文档介绍：从基因分布推论植物青枯病病原菌的基因组结构和系统发育树
Alice Guidot,1* Philippe Prior,1 Jens Schoenfeld,2 Sébastien Carrère,2 Stéphane Genin,2 and
Christian Boucher2
(CIRAD, UMR PVBMT, Saint Pierre, La Réunion F-97410, France,RS-INRA, UMR LIPM,
Tolosan F-31326, France2)
摘要:在本研究中,我们调查高度多态性植物青枯病原β– proteobacterium 的基因分布,特别关注已知或候
选致病基因的地位。基于我们以 GMI1000 作为参比菌株,使用寡核苷酸微阵列比较基因组杂交技术,我们
已经确定的条件里允许与 GMI1000 比较的已收集的 18 株供试青枯菌株是具有生物多样性的代表性菌株。
本文鉴定出有 2690 核心的基因存在于所有供试菌株。作为推论,清单里青枯雷尔氏菌物种中 2338 可变
基因已经确定。基于可变基因分布的系统聚类结果与先前我们从已知的 4 个青枯核甘酸序列分析来定义的
单型分类完全一致。目前许多致病相关基因的核心基因组表明,青枯病菌是一种祖传的病原体。结果建立
长期协同进化的两个构成复制子的细菌基因组。我们证实了基因组岛里的可变基因的聚类结果。大多数
基因岛被列入是一种替代密码子使用区域,也就是说它们通过横向基因转移来获得外源基因。其他基因组
岛对应的基因,具有与核心基因相同的碱基组成,这表明它们要么可能是祖传基因的缺失或可能源于水平
基因转移。
分析细菌完整的基因组序列反映了这些基因组结构存在巨大可变性。在一些物种,如结
核分枝杆菌,很少看到菌株间的差异,而在其他物种,很大比例的基因在菌株间存在变异
[28,40]。这些分析还确定了由几个细菌发展成一种复合基因组成:一个或几个大型复制和数目
可变的噬菌体和质粒中除了基本染色体[5,916,20,21,36]。在这个具有这种复合基因的细菌的例子
里,分析基因在不同的复制子里的分布,给我们提供了一些线索,即这些基因怎样出现和进
化以及他们如何获得特别属性,如致病性。最近,发展的比较基因组杂交使用微阵列技术为
探讨任何特定细菌群体的遗传多样性提供了一种新的全基因组范围研究手段,并阐明这些进
化过程。特别是,这种做法可以区分许多物种里“核心”(保守)和“变量”(分布不均)基因。
根据不同的物种,从 1%到 45%的基因可以被指定为变量的基因[6,14,29,38,42]。这种多样性被认
为是由于重复或丢失现有的基因或通过横向基因转移( LGT )从外源获得基因[23] 。LGT
是促进微生物基因组多样化主要机制[12,28,30]。分析细菌许多完整的基因组序列揭示了一种镶
嵌结构,在这个结构区域里显着不同的核苷酸组成及密码子使用替代了同区域的平均基因组
的组成和标准的密码子使用[8,26]。这镶嵌结构提供了通过LGT获得基因的证据。每一个可变
基因都源自物种进化。缺少一个或多个这种基因可能导致现有的祖先会丢失一些谱系。探讨
一个物种不同谱系间可变基因分布可能有助于更好地理解物种进化历程。
在青枯菌根据可变基因的分布来确定物种进化状况的研究中,利用比较基因组杂交手
段取得可喜结果。青枯病菌是一种革兰氏阴性菌,β– proteobacterium是这种细菌性枯萎病
的致病物,青枯病是世界上最严重、毁灭性的维管束病害。这种细菌的特点是具有较高水平
表型和基因型的多样性。基于四个基因的核苷酸序列分析,被划分为 4 个单系群,称为
phylotypes[13]。这些phylotypes与菌株的地理来源有关: phylotypeⅠ菌株最初源自亚州,
phylotypeⅡ菌株来自美州, phylotypeⅢ菌株来自非洲和印度洋周围岛屿和phylotypeⅣ来自
印度尼西亚[13,34]。研究 DNA - DNA杂交表明,青枯菌基因组间的身份常常是低于 70 %的阈
值水平,这个阈值是细菌物种划分的通常预期值[31]。这种菌株间高遗传变异说明青枯病菌
是一个“复杂的物种”[18]。Taghavi等[39]扩大青枯病菌复合种的概念,包含两个密切相关的来
自印度尼西亚的物种,Ralstonia syzygii(病原体分离自丁香)和香蕉血液病植株分离代表菌,
这两个物种根据 16S rRNA基因序列分析被发现属于phylotypeⅣ青枯病菌。然而,自然界代
表这种分歧的基因大部份不明,如分子机制产生这种多样性,这通常伴随着高的表型变异性
状。
可以解释青枯菌这种高水平的