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.
