-генами, имели относительно простую структуру, которая усложнялась по мере симбиотической 
специализации ризобий (Laranjo et al., 2014).
Многокомпонентная геномная структура, связанная с наличием ВХЭ, сопоставимых по размеру 
с хромосомой, наиболее характерна для вторичных 
ризобий семейства Rhizobiaceae (Ormeño-Orrillo 
et al., 2015; Kuzmanović et al., 2022): у них мегаплазмиды и хромиды, в состав которых входят symгены, могут составлять более половины генома. 
Эволюция этого генома изучена у родов Rhizobium 
и Sinorhiobium (Ensifer), которые включают анцестральные тропические виды и возникшие из них 
виды умеренных широт (табл. 1).
Наиболее глубокие изменения геномов, происходящие при переходе бактерий из  тропиков в  умеренные широты, выявлены в  роде 
Sinorhizobium. Он включает симбиотически активные виды, обладающие либо широкой хозяйской специфичностью – способностью формировать N2-фиксирующие клубеньки у представителей разных подсемейств бобовых (тропические 
виды, из которых наиболее изучен S. fredii), либо 
узкой специфичностью (виды умеренных широт S. meliloti и  S. medicae  – N2-фиксирующие 
симбионты люцерны, донника и  пажитника), 
а  также свободноживущие виды  – возможные 
МИКРОБИОЛОГИЯ
том 93
№ 6
2024

ПРОВОРОВ, АНДРОНОВ
Таблица 1. Сравнительная характеристика видов ризобий сем. Rhizobiaceae, обитающих в тропических 
и умеренных широтах 
Роды бактерий
Sinorhizobium
Rhizobium
Распространение 
бактерий
Тропики
Умеренные 
широты
Тропики
Умеренные широты
Виды 
S. meliloti,  
S. medicae
R. etli
R. leguminosarum
S. fredii,  
S. garamanticum,  
S. numidicum,  
S. saheli,  
S. terangae 
Не выявлены
Не выявлены
bv. viciae (Lathyrus, Lens, 
Pisum, Vavilovia, Vicia),  
bv. trifolii (Trifolium),  
bv. phaseoli (Phaseolus)
Биовары, различаю- 
щиеся по спектру  
хозяев, с которыми образуются N2-фикси- 
рующие клубеньки
bv. phaseoli  
(Phaseolus),  
bv. mimosae 
(Phaseolus, Mimosa, 
Leucaena)
Хозяйская специфичность отдельных  
штаммов (биоваров)
Узкая: одна 
триба бобовых 
(Trifolieae)
Широкая:  
разные  
подсемейства 
бобовых
Широкая:  
разные  
подсемейства 
бобовых
Узкая: одна триба  
бобовых (Fabeae,  
Phaseoleae  
или Trifolieae)
Размер генома,  
млн. п.н.
6.89‒7.25
6.45‒7.95
6.53
6.70‒7.79
Доля хромосомы, %
57.0‒91.2
49.3‒54.5
67.1
63.0‒68.4
Две 
Одна  
или отсутствует
Одна или отсутствует
Хромиды или мегаплазмиды  
(более 1000 т.п.н.)
Одна  
(у некоторых  
штаммов 
отсутствует)
Локализация sym-генов 
Плазмида  
(550‒650 т.п.н.)
Плазмида 
(200‒500 т.п.н.)
Плазмида  
(300‒400 т.п.н.)
Меньшая  
из хромид 
(1000‒1600 т.п.н.)
эволюции первичных ризобий (Bradyrhizobium) 
и азоспирилл (табл. 2) делает последних удобной 
моделью для изучения механизмов возникновения 
бобово-ризобиального симбиоза. Так, заселение 
азоспириллами клубенек-подобных структур, развитие которых на корнях злаков (кукурузы, пшеницы) индуцировано аналогом ауксина 2.4-D, 
резко повышает нитрогеназную активность этих 
бактерий, превращая их из низкоактивных ризосферных N2-фиксаторов в высокоактивных эндосимбионтов (Saikia et al., 2007).
Важнейшим результатом эволюции генома 
ризобий является повышение его пластичности: оно выявляется уже у первичных симбионтов 
(Bradyrhizobium), для которых характерно накопление повторяющихся последовательностей ДНК 
(Sameshima et al., 2003). Определяемая ими рекомбинационная активность может быть столь велика, 
что приводит к неспособности поддерживать постоянную структуру генома, что показано для штамма 
NGR234 S. fredii, у которого повторяющиеся последовательности и мобильные элементы составляют 
около 20% генома (Broughton et al., 2000).
