В зависимости от условий способность ключевой бактерии в биотехнологии — Agrobacterium tumefaciens — переносить свою ДНК в растение-хозяина может сделать ее либо патогеном, наносящим вред сельскохозяйственным культурам, либо мощным методом их генетического улучшения.
Новое исследование, проведенное группой ученых из Университета штата Айова, показало, что эффективность вирулентности Agrobacterium варьируется в зависимости от того, как устроена ее хромосома.
Исследование, опубликованное в этом месяце в журнале Science Advances, показало, что бактерия более эффективна в заражении растений, когда находится в своем естественном двуххромосомном состоянии, но она растет быстрее и лучше справляется со стрессом, когда ее плотно скрученный генетический материал объединен в одну хромосому.
«Наша работа является первой в области прямого тестирования того, как структура хромосомы влияет на рост бактерий, их выживаемость и способность вызывать заболевания, и это открывает путь для аналогичных исследований многих других микробов», — сказала Кан Ван, почетный профессор агрономии имени Чарльза Ф. Кертисса и профессор биотехнологии мирового уровня, один из авторов исследования. Ее исследования сосредоточены на трансформации растений и генной инженерии, а значительная часть ее работы посвящена бактерии Agrobacterium.
По ее словам, знание того, что хромосомная архитектура влияет на баланс между приспособленностью и инфекционностью Agrobacterium, может помочь генным инженерам оптимизировать ее использование в качестве инструмента для улучшения сельскохозяйственных культур или разработать новые способы защиты сельскохозяйственных культур, уязвимых к корончатому галлу — опухолевидным разрастаниям, которые бактерия может вызывать на корнях и стеблях.
Редкая конфигурация
Агробактерии широко распространены в почве и поражают такие культуры, как фруктовые и ореховые деревья, виноград и сахарную свёклу. С 1980-х годов учёные используют механизм переноса ДНК, вызывающий инфекцию, для внедрения в растения определённых генетических последовательностей. Трансформация сельскохозяйственных культур с помощью агробактерий позволила получить устойчивую к гербицидам сою, устойчивую к насекомым кукурузу и хлопок, а также обогащённый витаминами золотистый рис.
Хотя одной из причин, по которой ученые сосредоточили свое исследование на Agrobacterium, была ее польза в биотехнологии растений, Кан Ван отметила, что их также заинтересовала необычная конфигурация ее хромосом, которая имеет как круглую, так и линейную форму.
«Эта редкая геномная архитектура делает Agrobacterium прекрасной моделью для исследования того, как форма и организация хромосом влияют на фундаментальные признаки», — сказала она.
Некоторые встречающиеся в природе варианты Agrobacterium также имеют одну более крупную хромосому, слитую в линейную форму. Используя инструменты редактирования генов CRISPR, исследователи сконструировали два других штамма Agrobacterium с различной хромосомной архитектурой. Распространенный двуххромосомный тип был отредактирован так, что вместо одной кольцевой и одной линейной хромосомы у него появились две кольцевые хромосомы. Вариант с одной слитой линейной хромосомой был отредактирован так, что вместо одной кольцевой хромосомы у него появилась одна кольцевая хромосома.
Лабораторные испытания всех четырех типов, которые были генетически идентичны, за исключением конфигурации хромосом, показали, что слитые типы имели преимущества в плане приспособленности и репликации, но были не столь эффективны при заражении растений-хозяев.
Паттерны экспрессии генов соответствовали наблюдаемым. Инструменты транскриптомного анализа, которые могут отображать полный набор РНК организма в данный момент времени, обнаружили более высокую активацию генов, связанных со стрессоустойчивостью и другими характеристиками выживания, у слитых однохромосомных типов. Гены, связанные с вирулентностью, были более активны у двуххромосомных типов.
Далеко идущие последствия
По словам Кан Ван, ученым, которые используют Agrobacterium для улучшения сельскохозяйственных культур и других растений, важно знать, как сила бактерий варьируется в зависимости от организации их хромосом.
«Это помогает нам точно настраивать штаммы в зависимости от наших целей. Мы можем сохранять естественное разделение хромосом для эффективного переноса генов в растения или использовать слитые версии, когда стабильность роста в лабораторных условиях важнее», — сказала она.
По ее словам, полученные результаты также могут привести к разработке новых стратегий борьбы с корончатыми галлами сельскохозяйственных культур, вызываемых бактерией Agrobacterium tumefaciens, например, путем перераспределения патогенных штаммов в сторону менее эффективных хромосомных структур. Будущая работа по изучению функционального влияния конструкции хромосом у других бактерий может даже привести к улучшению профилактики или лечения инфекций у людей. «Это также открывает нам окно в эволюцию, показывая, как бактерии меняют структуру своей ДНК для адаптации и процветания. Влияние изучения геномной архитектуры в ближайшие годы может быть далеко идущим», заключила исследователь.
Источник: Iowa State University. Автор: Дэйв Роепке.
На фото - бактерия Agrobacterium tumefaciens, увеличенная в 15 000 раз на изображении, полученном ранее в этом году с помощью сканирующего электронного микроскопа в Центре высокоразрешающей микроскопии имени Роя Дж. Карвера при Университете штата Айова. Автор фото: Эфраим Алиу/Университет штата Айова. Источник: Университет штата Айова.