Nature Genetics：微生物基因组如何适应植物？(news & views)

Nature Genetics于2017年12月18日在线发表了美国北卡教堂山的Jeffery L. Dangl团队(http://labs.bio.unc.edu/Dangl/)领衔，美国能源部JGI研究所的Tanja Woyke和Susannah G. Tringe共同通讯的文章《Genomic features of bacterial adaptation to plants》，揭示了微生物是如何在与植物的共生、竞争、致病中与植物基因组共进化的历史。

同期还配发了Ryan A. Melnyk和Cara H. Haney两位大佬的news & views对文章的导读和重要性评价。

本文先对同期的导读评论进行全文翻译，方便读者快速理解此研究的结果和意义。

下面导读评论部分转载自iNature的翻译，己获授权，本公众号小编对正文有修改和添加内容。

植物适应性的细菌基因组学

原标题：Bacterial genomics of plant adaptation

Ryan A. Melnyk 和 Cara H. Haney*

加拿大，温哥华，不列颠哥伦比亚大学，微生物与免疫系

是什么使是病原和共生菌都能与真核宿主保持密切联系呢?
一项新的研究进行了大规模的比较基因组学分析，在植物相关的细菌类群中发现富集新的基因和基因组性状。

细菌分布在地球的仍何你所能想到的地方(生态位，niche)。与自养(如植物)或异养(如动物)真核生物结合的能力为细菌提供了其中的碳源【1】。无论对宿主有何影响，细菌生活在相对营养丰富的宿主相关环境中，它们必须具有利用宿主营养物质，避免或抑制宿主免疫力的基因潜能，并与其他在相同生态位的微生物竞争相同的营养物质【2】。识别允许细菌在包括植物根(根际，rhizosphere)和地上部(叶际，phyllosphere)等相关生态位中是遗传基素决定的，它们是应用可控微生物群落于农业生产促进和防治新生病原体是必须的。在一项新的研究中，Asaf Levy，Isai Salas Gonzalez及其同事描述了一种大规模的比较基因组学方法，鉴定植物相关细菌基因组富含特异细菌基因。

植物相关的基因组

来自植物，动物和环境分离物的高质量公开的细菌基因组序列不断增多。比较基因组学已成功地鉴定出特定功能相关的细菌基因【4-7】。Levy等使用了近4,000个跨越多个细菌门和植物起源的高质量、非冗余的细菌基因组，包括来自拟南芥、杨树和玉米根际分离的377个新测序基因组。他们使用独立于宿主、细菌分类群和预测功能的比较基因组学方法，来鉴定富含植物相关细菌分类群基因家族。 Levy等成功地鉴定了与植物定殖，发病或提供营养物有关的已知细菌基因的同系物(图1)。其中包括根瘤菌中的结瘤基因，伯克霍尔德氏菌中的固氮基因和黄单胞菌属(包括植物病原体)中的3型 45 32655 45 14689 0 0 7011 0 0:00:04 0:00:02 0:00:02 7008分泌系统基因。

图1. 植物相关细菌基因组中富集基因的鉴定
基于大规模比较基因组方法，Levy等人鉴定了细菌与植物互利共生和致病相关的基因。此外还鉴定了数百个新基因家族，包括微生物间竞争和碳利用。

除了常见的植物-微生物相互作用之外，Levy等鉴定了767个蛋白质家族，这些家族在多个植物相关分类群中显著富集。预测的许多基因都参与碳或碳水化合物的信号识别或利用。这些包括LacI家族转录因子，其响应于碳信号而调节转录以及参与多种底物(包括糖和活性羰基化合物)分解的醛酮还原酶家族。 Levy等也发现了许多类似真核生物的基因，他们将其命名为PREPARADOs，并且推测这些基因产物会干扰或模拟宿主细胞信号。虽然本研究中确定的大部分候选基因仍未得到验证，但这是迄今为止最大的此类资源，并且是推动植物根际适应基因的假说的有利工具。

从基因组到机制

Levy等对预测富含植物相关分类群的几个候选者进行了初步鉴定。两个基因家族在植物相关的Burkholderiales属菌株Acidovorax中富集，其包括共生菌和病原体。在与植物相关的Acidovorax分离株中，这两个基因家族是强烈相关的：Acidovorax的致病分离株含有一个基因家族（作者命名为“Hyde”），而非致病菌株含有第二个家族（’Jekyll’）。在致病性嗜酸菌株的基因组中，Hyde基因座位于已知参与细胞杀伤作用的6型分泌系统结构基因附近【8】，Levy等提出Hyde基因可能作为6型效应物。他们证明含有Hyde的菌株具有在ΔHyde突变体中丧失抗菌活性。作者推测Hyde基因可能有助于消除病原体的竞争，从而促进含有Hyde基因的毒株的毒力。总的来说，这项工作确定了富含植物相关细菌分类群的基因，在某些情况下，如Jekyll / Hyde，与共生和致病性等行为相关的基因。

识别微生物生活方式转变的驱动因素对于控制新生病原体和改善农业微生物工程是至关重要的。还原模型系统提供了对驱动植物-微生物互作的分子和遗传机制的深入了解【9,10】。然而，这些系统功能强大，因为它们没有考虑在自然环境中与寄主相关的复杂的微生物群落，并倾向于把重点放在一系列有广泛工具的模型上。微生物和细菌基因组测序已经产生了大量的数据，试图弥合这些还原系统与自然界存在的微生物复杂性之间的差距。Levy等利用大量可用的细菌基因组数据来生成关于驱动植物结合的细菌基因的可测试的假设。作者提供了几个关于如何将他们的假设与易处理的微生物中的遗传学相结合以产生几个基因家族的合理功能的案例研究。像这样的分析与模型系统和有可能在生态和农业重要背景下推动细菌进化转变的分子机制【11,12】。

Reference

1. Hacquard, S. et al. Cell Host Microbe 17, 603–616 (2015).

2. Pel, M. J. C. & Pieterse, C. M. J. J. Exp. Bot. 64, 1237–1248 (2013).

3. Levy, A. et al. Nat. Genet. https://doi.org/10.1038/s41588-017-0012-9 (2017).

4. Porter, S. S., Chang, P. L., Conow, C. A., Dunham, J. P. & Friesen, M. L.ISME J. 11, 248–262 (2017).

5. Nowell, R. W., Laue, B. E., Sharp, P. M. & Green, S. Mol. Plant Pathol. 17, 1409–1424 (2016).

6. Ali, S., Duan, J., Charles, T. C. & Glick, B. R. J. Theor. Biol. 343, 193–198 (2014).

7. Loper, J. E. et al. PLoS Genet. 8, e1002784 (2012).

8. Ho, B. T., Dong, T. G. & Mekalanos, J. J. Cell Host Microbe 15, 9–21 (2014).

9. Xin, X.-F. & He, S. Y. Annu. Rev. Phytopathol. 51, 473–498 (2013).

10. Kereszt, A., Mergaert, P., Maróti, G. & Kondorosi, E. Curr. Opin. Microbiol. 14, 76–81 (2011).

11. Busby, P. E. et al. PLoS Biol. 15, e2001793 (2017).

12. Vorholt, J. A., Vogel, C., Carlstrom, C. I. & Müller, D. B. Cell Host Microbe 22, 142–155 (2017).

13. 评论 https://www.nature.com/articles/s41588-017-0019-2

14. 原文 https://www.nature.com/articles/s41588-017-0012-9

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