開發(fā)新方法追蹤植物病害的全球傳播（2020.6.7 iPlants）

質(zhì)粒是可自主復(fù)制的非必需DNA分子，可加速許多重要的細(xì)菌的進(jìn)化。例如，質(zhì)粒傳播抗生素抗性基因，這是人類和動(dòng)物健康的緊迫問題。農(nóng)桿菌獲得致瘤的Ti質(zhì)?；蚋T導(dǎo)（Ri）質(zhì)粒后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜻z傳轉(zhuǎn)化并引起多種植物疾病的病原體。因此，對(duì)質(zhì)粒進(jìn)行進(jìn)化關(guān)系分類，準(zhǔn)確評(píng)估質(zhì)粒對(duì)疾病暴發(fā)的影響，制定緩解疾病的策略以及加快利用質(zhì)粒多樣性進(jìn)行生物技術(shù)研究的基礎(chǔ)。但是，之前認(rèn)為質(zhì)粒過于多樣化且能平行轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致無法分類。

2020年6月6日，Science雜志在線發(fā)表了美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)Jeff H.Chang課題組題為“Unexpected conservation and global transmission of agrobacterial virulence plasmids”的研究論文。

該研究通過系統(tǒng)發(fā)育，基因組學(xué)和時(shí)間樹分析成千上萬的農(nóng)桿菌菌株后產(chǎn)生了強(qiáng)大的農(nóng)桿菌系統(tǒng)發(fā)育史，并準(zhǔn)確地模擬疾病的全球傳播。同時(shí)開發(fā)了一種使用系統(tǒng)發(fā)育和網(wǎng)絡(luò)方法以及不同規(guī)模的遺傳信息來推斷各種Ti質(zhì)粒進(jìn)化的策略。

農(nóng)桿菌是一種重要的植物病原菌，通過侵染植物傷口后注射致癌的Ti和Ri質(zhì)粒到植物細(xì)胞中，從而誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生冠癭瘤或發(fā)狀根，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。這些質(zhì)粒還具有允許農(nóng)桿菌將整個(gè)質(zhì)粒從一種細(xì)菌水平轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)菌的基因，而不是通過垂直遺傳或從父母到子代的遺傳。在獲得有害質(zhì)粒后，以前良性的農(nóng)桿菌菌株可以成為新的病原體譜系。這種能力使病原體的控制和疾病爆發(fā)的追蹤變得困難。因此，為了開發(fā)其追蹤系統(tǒng)，必須首先必須了解質(zhì)粒的進(jìn)化和分類。

之前一直認(rèn)為，質(zhì)粒之間遺傳信息的頻繁轉(zhuǎn)移以及農(nóng)桿菌屬物種之間大量的遺傳變異，使得繪制農(nóng)桿菌基因組及質(zhì)粒之間的進(jìn)化關(guān)系實(shí)際上是不可能的。因此，沒有此類信息，就無法準(zhǔn)確追蹤疾病爆發(fā)。

該研究克服了上述挑戰(zhàn)，分析了數(shù)百種菌株的基因組數(shù)據(jù)，并將結(jié)果應(yīng)用于推斷進(jìn)化史和致癌質(zhì)粒的傳播。該研究首先生成時(shí)間校準(zhǔn)后的農(nóng)桿菌-根瘤菌系統(tǒng)發(fā)育樹，并從中總共鑒定了143個(gè)致癌質(zhì)粒序列，令人驚訝的是，這些致癌質(zhì)粒都僅可分為九個(gè)不同的譜系，分別是六個(gè)Ti（I–VI型）和三個(gè)Ri（I–III型）致癌質(zhì)粒。

之后，該研究通過分類質(zhì)粒和農(nóng)桿菌的廣泛的基因測(cè)序信息，可以推斷出細(xì)菌如何在苗圃之間移動(dòng)以及質(zhì)粒如何在細(xì)菌之間移動(dòng)。該研究能夠追蹤至少七個(gè)案例，植物的全球分布有助于單個(gè)農(nóng)桿菌菌株-質(zhì)粒組合的廣泛傳播。其中一個(gè)案例，一個(gè)苗圃為批發(fā)商生產(chǎn)植物，并且可能已成為許多植物疾病的零號(hào)病原。后來在世界另一地方的兩個(gè)苗圃中發(fā)現(xiàn)了具有相同基因型-質(zhì)粒組合的菌株。

綜上所述，該研究表明，曾經(jīng)被視為過于多樣化而無法分類的質(zhì)粒具有獨(dú)特的譜系，并且可以通過定義其進(jìn)化關(guān)系來實(shí)現(xiàn)疾病傳播的準(zhǔn)確建模。同時(shí)該方法在植物和人類或動(dòng)物健康以及食品安全中也可以推論毒力質(zhì)粒進(jìn)化和傳播的策略中具有潛在的應(yīng)用前景。