Распространение генов TAL-эффекторов среди Xanthomonas campestris pv. campestris: поймай меня, если сможешь

Актуальность. Бактерии Xanthomonas campestris pv. campestris (Xcc) вызывают сосудистый бактериоз у растений семейства Brassicaceae и распространены на всей территории их выращивания. Одним из факторов патогенности, встречающимся среди рода Xanthomonas, являются TAL-эффекторы - белки, проникающие в ядро растительной клетки при заражении и изменяющие экспрессию некоторых генов растения-хозяина для увеличения инфекционного успеха. Для некоторых видов рода Xanthomonas TAL-эффекторы являются необходимым условием заражения растения, однако их роль для Xcc остаётся не до конца ясной. Кроме того, даже распространение этих генов среди разных рас в разных регионах изучено слабо.

Целью нашей работы было изучить распространение генов TAL-эффекторов среди изолятов Xcc, найденных в России.

Материалы и методы. Для выполнения работы была сформирована выборка из изолятов Xcc разных рас, собранных преимущественно в Московской области и Краснодарском крае. Тотальная ДНК из бактерий выделялась с помощью СТАВ метода. Для поиска генов TAL-эффекторов использовался метод ПЦР. Каждый изолят был проверен с помощью четырёх пар праймеров, подобранных на консервативные участки гена.

Результаты. Среди 50 проверенных изолятов было выявлено 4 изолята, содержащих гены TAL-эффекторов. Несмотря на то, что использовались праймеры, отжигающиеся на консервативные области гена, только две пары сработали для всех 4 изолятов. Это свидетельствует о полиморфизмах, который может быть следствием горизонтального переноса от других видов Xanthomonas. Низкое число изолятов с генами TAL-эффекторов может отражать особенности популяций Xcc в Московской области и Краснодарском крае или особенности генотипов выращиваемых растений-хозяев.

1. Dow J.M., Daniels M.J. Pathogenicity Determinants and Global Regulation of Pathogenicity of Xanthomonas campestris pv. campestris. In: Current Topics in Microbiology and Immunology. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg; 1994. P. 29-41. https://doi.org/10.1007/978-3-642-78624-2_2

2. Vicente J.G., Conway J., Roberts S.J, Taylor J.D. Identification and Origin of Xanthomonas campestris pv. campestris Races and Related Pathovars. Phytopathology. 2001;91(5):492-499. https://doi.org/10.1094/phyto.2001.91.5.492

3. Kamoun S., Kamdar H.V., Tola E., Kado CI. A vascular hypersensitive responses: role of the hrpX locus. Mol. Plant-Microbe Interact.1992;(5):22-23. https://doi.org/10.1094/MPMI-5-022

4. Fargier E., Manceau C. Pathogenicity assays restrict the species Xanthomonas campestris into three pathovars and reveal nine races within X. campestris pv. campestris. Plant Pathol. 2007;56(5):805-18. https://doi.org/10.1111/j.1365-3059.2007.01648.x

5. Cruz J., Tenreiro R., Cruz L. Assessment of diversity of Xanthomonas campestris pathovars affecting cruciferous plants in Portugal and disclosure of two novel X. campestris pv. campestris races. Journal of Plant Pathology. 2017;99(2):403-414. https://doi.org/10.4454/JPP.V99I2.3890

6. Ха В.Т.Н., Джалилов Ф.С., Виноградова С.В., Кырова Е.И., Игнатов А.Н. Генетическое разнообразие возбудителя сосудистого бактериоза в России: полиморфизм пцр фрагментов. Защита картофеля. 2014;(2):21-25. https://www.elibrary.ru/tmmlbt

7. Boch J., Bonas U. Xanthomonas AvrBs3 family-type III effectors: Discovery and function. Annu Rev Phytopathol. 2010;48(1):419-36. https://doi.org/10.1146/annurev-phyto-080508-081936

8. van Schie C.C.N., Takken F.L.W. Susceptibility genes 101: How to be a good host. Annu Rev Phytopathol. 2014;52(1):551-581. https://doi.org/10.1146/annurev-phyto-102313-045854

9. Yang B., Sugio A., White F.F. Os8N3 is a host disease-susceptibility gene for bacterial blight of rice. Proc Natl Acad Sci USA. 2006;103(27):10503-10508. https://doi.org/10.1073/pnas.0604088103

10. Antony G., Zhou J., Huang S., Li T., Liu B., White F., Yang B. Rice xa13 recessive resistance to bacterial blight is defeated by induction of the disease susceptibility gene Os-11N3. Plant Cell. 2010;22(11):3864-76. Available from: https://doi.org/10.1105/tpc.110.078964

11. Yu Y., Streubel J., Balzergue S., Champion A., Boch J., Koebnik R., et al. Colonization of rice leaf blades by an African strain of Xanthomonas oryzae pv. oryzae depends on a new TAL effector that induces the rice nodulin-3 Os11N3 gene. Mol Plant Microbe Interact. 2011;24(9):1102-1113. https://doi.org/10.1094/mpmi-11-10-0254

12. Streubel J., Pesce C., Hutin M., Koebnik R., Boch J., Szurek B. Five phylogenetically close rice SWEET genes confer TAL effector-mediated susceptibility to Xanthomonas oryzae pv. oryzae. New Phytol. 2013;200(3):808-819. https://doi.org/10.1111/nph.12411

