Nature Genetics：微生物如何适应植物的？(articles)

文章简介

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?

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、竞争中与植物基因组互相交换的历史。

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。详细请阅读下文。

通讯作者简介

实验室主页：http://labs.bio.unc.edu/Dangl/  

Dangl是植物微生物组领域的大牛之一，与Paul schulze-lefert (http://www.mpipz.mpg.de/schulze-lefert)和Sheng Yang He (http://www.thehelab.org/)齐名，都是年年有CNS的大佬。Dangl累计发表文章188篇，在2017年产出文章13篇，其中Nature，NG x2，NC，Cell Host & Microbe，PNAS等，详见其主页Publications列表。

细菌基因组适应植物的特征

摘要

植物与众多微生物关系紧密。与植物紧密联系的细菌存在能够适应植物环境的基因。然而，我们这些基因大多数仍然末知，或功能知知甚少。我们测序了来自十字花科、杨树和玉米根系的484个细菌基因组。与已知的3837个细菌基因组比较，鉴定了上千个与植物相关的基因簇。与植物无关的微生物相比，植物紧密联系的细菌基因组中编码更多的碳代谢功能，和更少的可移动元件。我们通常实验验证了其中两个的功能，一个与在植物上定殖相关，另一个与微生物间竞争相关。我们还鉴定了64个植物相关的蛋白结构域，它们可能是植物结构的模仿者(欺骗宿主的免疫系统)，其中一些同样存在于与植物相关的真菌和卵菌。本项工作拓展植物与微生物互作在基因组层面的理解，为微生物组应用于可持续农业提供基础。

表1. 本研究使用的菌来源

文章作者新测序了484个植物根际富集的细菌，同时搜集了5586个己发表细菌基因组，选取其中3827个用于本研究联合分析。作者主要关注的大类有Alpha变型菌纲(Alphaproteobacteria)、伯克氏菌目(Burkholderiales)、不动杆菌属(Acinetobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、芽孢杆菌目(Bacillales)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)。并将细菌基因组分为四类：植物相关(PA, plant-associated bacteria); 非植物相关(NPA, non-plant-associated bacteria); 土壤相关(soil, soil-associated bacteria); 根相关(RA, root-associated bacteria)。

图1. 本研究中使用细菌基因组，以及其中差异的功能分类丰度

a, 基于3837个高质量基因组中31个单拷贝基因的最大似然树。最外圈展示分类组，中圈展示其来源，内圈展示植物相关的根相关基因，还可以在线iTOL查看可交互的树(https://itol.embl.de/tree/15223230182273621508772620)。
b, 展示植物与非植物细菌、根与土壤相关细菌功能分类丰度差异。热图展示差异水平采用PhyloGLM检验。显著性水平采用FDR<0.05校正并着色，粉色为植物或根相关富集，柱状图展示了行列的基因数量。星号为非正式的分类。Carbohydrates代表碳水化合物代谢与转运基因类。完整的COG分类名见附表6。

图2. 多方法验证预测微生物基因组中的植物相关基因

a, 植物相关(PA, Plant-associated)基因的定义是PA宏基因组中比NPA宏基因组中丰度更高。使用38个宏基因组样品比对Scoary预测的各类基因，计算PA与NPA显著差异的基因。
b, Paraburkholderia kururiensis M130菌野生型和基因敲除体突变体进行水稻根定殖实验。突变体定殖能力显著下降。
c-i, 植物相关基因操纵子结构 ，如结瘤、固氮、赤霉素前体、趋药性蛋白、3型分泌系统、4型分泌系统、鞭毛合成。

图3. 植物/根系相关细菌中富集的蛋白和蛋白结构域

a, Lacl DNA结合结构域，周质结合蛋白
b, 醛酮还原酶

图4. 微生物与植物相似的基因家族。

在植物相关的细菌、真菌、卵菌共有，且在植物中的存在同源序列。

图5. 植物和土壤相关细菌存在鞭毛类基因簇偶发的出现在伯克氏菌目

图6. Jekyll和Hyde基因快速多样化和多拷贝

a. 嗜酸菌属(Acidovorax)个体35个单拷贝基因最大似然法构建进化树。其中致病与非致病分枝与Hyde1和Jekyll基因有无相关。
b. Jekyll基因在瑞士拟南芥分离的多株菌中存在拷贝数变异。
c. Hyde基因在致病性嗜酸菌属的多个种、株中存在拷贝数变异。
d. Hyde基因在致病性假单胞菌中位置可变。

图7. 西瓜食酸菌对其它植物相关菌有毒性

a. 大肠杆菌表达Hyde1有严重毒性，
b. 与食酸菌共培养猎物细胞恢复数量定量分析

资源下载

Dangl实验室为此文专门建立了网站，提供本文相关资源的下载，网址如下：
http://labs.bio.unc.edu/Dangl/Resources/gfobap_website/index.html

可以免费下载全文、分析结果和中间文件。想需要那一部分，在上面的分类中点Read More获取更多资源。

Reference

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

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

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