2017-12-21
研究背景：
许多病原体都是由非致病性祖先进化而来，这种毒力进化一般发生在宿主产生免疫力和抵抗力阻止病原体入侵的时期，通常会导致两者的共同进化。蜡样芽孢杆菌组（Bacillus cereus group）同时包括致病性和非致病性细菌，宿主范围非常广泛（包括节足动物、线虫、脊索动物），因此可作为研究病原菌演变的模型。最近，华中农业大学与英国埃克斯特大学等研究人员在mBio（影响因子：6.956）上发表了一篇文章，通过比较基因组的方法，阐述了蜡样芽孢杆菌组中，病原菌对宿主特异性的形成和进化策略。
测序平台：
Illumina Hiseq 2000/2500/4000
研究结果：
1. B. cereus group的群体结构
测序得到了95株菌的基因组序列，并从Genbank中获得一部分芽孢杆菌的全基因组序列，绘制出基于单拷贝核心基因的系统进化树（图1）。
图1 苏云金芽孢杆菌的种群结构
系统进化分析将B. cereus group分成了四个分支，其中大部分苏云金芽孢杆菌被分类在分支2中。通过比较两个主要分支的基因组特征发现（图2），分支2中的菌株基因组规模更大，暗示着质粒的存在。并且分支2中的平均核苷酸一致性（ANI）较高。
图2主要分支基因组的不同特征
2. 毒力基因分布
作为昆虫和线虫的病原菌，苏云金芽孢杆菌可以产生三种类型的毒素：Cry，Vip和Cyt。在获得的苏云金芽孢杆菌基因组中预测到了454个cry基因，101个vip基因和26个cyt基因。分支2中的菌株含有更多的cry毒力基因，毒力基因分布有明显的趋势（图3）。
图3苏云金芽孢杆菌的cry基因组成分布
3. HGT导致毒力基因的累积
分支2中的菌株中含有多种毒力基因，大多数存在于质粒上。分析了分支2菌株中毒力基因的致病性基因岛（图4），发现其在分支2的亚枝中广泛存在。同时，转座酶在其附近出现的概率也很高（图5），因此猜测毒力基因会在不同的苏云金芽孢杆菌中进行水平转移。
图4 苏云金芽孢杆菌的致病性基因岛（BtPAIs）
图5 不同位置的转座酶家族比较
4. 多种毒力基因作用于相同靶点
为了探究同一菌株中不同毒力基因的共发生机制，构建了苏云金芽孢杆菌的毒力基因共发生网络。发现具有相同靶向宿主的基因往往同时存在一个网络中，这些不同毒力基因在同一菌株中的累积是对宿主有毒杀作用的关键原因之一。
图6 毒力蛋白的共发生网络
5. 质粒在进化中的作用
在蜡样芽孢杆菌组中，广泛存在三个质粒复制子类型（ori44、pXO1-14/pXO1-16、rep466），但orf156/orf157复制子仅存在于分支2的苏云芽孢杆菌中。研究中发现，一些毒力基因岛是由质粒携带的，携带相同基因岛的质粒往往具有相似的结构。这些质粒的动态变化引起的水平基因转移是苏云金芽孢杆菌基因组中毒素基因累积的直接原因。
图7 苏云金芽孢杆菌cry基因和质粒分布
结论：
本项研究通过基因组测序及比较基因组分析，揭示了以苏云金芽孢杆菌为代表的无脊椎动物病原菌毒力的形成和进化模式，代表了一种不同于高等动物病原菌进化的新途径。
文章索引
Zheng J, Gao Q, Liu L, et al. Comparative genomics of Bacillus thuringiensisreveals a path to specialized exploitation of multiple invertebrate hosts[J]. Mbio, 2017, 8(4):e00822-17.
