[郭志鴻] 木質桿菌屬之基因體與致病基因分析
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Xylella fastidiosa是一種藉由媒介昆蟲傳播的植物病原細菌。此物種可被細分為多個亞種，例如引起葡萄皮爾斯病 (Pierce's disease) 的X. fastidiosa subsp. fastidiosa，引起柑桔斑駁黃化病 (citrus variegated chlorosis disease) 的X. fastidiosa subsp. pauca，以及引起夾竹桃葉緣焦枯病 (oleander leaf scorch disease) 的X. fastidiosa subsp. sandyi等，對美洲及歐洲的農業與生態造成重大危害。由於這群病原菌的重要性，相關的研究受到相當的重視，尤其基因體學更是了解這些難以培養之細菌的重要工具，在近年來有相當蓬勃的發展。然而之前的相關研究主要著重於探討各亞種之間或是各亞種之內的遺傳變異與演化，缺乏在物種間或是更高的分類位階進行探討。研究者面臨的主要限制在於X. fastidiosa長久以來一直是木質桿菌屬 (Xylella) 內唯一的物種，因此無法進行同屬內不同物種的比較。而其演化上最接近的黃單胞菌屬 (Xanthomonas) 基因體結構與序列都極為不同，且確切的親緣關係又有爭議，因此難以進行跨屬之間的分析並得到重要的生物學發現。
在台灣與木質桿菌屬相關的研究方面，主要是在海拔1,200公尺以下的橫山梨自1980年左右起受到梨葉緣焦枯病 (pear leaf scorch disease) 的危害，發生率達5-43%。此重要病害於1990年被確認病因，而病原則於初期被鑑定為X. fastidiosa。然而後續研究發現此病菌為台灣特有的新種，並於2016年將其正式命名為Xylella taiwanensis，成為木質桿菌屬內第二個物種。為利用這個難得的材料深入探討木質桿菌屬內物種間的遺傳變異，本所郭志鴻老師與國立臺灣大學昆蟲學系蔡志偉老師及農委會農業藥物毒物試驗所蘇秋竹博士團隊合作，共同完成台灣木質桿菌模式菌株的全基因體定序，並與其他黃單胞菌科 (Xanthomonadaceae) 內的相近物種進行比較分析。結果發現木質桿菌屬確實是由黃單胞菌屬內經基因體縮減演化而來，且與野油菜黃單孢菌 (Xanthomonas campestris) 所代表的支序群親緣較近，而與白紋黃單胞菌 (Xanthomonas albilineans) 所代表的支序群親緣較遠。在木質桿菌屬內的詳細親緣分析則證實X. fastidiosa subsp. pauca為X. fastidiosa種內第一個分化出來的基位亞種 (basal subspecies) 。若考慮整體基因內容，X. taiwanensis與X. fastidiosa subsp. sandyi最為相似，而兩者的宿主範圍皆較為狹隘。在致病基因的比較上，木質桿菌屬內各演化分支在與分泌系統及代謝相關的基因之遺傳變異度最低，而與黏附素、水解酵素、及毒素-抗毒素系統相關的基因之遺傳變異度則最高。依此發現，推論這些基因可能受到天擇的影響最大，也因此可作為未來進行分子遺傳實驗的優先候選基因以進一步了解這些病原菌與植物互動的分子機制。
Weng LW#, Lin YC#, Su CC, Huang CT, Cho ST, Chen AP, Chou SJ, Tsai CW*, Kuo CH* (2021) Complete genome sequence of Xylella taiwanensis and comparative analysis of virulence gene content with Xylella fastidiosa. Frontiers in Microbiology 12:684092. DOI: 10.3389/fmicb.2021.684092 [bioRxiv preprint DOI: 10.1101/2021.03.08.434500] #Equal contribution.