开发新方法追踪植物病害的全球传播（2020.6.7 iPlants）

质粒是可自主复制的非必需DNA分子，可加速许多重要的细菌的进化。例如，质粒传播抗生素抗性基因，这是人类和动物健康的紧迫问题。农杆菌获得致瘤的Ti质粒或根诱导（Ri）质粒后，将其转变为能够遗传转化并引起多种植物疾病的病原体。因此，对质粒进行进化关系分类，准确评估质粒对疾病暴发的影响，制定缓解疾病的策略以及加快利用质粒多样性进行生物技术研究的基础。但是，之前认为质粒过于多样化且能平行转移，导致无法分类。

2020年6月6日，Science杂志在线发表了美国俄勒冈州立大学Jeff H.Chang课题组题为“Unexpected conservation and global transmission of agrobacterial virulence plasmids”的研究论文。

该研究通过系统发育，基因组学和时间树分析成千上万的农杆菌菌株后产生了强大的农杆菌系统发育史，并准确地模拟疾病的全球传播。同时开发了一种使用系统发育和网络方法以及不同规模的遗传信息来推断各种Ti质粒进化的策略。

农杆菌是一种重要的植物病原菌，通过侵染植物伤口后注射致癌的Ti和Ri质粒到植物细胞中，从而诱导宿主产生冠瘿瘤或发状根，影响农作物产量。这些质粒还具有允许农杆菌将整个质粒从一种细菌水平转移到另一种细菌的基因，而不是通过垂直遗传或从父母到子代的遗传。在获得有害质粒后，以前良性的农杆菌菌株可以成为新的病原体谱系。这种能力使病原体的控制和疾病爆发的追踪变得困难。因此，为了开发其追踪系统，必须首先必须了解质粒的进化和分类。

之前一直认为，质粒之间遗传信息的频繁转移以及农杆菌属物种之间大量的遗传变异，使得绘制农杆菌基因组及质粒之间的进化关系实际上是不可能的。因此，没有此类信息，就无法准确追踪疾病爆发。

该研究克服了上述挑战，分析了数百种菌株的基因组数据，并将结果应用于推断进化史和致癌质粒的传播。该研究首先生成时间校准后的农杆菌-根瘤菌系统发育树，并从中总共鉴定了143个致癌质粒序列，令人惊讶的是，这些致癌质粒都仅可分为九个不同的谱系，分别是六个Ti（I–VI型）和三个Ri（I–III型）致癌质粒。

之后，该研究通过分类质粒和农杆菌的广泛的基因测序信息，可以推断出细菌如何在苗圃之间移动以及质粒如何在细菌之间移动。该研究能够追踪至少七个案例，植物的全球分布有助于单个农杆菌菌株-质粒组合的广泛传播。其中一个案例，一个苗圃为批发商生产植物，并且可能已成为许多植物疾病的零号病原。后来在世界另一地方的两个苗圃中发现了具有相同基因型-质粒组合的菌株。

綜上所述，该研究表明，曾经被视为过于多样化而无法分类的质粒具有独特的谱系，并且可以通过定义其进化关系来实现疾病传播的准确建模。同时该方法在植物和人类或动物健康以及食品安全中也可以推论毒力质粒进化和传播的策略中具有潜在的应用前景。