Genomics and transcriptomics of ‘Candidatus Liberibacter solanacearum’ and its interaction with its host plant Daucus carota subsp. sativus

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5489-7
Title: Genomics and transcriptomics of ‘Candidatus Liberibacter solanacearum’ and its interaction with its host plant Daucus carota subsp. sativus
Author: Wang, Jinhui
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences
Doctoral Programme in Sustainable Use of Renewable Natural Resources
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-10-17
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5489-7
http://hdl.handle.net/10138/305496
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The phloem-limited bacterial pathogen ‘Candidatus Liberibacter solanacearum’ is known to cause several economically important plant diseases. Among the distinct haplotypes in ‘Ca. Liberibacter solanacearum’, haplotypes A and B are associated with zebra chip disease in potato, haplotype C is associated with carrot yellowing disease, and haplotypes D and E are associated with disease in carrot and celery. However, the vector-transmitted and unculturable nature of ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ has limited the use of many conventional microbiological methods and advanced molecular biological techniques. Current understanding of the pathogenesis of ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ and the pathophysiology of infected host plants is still very limited. In this study, a series of experiments were designed and implemented to improve our understanding of those aspects. Multi-omic approaches, high-throughput sequencing technologies and bioinformatic analysis were fully integrated in this research. Metagenomic sequencing was applied to obtain the genome sequence of ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ haplotype C in Finland. Two draft genome sequences of haplotype C, FIN114 (1.24 Mbp) and FIN111 (1.20 Mbp), were obtained from carrot psyllids (Trioza apicalis) harbouring ‘Ca. Liberibacter solanacearum’. Genome comparison between haplotypes A, B and C revealed that prophages were involved in most of the genome rearrangement events. Comparison of the gene content between haplotypes revealed that the core and pan-genomes of ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ consisted of 885 and 1327 orthologue groups, respectively. Orthologue groups putatively involved in host specificity associated with a certain haplotype were also identified. Twenty-seven orthologue groups were only present in haplotype C, while 11 orthologue groups shared by haplotypes A and B were absent from haplotype C. Based on the obtained genomic sequences, a finer genotyping system was designed and applied to the study of genetic variations of ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ in Finland. Two sub-clades of haplotype C were characterized through the MLST approach. One sub-clade was associated with T. anthrisci and its primary host, Anthriscus sylvestris, and the other sub-clade was associated with T. apicalis and carrot. A novel haplotype was identified in the psyllid T. urticae and the stinging nettle Urtica dioica in Finland, named haplotype U. This was the first study to identify the presence of ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ in the family Urticaceae. Phylogenetic analysis suggested that haplotype U was closely related to A and D and haplotype D was more closely related to A than to C. Dual RNA-Seq was applied to study the interaction between ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ haplotype C and carrot plants at 4, 5 and 9 weeks after inoculation. ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ infection significantly suppressed many genes involved in photosynthesis and chloroplast function, while genes related to defence response and phenolic compounds were up-regulated. A gene encoding the master regulator HY5 was constantly down-regulated in all the infected samples. Many genes involved in jasmonate biosynthesis were up-regulated in the infected samples, while genes related to the biosynthesis of other plant hormones showed complex differential expression at different time points. However, ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ infection seemed to have a sustained impact on the expression of the key regulators of plant hormone signalling. Key regulators such as JAZs in jasmonate signalling, CTR1 in ethylene signalling and PP2Cs in abscisic acid signalling were all significantly altered by the infection. The bacterial gene encoding salicylate hydroxylase showed stable expression in ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ at all the time points, which suggests that the bacteria were able to reduce the concentration of salicyclic acid in the host carrot plants. The proliferation of ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ was very active at the early time point, as indicated by the high expression levels of genes related to the basic bacterial cell cycle, including replication, transcription and translation. ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ appeared to have reduced mobility and increased adherence at the late time point examined, as the Flp pilus genes were expressed at high levels. A major change in the use of energy sources was identified between the early and late time points in ‘Ca. Liberibacter solanacearum’. A gene involved in the uptake of ATP was more actively expressed at the early time point, whereas genes related to the uptake and metabolism of C4-dicarboxylate were more actively expressed at the late time point, suggesting an adjustment in the acquisition and utilization of energy and carbon sources. This study provides novel information about the genome structure and genetic differences of ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ and its interactions with its host plant.