Многокомпонентные геномы выявлены и у α-ЭВОЛЮЦИЯ СИМБИОЗА 
И ВИДООБРАЗОВАНИЕ
протеобактерий рода Azospirillum – ассоциативных 
(ризосферных, эндофитных) N2-фиксаторов, которые существенно превосходят по размерам унитарные геномы своих свободноживущих родичей 
и возможных предков – Rhodospirillum и Magnetospirillum (Wisniewski-Dyé et al., 2012). Важно отметить, что у азоспирилл, в отличие от имеющих многокомпонентные геномы ризобий сем. Rhizobiaceae, 
кодирующие нитрогеназу nif-гены находятся в хромосоме, которая у  Azospirillum составляет лишь 
40‒45% генома. Ярко выраженный параллелизм 
Использование методов сравнительной и функциональной геномики позволяет охарактеризовать 
механизмы симбиогенной эволюции ризобий, которая основана на возникновении и последующей 
диверсификации sym-генов, тесно связанной с процессами видообразования. В этой эволюции задействованы два механизма – дупликация-дивергенция генов и ГПГ. Первый механизм преобладает 
МИКРОБИОЛОГИЯ
том 93
№ 6
2024

	
Геномная эволюция α-протеобактерий в системе симбиоза 
683
Таблица 2. Сравнительная характеристика первичных ризобий и азоспирилл
Показатели
Bradyrhizobium
Azospirillum
Способность к диазотрофному  
росту ex planta
Отсутствует (большинство штаммов 
проявляет низкую нитрогеназную 
активность)
Характерна 
Растения-хозяева 
Бобовые (у некоторых штаммов – 
также небобовое Parasponia)
Различные растения
Локализация в растениях
В корневых, реже в стеблевых  
клубеньках, обычно внутриклеточная 
На поверхности или  
в тканях корней, внеклеточная 
Инокуляция растений
Через корневые волоски, иногда через 
разрывы эпидермиса
Через межклеточные пространства
Действие синтезируемых  
бактериями гормонов  
на растения
Не выявлено
Стимуляция развития корней,  
повышение их ассимиляционной 
активности
Размер и тип генома 
7300‒10100 т.п.н., обычно унитарный  
(хромосома составляет более  
95% генома)
6400‒7600 т.п.н., многокомпонентный (хромосома составляет 
менее 40‒45% генома)
Локализация генов  
N2-фиксации
Обычно в хромосоме, иногда 
в плазмидах
В хромосоме
Возможные предки
Rhodopseudomonas
Rhodospirillum, Magnetospirillum
их типы питания
Фото-диазотрофы
Фото-диазотрофы
их геномы
Унитарные (5400‒5600 т.п.н.)
Унитарные (4600‒4900 т.п.н.) 
у первичных ризобий, которые возникли из свободноживущих N2-фиксаторов, второй механизм – 
у  вторичных ризобий, возникших путем переноса sym-генов в различные почвенные бактерии 
(Provorov et al., 2022).
Одним из  основных направлений эволюции sym-генов является их обособление от “несимбиотической” части бактериального генома 
(кластеризация sym-генов), после чего происходит повышение компактности sym-кластеров и их 
переход в состав мобильных генетических элементов (хромосомные острова, плазмиды, хромиды). 
Интенсивный перенос sym-генов сопряжен с усложнением популяционной структуры ризобий, 
определяемой балансом симбиотических и  несимбиотических экотипов (Denison, Kiers, 2004). 
Последние наиболее приспособлены к автономному существованию и могут приобретать симбиотические свойства путем ГПГ. Такую популяционную 
структуру поддерживает дизруптивный отбор, который определяется циркуляцией ризобий между эндо-симбиотическими и почвенными нишами, способствуя поддержанию высоких темпов геномной 
эволюции (Проворов и соавт., 2017).
Данные направления эволюции наиболее изучены на примере видов Rhizobium и Sinorhizobium, обладающих многокомпонентными геномами и реализующих различные стратегии видообразования. 
Оно может приводить к появлению: а) политипических видов, которые состоят из биоваров, различающихся по хозяйской специфичности и по 
структуре контролирующих ее sym-генов, но близки 
по коровым генам, определяющим функции домашнего хозяйства; б) видов-двойников, которые имеют 
сходную хозяйскую специфичность, но дивергировали по коровой части генома.
У Rhizobium и Sinorhizobium эта эволюция тесно 
связана с переходом от широкоспецифичных тропических форм к узкоспецифичным формам умеренных широт (табл. 1). Наиболее резким сужение 
хозяйской специфичности было у бактерий рода 
Sinorhizobium: некоторые штаммы тропического 
вида S. fredii (NGR234) вступают в симбиоз с растениями из более чем 100 родов, относящихся ко всем 
трем подсемействам бобовых, а также с Parasponia 
(сем. Cannabaceae). В то же время виды умеренных широт (S. meliloti, S. medicae) образуют симбиоз 
с представителями трех близкородственных родов 
(Medicago, Melilotus и Trigonella) из трибы Trifolieae. 
Различия этих видов ризобий касаются взаимодействия лишь с некоторыми диплоидными видами 
люцерны (Medicago arabica, M. polymorpha), которые 
образуют N2-фиксирующие клубеньки с S. medicae, 
но не с S. meliloti (Rome et al., 1996).
У бактерий рода Rhizobium сужение хозяйской 
специфичности при переходе из тропиков в умеренные широты проявляется не столь резко, как 
у Sinorhizobium. Это различие может быть связано с тем, что у Rhizobium выявлена отсутствующая 
у Sinorhizobium политипическая структура видов: 
R. leguminosarum разделяется на три различающихся по хозяйской специфичности биовара, R. etli – 
на два биовара (табл. 1). Хотя каждый из биоваров R. leguminosarum образует N2-фиксирующий 
МИКРОБИОЛОГИЯ
том 93
№ 6
2024