香蕉枯萎病是最具破坏性的植物病害之一。研究者从石斛叶片(Dendrobium sp.)中分离到枯草芽孢杆菌(Bacillus Subtilis)R31和TR21，对香蕉枯萎病的生物防治表现出不同的植物有益效应。本研究对R31和TR21进行了基因组测序和比较基因组分析。结果表明，R31参与产孢、群体感应和抗生素合成的菌株特异性基因使R31表现出比TR21更好的产孢能力、根际适应能力和群体感应能力。R31和TR21在植物生长促进和生物防治方向具有重要的应用价值。
材料和方法
材料：中国广东省珠海市农业科学研究中心兰花生产基地温室内石斛属(Dendrobium sp.)叶片
测序技术：PacBio Sequel平台
主要结果
01
基因组测序和组装
本研究所用的两株内生细菌B.subtilis R31和TR21是从石斛属(Dendrobium sp.)树叶分离得到的。R31和TR21均表现出明显的植物生长促进作用和对香蕉枯萎病的抑制作用。然而，R31和TR21在与植物有益性状相关的性状上表现出明显的差异。例如，R31主要寄生在香蕉的根际，以达到对植物有益的效果；而TR21通常寄生在维管束中，以达到生防效果。此外，R31比TR21表现出更好的产孢特性和群体感应特性。
通过SMRT测序，从两个20kb的文库中产生了3.56 GB(R31为1.92 GB，TR21为1.64 GB) polymerase reads。去除接头和低质量或歧义reads后，R31和TR21分别获得了1.91 GB(~455×)和1.62 GB(~395×)subreads。用MECAT软件从PacBio长读序列中组装和校正初级contigs。R31细菌基因组由一条全长41,86,822bp的染色体重叠群组成，GC含量为43.62%，预测到基因4145个(图1A)；TR21细菌基因组由一条全长41,05,857bp的染色体contig组成，GC含量为43.82%，预测到基因4058个(图1B)。使用REALPHY在线工具(图1D)以枯草芽孢杆菌R31为参考基因组对R31、TR21和其他四个具有代表性的枯草芽孢杆菌菌株进行了基于全基因组的系统发育分析。在R31和TR21基因组中共鉴定出598个共线片段，共线片段全长分别占R31和TR21基因组的94.24%和96.57%。
图1.枯草芽孢杆菌R31和TR21菌株的基因组特征
图2.枯草芽孢杆菌R31和TR21基因组共线图谱
02
功能注释
在R31和TR21基因组中分别鉴定出143个(tRNA：86；rRNA：30；sRNA：27)和140个(tRNA：86；rRNA：30；sRNA：24)ncRNA，平均长度分别为961bp和963bp。全长ncRNA共56,032bp和56,006bp，分别占R31和TR21全基因组序列的1.34%和1.36%。此外，在R31和TR21基因组中分别鉴定了36个和45个散布重复序列，以及64个和52个串联重复序列。
03
碳水化合物活性酶(CAZymes)
在R31和TR21基因组序列中，共有563个基因和553个基因被定位到CAZymes家族。在R31和TR21中，糖苷水解酶和糖基转移酶占主导地位，其次是碳水化合物结合模块、糖酯酶、辅助活性和多糖裂解酶(表2)。其中，糖苷水解酶代表了一组与碳水化合物的糖苷键水解有关的多功能酶。然而，R31和TR21之间的CAZyme基因数量仅有很少的差异。CAZyme基因序列之间的这些差异可能是导致它们的表型差异，特别是定殖能力的原因。
04
基因岛与前噬菌体元件
在R31基因组中鉴定出24个GIs，大小在4079bp到142411bp之间，平均长度为16902 bp，全长为405651 bp(图3A)。这24个基因由514个基因组成，主要编码糖基转移酶、转糖基酶、木糖异构酶、糖转运蛋白、孢子萌发/外壳蛋白、亚细胞转运蛋白/免疫蛋白和葡萄糖/甘露糖转运蛋白。此外，在TR21基因组中鉴定了13个GIs，大小在4028bp到108608 bp之间，平均长度为18709 bp，全长为243213 bp(图3B)。在TR21的13个GIs中，共有306个基因，主要编码金属结合蛋白、转酮醇酶、终止酶、重组酶和金属内肽酶。
图3.枯草芽孢杆菌R31(A)和TR21(B)基因组中确定的基因岛圈图
05
比较基因组分析
为了在全基因组水平上评估枯草芽孢杆菌R31和TR21的总体遗传多样性，研究者对这两种内生菌进行了比较基因组分析。为了研究菌株特异性基因/蛋白家族，在枯草芽孢杆菌R31和TR21中进行了一系列的BLASTX搜索。根据R31和TR21的基因序列相似性确定了4332个蛋白质家族(R31为4126个家族，TR21为4043个家族)。其中，在R31和TR21(图4A)中，总共有290个(293个基因)和207个(207个基因)蛋白家族是菌株特异性的。GO和KEGG富集分析表明，在R31菌株特异性基因中，44个(55.7%)、24个(30.38%)和11个(13.92%)GO项分别富集于生物过程(BP)、分子功能(MF)和细胞成分(CC)三类。
图4.枯草芽孢杆菌R31和TR21的比较基因组分析
总结
本研究中作者从石斛属(Dendrobium sp.)叶片分离出两株内生芽孢杆菌，通过PacBio SMRT测序组装了枯草芽孢杆菌(B.subtilis)菌株R31和TR21的高质量基因组，为进一步研究它们在孢子形成、根际适应和群体感应等方面的不同植物有益性状奠定了基因组基础。比较基因组分析表明，R31菌株与孢子壳/萌发/产孢相关的菌株特异性基因可能是R31菌株比TR21菌株产孢量高的原因。该研究为R31和TR21菌株之间植物有益性状多样性的分子机制提供了新的见解。此外，研究结果还有助于运用比较基因组研究来阐明枯草芽孢杆菌菌株的基因组多样性和进化动态。
永利集团3044拥有多种测序平台和强大的计算机资源，提供最佳的测序解决方案和快速的分析平台。可提供二代和三代细菌基因组测序，宏基因组测序服务。从样品提取、建库测序、数据分析、结果交付到售后服务为您提供一站式服务，为您助力高分文章。
配图来源于网络/侵删
微信公众号
027-87224696
|
marketing@frasergen.com
|
