CRISPR может объяснить низкое генетическое разнообразие смертельно опасной бактерии

Ученые из Университета штата Орегон исследовали эволюционную историю почвенной бактерии Rathayibacter toxicus, которая настолько опасна для пасущихся животных, что ее образцы хранятся в условиях высокой биобезопасности.

В ходе эволюции R. toxicus потеряла около трети своих генов. Несмотря на редукцию генома и низкое генетическое разнообразие, бактерия сохранилась. Исследователи предполагают, что ключевую роль в этом процессе сыграла реакция бактерии на вирусную инфекцию, в центре которой находится локус CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat).

Правительство США объявило R. toxicus биологическим агентом, представляющим угрозу, из-за производимых ею токсинов. Хотя сам вид бактерии в Орегоне не обнаружен, опасения высоки, так как там обитает червь-переносчик, который заражает растения. И червь, и бактерия инфицируют соцветия злаков. В 2017 году сено и семена трав были третьим и пятым по значимости сельскохозяйственным товаром в Орегоне с совокупной стоимостью более $1 млрд.

«Способность обнаруживать и упреждающе предотвращать распространение R. toxicus чрезвычайно важна. С помощью геномной эпидемиологии мы можем отслеживать перемещение конкретных линий бактерий и пытаться остановить их», — говорит Джефф Чанг, микробный геномик и автор-корреспондент исследования.

В этом исследовании ученые использовали полногеномное секвенирование, чтобы понять родство и эволюцию разных видов Rathayibacter. Анализ включал более 100 секвенированных геномов.

R. toxicus оказалась наиболее генетически отдаленным видом. По мнению исследователей, это, вероятно, связано с тем, что она — единственный вид Rathayibacter, который приобрел CRISPR как адаптивную иммунную систему для защиты от вирусов.

«В ходе эволюции она не только потеряла гены, но и приобрела их, включая локус CRISPR. Ее геном нормален, за исключением некоторых удаленных участков. Это говорит о том, что этот вид пережил драматическое событие в своей эволюции», — отмечает Эд Дэвис, соавтор исследования.

Анализ ДНК R. toxicus проводился на образцах, собранных за 30 лет в трех регионах Австралии, а также на штаммах из семян, произведенных в Орегоне. R. toxicus в орегонских образцах обнаружена не была, а два доминирующих в Орегоне вида Rathayibacter лишены генов, необходимых для производства токсина.

Понимание генома R. toxicus позволяет идентифицировать специфические последовательности для молекулярной диагностики, что может стать мощным инструментом для массового скрининга партий семян.