Ученые расшифровали геномы трех бактерий, общих для винограда и сахарного тростника

Ученые из Рочестерского технологического института (RIT) опубликовали полные геномные последовательности бактерий, ассоциированных с ямайским сахарным тростником и виноградом сорта Рислинг, в сентябрьском и ноябрьском выпусках Journal of Bacteriology (Американское общество микробиологии).

Профессора André Hudson и Michael Savka из RIT изолировали и идентифицировали три бактерии: род Enterobacter — из ткани стебля ямайского сахарного тростника, а также Methylobacterium и Novosphingobium — из виноградной лозы.

По словам Hudson, эти геномы включают один из первых, ассоциированных с ямайским сахарным тростником. Ученые депонировали полные геномы в GenBank (репозиторий Национальных институтов здоровья США). Hudson и Savka — первые профессора RIT, отсеквенировавшие и аннотировавшие геномы.

Значение исследования

Такая фундаментальная работа предоставляет научному сообществу данные для применения в предотвращении или управлении болезнями сельскохозяйственных культур. Секвенирование деконструирует генетический состав организма, расшифровывая нуклеиновые кислоты (нуклеотиды) — «строительные блоки» ДНК и РНК. Конкретное расположение нуклеотидов (генотип) определяет генетические инструкции и обозначает род/вид организма, а также его фенотип.

«Это исследование важно, потому что с ростом населения мира производство и защита продовольствия станут большой проблемой, — говорит Hudson. — От 30 до 40% большинства культур теряется из-за вредителей и патогенов».

Методология и команда

Hudson и Savka сотрудничали с выпускником и ведущим автором всех трех статей Han Ming Gan '08, а также Sean McGroty '11 и профессором Larry Buckley. Gan, бывший студент Savka, сейчас работает в ScienceVision SB (Малайзия), имея доступ к технологиям высокопроизводительного секвенирования и управления данными.

Каждая изученная бактерия состоит примерно из 5–6 миллионов нуклеотидов. Процесс аннотации генома Savka сравнивает с чтением книги без пробелов между словами, где нужно найти начало и конец каждого слова.

Ключевые направления исследования

Ученые ищут в геномах ответы на вопросы:

• Почему эти бактерии живут в растениях?
• Они разрушают растение или приносят пользу?
• Обеспечивают ли они растение питательными веществами (гормоны, фосфор, азот)?
• Это взаимовыгодные (мутуалистические) отношения?

Команда обнаружила в каждом из трех геномов примерно 4000–6000 белков.

Особое внимание уделяется системе бактериальной коммуникации — «чувству кворума» (quorum sensing). Это процесс, при котором малые молекулы действуют как генетические переключатели, запуская рост бактерий и регулируя их патогенность. Когда популяция бактерий достигает порогового значения, эти молекулы координируют их клеточный ответ, что может быть направлено, например, на разрушение растения.

Исследование сахарного тростника

Hudson изучает геном бактерии Enterobacter (эндофит, живущий внутри растения), чтобы идентифицировать белки, участвующие в росте и развитии растения, которые могут улучшить биомассу для производства биотоплива. Ученые также исследуют, использует ли Enterobacter чувство кворума и участвует ли он в фиксации азота. Работа частично поддержана грантом Национального научного фонда США (NSF).

«Большинство моей семьи работает в сахарной промышленности на Ямайке... Я надеюсь найти новые гены для метаболизма азота», — отмечает Hudson.

Исследование виноградной лозы

Изучение бактерий винограда Рислинг может привести к новым способам повышения устойчивости к болезням, поражающим ксилему (сосудистую систему) винограда. Насекомые, питающиеся соком, создают раны для проникновения бактерий.

Savka изучает штамм Methylobacterium, который продуцирует белки, демонстрирующие скоординированную коммуникацию, способную влиять на распространение патогенных бактерий. В его лаборатории создан генетический мутант белка, не производящий сигналы чувства кворума.

Третья бактерия, Novosphingobium, колонизирует опухолевые заболевания растений (например, корончатый галл), распространяемые нопалиновой бактерией. Эта болезнь вызывает неконтролируемый рост тканей и может значительно снизить урожайность. Секвенированный штамм был выделен из опухоли на виноградной лозе Рислинг (Венгрия) и показал способность продуцировать молекулы клеточной сигнализации.