‘Candidatus Liberibacter solanacearum’ on kasvien nilasolukossa elävä bakteeri, jonka tiedetään aiheuttavan monia taloudellisesti merkittäviä kasvitauteja. ‘Ca. Liberibacter solanacearum’-bakteerin useista eri haplotyypeistä A ja B liittyvät perunan zebra chip -tautiin, C porkkanan liberibakteeritautiin, ja D ja E porkkanan ja sellerin liberibakteeritautiin. Koska ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ on hyönteislevintäinen bakteeri, joka ei elä kasvin tai hyönteisen ulkopuolella, sen tutkimisessa ei voida hyödyntää tavanomaisia mikrobiologisia menetelmiä eikä molekyylibiologian tekniikoita. Tästä johtuen tietämys ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –bakteerin taudiaiheutusmekanismeista ja infektoituneiden kasvien oireiden fysiologiasta on yhä varsin rajoitettua. Tässä tutkimuksessa suunniteltiin ja toteutettiin sarja kokeita, joilla pyrittiin saamaan lisää tietoa näistä seikoista. Tutkimuksessa käytettiin tehokkaita sekvensointitekniikoita, genomi- ja transkriptomidatan yhdistävää lähestymistapaa ja bioinformatiikan menetelmiä data-analyysissä. Suomessa esiintyvän ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ -bakteerin haplotyypin C genomisekvenssi saatiin koottua metagenomisekvensointia käyttäen. Kaksi haplotyypin C genomin koostetta, FIN114 (1,24 Mbp) and FIN111 (1,20 Mbp), saatiin bakteeria kantavista porkkanakempeistä (Trioza apicalis). Haplotyyppien A, B and C genomien vertailu paljasti, että profaagit olivat osallisina useimmissa genomin uudelleenjärjestäytymisissä. Eri haplotyyppien sisältämien geenien vertailu paljasti, että ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –bakteerin ydingenomissa oli 885 ja kaikissa kolmessa genomissa yhteensä 1327 ortologista geeniä. Tietylle haplotyypille ominaisia ja tiettyyn isäntäspesifisyyteen mahdollisesti liittyviä geenejä tunnistettiin myös useita. Kaksikymmentä seitsemän geeniä löydettiin ainoastaan haplotyyppi C:stä, kun taas 11 sellaista geeniä, jotka löytyivät sekä haplotyypistä A että haplotyypistä B, puuttui haplotyypistä C. Eri haplotyyppien genomisekvenssien perusteella laadittiin uusi genotyypitysmenetelmä, jota käytettiin Suomessa esiintyvien ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –bakteerikantojen geneettisen variaation tutkimisessa. Genotyypitysmenetelmällä voitiin erottaa haplotyypistä C kaksi eri alatyyppiä, joista yksi liittyy koiranputkikemppiin (T. anthrisci) ja sen isäntäkasviin (Anthriscus sylvestris) ja toinen porkkanakemppiin (T. apicalis) ja porkkanaan. Nokkoskempistä (T. urticae) ja nokkosesta (Urtica dioica) löydettiin Suomessa kerätyistä näytteistä aivan uusi haplotyyppi, jolle annettiin nimeksi ”U”. Tämä oli ensimmäinen tutkimus, jossa ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –bakteeri löydettiin nokkoskasvien heimoon kuuluvasta kasvista. Fylogeneettisen analyysin perusteella haplotyyppi U on läheisintä sukua haplotyypeille A ja D, ja haplotyyppi D on lähempänä A:ta kuin C:tä. ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –bakteerin haplotyypin C vuorovaikutusta porkkanan kanssa tutkittiin sekvensoimalla sekä kasvin että bakteerin lähetti-RNA:t aikapisteissä 4, 5 ja 9 viikkoa tartutuksen jälkeen. ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ -infektio merkitsevästi alensi monien fotosynteesiin ja kloroplastin toimintaan liittyvien geenien ekspressiotasoa, kun taas puolustusvasteeseen ja fenoliyhdisteiden tuottoon liittyvien geenien ekspressiotaso nousi. Säätelytekijä HY5:tä koodaava geeni oli vaimennettu kaikissa infektoituneiden kasvien näytteissä. Monien jasmonaatin biosynteesiin liittyvien geenien ekspressiotaso oli korkeampi infektoituneissa kasveissa, kun taas muiden kasvihormonien biosynteesiin liittyvien geenien säätely oli erisuuntaista eri aikapisteissä ja siten vaikeammin tulkittavissa. ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –infektiolla näytti kuitenkin olevan pitkäkestoinen vaikutus kasvin hormoniviestinnän tärkeimpien säätelytekijöiden ekspressiotasoon. Näiden säätelytekijöiden, kuten jasmonaattiviestinnän JAZ-proteiinien, etyleeniviestinnän CTR1-proteiinin ja abskissihappoviestinnän PP2C-proteiinien, ekspressiotasot olivat kaikki merkitsevästi muuttuneet infektion vaikutuksesta. ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –bakteerin salisylaattihydroksylaasia koodaava geeni ilmentyi vakaalla tasolla kaikissa aikapisteissä. Tämä viittaa siihen, että bakteerilla olisi kyky alentaa salisyylihapon pitoisuutta isäntäkasvissaan porkkanassa. Infektion alkuvaiheen aikapisteessä ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ lisääntyi hyvin aktiivisesti, mikä näkyi bakteerin solusykliin ja erityisesti DNA:n replikaatioon, transkriptioon ja translaatioon liittyvien geenien korkeina ekspressiotasoina. Myöhäisvaiheen aikapisteessä ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –bakteerin Flp-pilusta koodaavien geenien ekspressiotaso oli korkea, mikä viittaa siihen, että bakteerin liikkuvuus oli vähentynyt ja kiinnittyminen yleisempää. Aikaisen ja myöhäisen aikapisteen välillä havaittiin muutos bakteerin tavassa käyttää nilanesteen energialähteitä. ATP:n sisäänottoon liittyvän geenin ekspressiotaso oli korkeampi aikaisessa aikapisteessä, kun taas C4-dikarboksylaattien sisäänottoon ja metaboliaan liittyvien geenien ekspressiotasot olivat korkeampia myöhäisessä aikapisteessä. Tämä viittaa siihen, että bakteeri säätelee eri energia- ja hiililähteiden sisäänottoa ja käyttöä. Tämä tutkimus antaa uutta tietoa ‘Ca. Liberibacter solanacearum’ –bakteerin genomin rakenteesta ja geneettisistä eroista sekä bakteerin vuorovaikutuksesta isäntäkasvin kanssa.
Subject: plant pathology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record