青枯菌基因组可塑性系列1：转座子

作者：张耀中，南京农业大学博士在读。主要研究青枯菌多态性与动态阻控。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍转座子在塑造青枯菌的遗传多样性、毒力和耐药性进化方面所发挥的作用。原文于2020年发表在《Microbial Genomics》上。

导读

植物与病原菌之间存在一场永无休止的战争！了解病原菌如何进化以克服植物抗性，对于土传病害的阻控至关重要。青枯病菌是遗传多样性最高、分布最广、危害最为严重的土传植物细菌性病原菌。可移动遗传元件（MGEs）在青枯菌的遗传多样性和毒力进化方面发挥着重要作用。巴西维索萨联邦大学Mateus Santana团队认为，转座子可能在病原菌和植物之间互作进化过程中发挥重要功能。为了研究转座子对青枯菌基因组进化的影响，作者对106株青枯菌和15株青枯菌同属的基因组序列进行鉴定和分析，并结合基因序列比对和转录组学等方法深入阐释了转座子对青枯菌基因组可塑性的影响。

青枯菌转座子的注释分析

插入序列（Insertion sequence，IS）是最简单的转座子。首先，为了探究不同的数据库与不同组装程度的基因组序列是否会对IS元件注释结果产生较大的影响，作者使用ISsaga，ISfinder和oasis三种数据库对NCBI下载的62株青枯菌的基因组完成图的染色体和巨型质粒进行BLASTN比对，共发现了10259个IS元件（图1a），显著高于60个基因组草图中IS的数量，说明基因组组装的完整性会影响转座子的注释结果（图1b）。为减少注释结果的偏差，后续分析以基因组完成图为主。此外，IS数量和类别也根据注释数据库不同存在一定差异，其中以ISsaga数据库对青枯菌染色体和巨型质粒中IS数量和种类的注释结果最佳（图1a），因此选择ISsaga数据库注释结果进行下一步分析。

图1 青枯菌IS元件种类和丰度的差异

（a）由不同计算工具检测到的IS的示意图；（b）完整基因组序列和基因组序列草图中IS分布；（c）IS家族在染色体（绿色）和巨型质粒（蓝色）中的分布情况。

青枯菌转座子的普遍性和多样性

以青枯菌的基因组完成图为对象，作者进一步分析了IS家族在不同青枯菌中的分布情况（图2）。研究发现，大多数IS家族在青枯菌中广泛分布，此外个别菌株还含有一些特定性IS元件。例如IS30仅在六个R. pseudosolanacearum菌株之间共享。IS4和IS701家族主要分布在R. pseudosolanacearum菌株中。IS5和IS3家族在各类青枯菌中普遍存在，它们在R. pseudosolanacearum中的元件数量最多，其次为R. solanacearum和R. syzygii。结果表明，菌株的亲缘关系越近，IS分布的分布规律越相近，说明IS元件在青枯菌基因组塑造和遗传多样性方面发挥重要作用。

图2 转座子IS家族在青枯菌基因组中的分布规律（16S rRNA系统发育树）

转座子与青枯菌耐药性进化

作者对青枯菌基因组中的转座子进行分析鉴定，在R. pseudosolanacearum菌株（RSCM、HA4-1、KACC10729和SL313a）的染色体和巨型质粒中发现了6种属于Tn3家族的新型转座子，分别为Tn6768、Tn6769、Tn6770、Tn6771、Tn6772和Tn6773（图3a）。序列分析结果表明6个转座子的序列长度为5.1～8.5 kb，有24%～86%的序列高度相似（图3b）。其中，转座子Tn6768中包含编码氨基糖苷核苷酸转移酶，该基因与氨基糖苷类抗生素的耐药性（如卡那霉素A）密切相关。此结果表明，青枯菌可通过转座子插入获得耐药性，说明转座子是青枯菌耐药性进化的重要驱动力之一。

图3 青枯菌R.pseudosolanacearum的6种新转座子

转座子与青枯菌毒力进化

为明确转座子IS在青枯菌毒力进化过程中的作用，作者对IS序列中的毒力因子进行分析鉴定，发现存在于染色体序列中的大多数IS元件被截断，插入在附近的毒力基因中（图4a）。而大多数IS的侧翼基因位于III型效应蛋白（T3EPs）编码基因附近，还包括水解酶（血凝素相关基因）、氧化胁迫应答、信号分子、趋化性和内切葡聚糖酶以及其它毒素基因（图4b）。分析显示，青枯菌49 %的T3EPs基因可能受到IS插入的影响，IS插入方式主要包括三种类型： Overlapping、Truncated和Nearby（图4c）。这些被IS破坏的T3EP基因代表了最常见的侧翼基因。随后，作者将基因序列与PHI-database、Ralsto T3E database数据库进行了BLASTX比对，发现超过半数的T3EP基因属于无毒基因（avr）。结果表明，IS元件可破坏青枯菌基因组中的无毒基因，对青枯菌的毒力进化至关重要。

图4 IS插入在毒力基因区域

（a）IS元件在染色体和质粒序列中的插入情况；（b）棒棒糖图显示了毒力等级值；（c）图示三个例子，代表IS元件插入青枯菌菌株的不同方式。

讨论

本文主要揭示了转座子对青枯菌基因组可塑性的影响，发现在青枯菌基因组完成图比草图更有利于插入序列IS的注释，菌株亲缘关系越近IS序列的相似性越高。除此之外，鉴定到了新型转座子Tn6768以及IS在无毒基因中的插入模式，揭示了其在青枯菌耐药性和毒力进化过程中发挥的重要作用。该研究为理解可移动性元件对病原菌遗传多样性、毒性和耐药性进化的影响提供新的见解，为从进化阻遏角度消减青枯病的危害提供了新的思路。

论文信息

原名：Transposable elements contribute to the genome plasticity of Ralstonia solanacearum species complex

译名：转座子对青枯菌基因组可塑性的影响

期刊：Microbial Genomics

发表时间：2020.07

通讯作者：Mateus Ferreira Santana

通讯作者单位：维索萨联邦大学