13. Cohn M., Bart R.S., Shybut M., Dahlbeck D., Gomez M., Morbitzer R., et al. Xanthomonas axonopodis virulence is promoted by a transcription activator-like effector-mediated induction of a SWEET sugar transporter in cassava. Mol Plant Microbe Interact. 2014;27(11):1186-1198. https://doi.org/10.1094/mpmi-06-14-0161-r

14. Cox K.L., Meng F., Wilkins K.E., Li F., Wang P., Booher N.J., et al. TAL effector driven induction of a SWEET gene confers susceptibility to bacterial blight of cotton. Nat Commun. 2017;8(1): 15588 https://doi.org/10.1038/ncomms15588

15. Hu Y., Zhang J., Jia H., Sosso D., Li T., Frommer W.B., et al. Lateral organ boundaries 1 is a disease susceptibility gene for citrus bacterial canker disease. Proc Natl Acad Sci USA. 2014;111(4):E521-E529. https://doi.org/10.1073/pnas.1313271111

16. Zhang J., Huguet-Tapia J.C., Hu Y., Jones J., Wang N., Liu S., et al. Homologues of CsLOB1 in citrus function as disease susceptibility genes in citrus canker. Mol Plant Pathol. 2017;18(6):798-810. https://doi.org/10.1111/mpp.12441

17. Zlobin N., Lebedeva M., Monakhova Y., Ustinova V., Taranov V. An ERF121 transcription factor from Brassicaoleracea is a target for the conserved TAL-effectors from different Xanthomonascampestris pv. campestris strains. Mol Plant Pathol. 2021;22(5):618-24. https://doi.org/10.1111/mpp.13048

18. Schwartz A.R., Morbitzer R., Lahaye T., Staskawicz B.J. TALE-induced bHLH transcription factors that activate a pectate lyase contribute to water soaking in bacterial spot of tomato. Proc Natl Acad Sci USA. 2017;114(5):E897-E903. https://doi.org/10.1073/pnas.1620407114

19. Christian M., Cermak T., Doyle E.L., Schmidt C., Zhang F., Hummel A., et al. Targeting DNA double-strand breaks with TAL effector nucleases. Genetics. 2010;186(2):757-761. https://doi.org/10.1534/genetics.110.120717

20. Erkes A., Grove R.P., Zarkovic M., Krautwurst S., Koebnik R., Morgan R.D., et al. Assembling highly repetitive Xanthomonas TALomes using Oxford Nanopore sequencing. BMC Genomics. 2023;24(1):151. https://doi.org/10.1186/s12864-023-09228-1

21. Ferreira R.M., de Oliveira A.C.P., Moreira L.M., Belasque J.Jr., Gourbeyre E., Siguier P., et al. A TALE of transposition: Tn 3 -like transposons play a major role in the spread of pathogenicity determinants of Xanthomonas citri and other xanthomonads. MBio [Internet]. 2015;6(1). https://doi.org/10.1128/mbio.02505-14

22. Denance N., Szurek B., Doyle E.L., Lauber E., Fontaine-Bodin L., Carrere S., et al. Two ancestral genes shaped the Xanthomonas campestris TAL effector gene repertoire. New Phytol. 2018;219(1):391-407. https://doi.org/10.1111/nph.15148

23. Chu Z., Fu B., Yang H., Xu C., Li Z., Sanchez A., et al. Targeting xa13, a recessive gene for bacterial blight resistance in rice. Zuchter Genet Breed Res. 2006;112(3):455-461. https://doi.org/10.1007/s00122-005-0145-6

24. Hutin M., Sabot F., Ghesquiere A., Koebnik R., Szurek B. A knowledge-based molecular screen uncovers a broad-spectrum OsSWEET14 resistance allele to bacterial blight from wild rice. Plant J. 2015;84(4):694-703. https://doi.org/10.1111/tpj.13042

25. Mokryakov M.V., Abdeev I.A., Piruzyan E.S., Schaad N.W., Ignatov A.N. Diversity of effector genes in plant pathogenic bacteria of genus Xanthomonas. Microbiology. 2010;79(1):58-65. https://doi.org/10.1134/s002626171001008x

26. Kay S., Boch J., Bonas U. Characterization of AvrBs3-like effectors from a Brassicaceae pathogen reveals virulence and avirulence activities and a protein with a novel repeat architecture. Mol Plant Microbe Interact. 2005;18(8):838-48. https://doi.org/10.1094/mpmi-18-0838

27. Лазарев А.М., Мысник Е.Н., Игнатов А.Н. Ареал и зона вредоносности сосудистого бактериоза капусты. Вестник защиты растений. 2017;1(91):52-55. https://www.elibrary.ru/wfqynd [Lazarev A.M., Mysnik E.N., Ignatov A.N. Area and zone of harmfulness of vascular bacteriosis of cabbage. Plant Protection News. 2017;1(91):52-55. (In Russ.) https://www.elibrary.ru/wfqynd]

28. Ревин В.В., Лияськина Е.В., Покидько Б.В., Пименов Н.В., Марданов А.В., Равин Н.В. Характеристика нового штамма Xanthomonas campestris М 28-продуцента ксантана, исследование генома, условий культивирования и физико-химических и реологических свойств полисахарида. Прикладная химия и микробиология. 2021;57(3):251-261. https://doi.org/10.31857/s0555109921030107. https://www.elibrary.ru/gbfrvp

29. Plant Protection Research Institute (South Africa), BioNET-INTERNATIONAL., Switzerland. Direktion fur Entwicklungszusammenarbeit und Humanitare Hilfe. Introduction to practical phytobacteriology: A manual for phytobacteriology. 1999.