致病和有益草螺菌的比较基因组学

【作者】 陈明月； 叶舒婷； 朱勃； 郑经武； 安千里；

【机构】 水稻生物学国家重点实验室,浙江大学生物技术研究所；

【摘要】 草螺菌(Herbaspirillum)是革兰氏阴性菌,因呈螺旋状且定殖在草本种子植物而得名。草螺菌因能固氮且内生于植物而作为益生菌被广为研究和应用。有些红白草螺菌(且rubrisubalbicans)能导致某些品种甘蔗和高梁的赤条病。最近,在海南省和广东省发现了由H.rubrisubalbicans导致的甘蔗赤条(red stripe)或条斑(mottled stripe)病。我们从同一簇水稻根部分离了5个草螺菌菌株(Os34,Os38,Os44,Os45和Os49)。它们能固氮,有ACC脱氨酶可能帮助植物抗逆,却抑制水稻苗的生长,诱导烟草叶片产生过敏反应。我们测了这5个致病草螺菌和促植物生长的H.rubrisubalbicans典型菌株M4和H.seropedicae典型菌株Z67的基因组,通过比较基因组学对这5个致病草螺菌进行分类鉴定和遗传变异分析,寻找对植物致病和有益草螺菌间的主要差异和致病决定因子。用Genome-to-Genome Distance Calculator计算得到5个Os菌株与M4菌株基因组间的DDH(DNA-DNA hybridization)值约72%(同种>70%),用JSpecies计算得到基因组间共有基因的ANI(average nucleotide identity)值约96.3%(同种>95%)。因此,这5个Os菌株属于H.rubrisubalbicans种。H.rubrisubalbicans菌株的基因组比H.seropedicae菌株Z67和SmR1的基因组有更高的可塑性,有更多的插入序列或噬菌体序列。H.rubrisubalbicans具备ABC-transporter依赖途径的组分来合成和输出O-抗原,而H.seropedicae具备Wzy依赖途径的组分来合成和输出O-抗原。H.rubrisubalbicans有纤维素合成与降解酶及果胶酶,而H.seropedicae没有。H.rubrisubalbicans和H.seropedicae都有Ⅲ型分泌系统,但各组分的序列差异较大。H.rubrisubalbicans的Ⅲ型分泌效应蛋白(12~13个)比H.seropedicae的(6个)多。对H.rubrisubalbicans菌株Os34和H.seropedicae菌株SmR1完整基因组的比较发现H.rubrisubalbicans基因组的基因岛中有较多的致病相关基因。由此可知,草螺菌表面O-抗原组分的差异可能导致植物识别H.rubrisubalbicans和H.seropedicae的差异,草螺菌降解植物细胞壁的能力可能决定H.rubrisubalbicans和H.seropedicae侵染植物的能力和植物防卫效应的差异,草螺菌分泌Ⅲ型效应蛋白的差异也可能决定H.rubrisubalbicans和H.seropedicae对植物致病性的差异,而H.Rubrisubalbicans基因组的高可塑性可能导致不同菌株对植物致病或有益的效应。H.Rubrisubalbicans有较完整的细菌致病系统,加之基因组的高可塑性,有可能演变为重要的植物病原菌。~1更多还原