Bacterial leaf nodule symbiosis in angiosperms with emphasis on Rubiaceae and Myrsinaceae

Abstract

Over 400 species of three genera of Rubiaceae and one genus of Myrsinaceae reportedly have bacterial leaf nodules. Light and/or electron microscope studies of a few species have shown that bacteria exist in spaces within buds filled with mucilage secreted by glands. These bacteria enter substomatal chambers (Rubiaceae) or marginal hydathodes (Myrsinaceae) and establish short-lived colonies, in intercellular spaces, that die out almost before full leaf expansion. Bacteria occur in seeds between endosperm and embryo, but only two studies have followed bacteria into flowers and ovules. Previous work on the physical relations of bacteria and host plants is discussed critically. Reviewing work done on isolation and identification of presumed endophytes leads to the conclusion that there is no agreement whether one or several bacterial taxa are the endophyte, and no unambiguous identifications, although four genera are suggested as possibilities. Nitrogen fixation was considered as the bacterial contribution until quite recently, but a review of such studies reveals that fixation has been detected almost exclusively in isolated presumed endophytes, whereas almost all studies involving the bacterium in intact leaves have failed to detect nitrogen fixation. Studies of particular substances (besides combined nitrogen) contributed by the endophyte have been inconclusive, although the most recent works suggest that cytokinins are involved. Host plants lacking the endophyte have been reportedly produced many times, either spontaneously or by seed treatment. Such “cripples”, used for several aspects of symbiosis study, frequently revert to a nodulated condition, and a more reliable method of producing them is needed. Tissue culture may offer the best potential, but this approach has not yet produced whole bacteria-free plants. A proposed scheme for the evolution of the symbiosis suggests that a variety of bacteria entered buds first, and only in rare instances were compatible with the host bud mucilage. In a few of these cases, specific bacteria, compatible with the microenvironment, contributed a useful substance to the host, and bud mucilage and those bacteria co-evolved until large numbers of bacteria thrived in the buds. Nodules may have resulted from accidental entry of bacteria into leaves, with the possibility that some host plant nodules are merely pathogenic responses, whereas in others the bacteria are beneficial and further selection has resulted in numerous, regularly produced nodules. This review deals with taxonomy of host plants and endophytes, morphology of the symbiosis, its physiology, and speculation on the evolution of the symbiosis.

Auszug

Über 400 Arten der drei Gattungen von Rubiaceae und eine Gattung von Myrsinaceae haben, wie berichtet ist, bakterielle Blatt-Knötchen. Licht und/ oder elektron-mikroskopische Studien von einigen Arten haben gezeigt, dass Bakterien existieren in Räumen innerhalb von Knospen, die von Pflanzenschleim ausegefüllt sind, von Drüsen erzeugt. Diese Bakterien dringen in unteren-Spaltöffnungs-Räume ein (Rubiaceae) oder Rand-Wasser-Poren (Myrsinaceae) und bilden kurzlebende Kolonien, in Räumen zwischen den Zellen, welche aussterben, fast bevor der völligen Blattentfaltung. Bakterien finden sich in Samen zwischen dem Endosperm und dem Embryo, aber nur zwei Untersuchungen konnten den Bakterien nachfolgen in die Blüten und die Eier. Frühere Arbeit über die physikalischen Beziehungen zwischen Bakterien und Wirtspflanzen ist kritisch besprochen. Nachprüfende Arbeit ist unternommen an der Isolierung und Identifizierung an vermutlichen Endophyten und führt zu dem Ergebnis, dass da keine Einigung besteht, ob eine oder mehrere bakterielle Gruppen die Endophyten sind, und keine unzweideutige Identifikationen, trotzdem 4 Gattungen als Möglichkeiten vorgeschlagen sind. Bis ziemlich kürzlich wurde Stickstoff-Fixierung als Bakteriellen-Beitrag angesehen, aber ein Überblick über solche Untersuchungen ergiebt, dass Fixierung wurde festgestellt nahezu ausschliesslich in isolierten, vermutlichen Endophyten, wogegen fast alle Untersuchungen, die sich auf Bakterien in unverletzten Blattern bezogen, versagt haben, Stickstoff-Fixierung festzustellen. Untersuchugen von besonderen Substanzen (ausser kombiniertem Stickstoff), von den Endophyten beigetragen, sind nicht entscheidend gewesen, wenn auch die aller-jüngsten Arbeiten andeuten, dass cytokinins verwickelt sind. Wirtspflanzen, die das Endophyte entbehren, sind, wie berichtet ist, fielfach erzeugt worden, entweder spontan oder durch Behandlung der Samen. Solche “Krüppel, ” welche in verschiedener Hinsicht für das Studium von Symbiose verwendet wurden, schlagen häufig zu einer Knötchen-Beschaffenheit zurück, und eine besser zuverlässige Methode, sie zu erzeugen, ist notwendig. GewebeKulturen mögen eine bessere Möglichkeit bitten, aber diese Annäherung hat bislang noch nicht gänzliche bakteriumfreie Pflanzen erzeugt. Eine vorgeschlagene Methode für die Evolution der Symbiose nimmt an, dass eine Art von Bakterien zuerst in die Knospen eindringen, und nur in seltenen Fällen verträglich waren mit dem Pflanzenschleim der Wirts-Knospen. In einigen wenigen dieser Fälle haben besondere Bakterien, verträglich mit der Mikro-Umbebung, dem Wirt eine nützliche Substanz beigetragen, und Knospenschleim, und die Bakterien sind zusammen aufgetreten, bis eine grosse Zahl von Bakterien in den Knospen gediehen. Knötchen können sich ergeben haben vom zufälligen Eintritt von Bakterien in Blätter, mit der Möglichkeit, dass einige Wirtspflanzen-Knötchen lediglich pathologische Rückwirkungen sind, wogegen in anderen die Bakterien nützlich sind, und weitere Selektion resultierte in zahlreichen, normalerweise erzeugten Knötchen.

Dieser Überblick handelt sich mit der Taxonomie von Wirtspflanzen und Endophyten, Morphologie der Symbiose, ihrer Physiologie, und Spekulation über die Evolution der Symbiose.

Résumé

Plus de quatre cents espèces de trois genres de Rubiacées et un genre de Myrsinacées possèdent des nodules bactériens dans les feuilles. Les études des microscopes lumineux et/ou des microscopes électroniques ont révélé que les bactéria se trouvent dans les espaces à l’intérieur des bourgeons qui sont remplis mucilage sécreté par les glandes. Ces bactéria entrent dans les chambres substomatales (Rubiacées) ou dans les hydathodes périphériques (Myrsinacées) et elles establissent dans les espaces intercellulaire des colonies de courte durée qui meurent presque avant l’expansion complète de la feuille. Les bactéria se trouvent dans les graines entre l’endosperm et l’embryon mais seulement deux études ont trouvé les bactéria dans les fleurs et les ovules. Les travaux précédents au sujet des rapports physiques des bactéria avec des hôtes sont discutés d’une manière critique. L’examination du travail fait au sujet de l’isolation et de l’identification des endophytes presumés mène à la conclusion qu’il n’y a pas d’accord soit une taxum bactérienne soit plusieurs taxa bactériennes sont l’endophyte et il n’y a pas d’identification certaine, bien que quatre genres soient suggérés comme possibilities. La fixation du nitrogène était considerée comme la contribution bactérienne jusqu’a ces derniers temps, mais une revue de telles études révèle que la fixation était decouverte presque exclusivement dans des endophytes presumés isoles, tandis qu’au contraire presque toutes les études ou les bactéria sont dans les feuilles intactes n’ont pas reussi a decouvrir la fixation du nitogène. Des études des matières particulières (en plus de nitrogène combinè) qui sont contribuées par l’endophyte avaient été peu concluant, bien que les travaux les plus récents suggèrent que les cytokinins soient engagés. On a dit que les hôtes qui manquent l’endophyte étaient produits plusieurs fois, soit spontanément soit par le traitement des graines. Ces “estropies”, utilizés pour l’étude de quelques aspects de symbiose, frequemment reviennent à une condition nodulaire et on a besoin d’une meilleure méthode pour les produire. La culture de tissus peut offrir le meilleure possibilité mais cet abord n’a pas encore produit de plantes entières qui sont sans bactéria. Un plan proposé pour l’évolution de la symbiose suggere qu’une variété de bactéria est entrée premièrement dans les bourgeons et seulement dans des cas rares les bacteria étaient compatible avec le mucilage des bourgeons de l’hôte. Dans quelquesuns de ces cas des bactéria spécifiques qui étaient compatible avec le micromilieu ont contribués une substance utile a l’hôte. Aussi le mucilage des bourgeons et ces bactéria ont dévelopé ensemble jusqu’a ce qu’un grand nombre de bactéria se developpaient bien dans les bourgeons. Les nodules pouvaient résulter de l’entrée accidentel de bactéria dans les feuilles avec la possibilité que les nodules de quelques hôtes sont tout simplement des réponses pathogéniques, tandis qu’au contraire dans quelques autres hôtes les bactéria sont avantageux pour les hôtes et le résultat de sélection additionnelle est de nombreux nodules produits regulièrements. Cette revue traite de la taxonomie des hôtes et des endophytes; la morphologie de la symbiose; la physiologie de la symbiose; et la speculation sur l’évolution de la symbiose.