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沃爾巴克氏菌是細胞內細菌。本研究從500個宿主中篩選了30,000多個公開可用的shotgun DNA測序樣品。通過組裝超過1000個Wolbachia基因組。基於核心基因組和基因含量的系統發育為將來的研究提供了有力的參考,為模型生物中的新菌株提供了支持,並揭示了在遠距離相關宿主之間最近的水平轉移(HGT)。研究者發現在不同的超組和細胞質不相容性誘導菌株中基因功能獲得和喪失的各種實例。Wolbachia-宿主共系統發生表明,水平傳播在宿主種內水平上廣泛存在,並且不支持一般的Wolbachia-線粒體同步進化。
Figure 1 Wolbachia基因組的特徵。
研究者挖掘了31,825個公開可用的基因組測序樣本的70TB原始DNA測序數據,樣本來自線蟲,昆蟲,甲殼類等500多種推定的宿主物種,還包括各種非蛻膜動物。
研究者選擇高覆蓋Wolbachia的樣本,從1,793個陽性樣本中組裝了1,166個基因組。通過將所有MAG與近100,000個細菌參考基因組作圖,僅發現了一種汙染實例。使用PhyloPhlAn的最大似然方法,揭示了各種遺傳特徵(基因組長度,核苷酸組成)和生物學特徵的高度異質分布。在某些情況下,Wolbachia的系統發育結構可能與某些性狀有關,例如以GC含量低,基因組長度減少為特徵的超群C或以高豐度為特徵的D超群。
Figure 2 Wolbachia的全基因組系統發生。
功能性全基因組分析顯示,即使在超組內(特別是A),基因含量差異也很大。通過從14個具有多個組裝的不同宿主中選擇989個基因組,進行了更嚴格的宿主特異性功能富集分析。研究系統發育上的功能富集和耗竭,研究者發現某些功能已在不同的宿主特異性譜系中獨立丟失,例如UDP-N-乙醯基muramate-丙氨酸連接酶和3-磷酸甘油醯基轉移酶。相反,全息醯基載體蛋白合酶(EC 2.7.8.7)則是在超群A的祖傳世系中獲得的。總體而言,分析觀察到超群C,D和F的功能性獲取和耗竭比超群A的要多。由於C,D和F的實際系統發生分支長度(因此,假定突變率相似的突變數)與A和B相似,因此這似乎與C,D和F的突變率加快無關。這更可能反映出C,D和F中的大多數基因組屬於具有降解基因組的高度適應菌株。
Figure 3 Wolbachia泛基因組的功能分析。
共進化分析的一個有趣發現是,與宿主的線粒體DNA(mtDNA)相比,Wolbachia的進化速率具有驚人的異質性。雖然可以重現以前的發現,即沃爾巴克氏菌比黑腹果蠅中的線粒體發育慢大約一個數量級(大約10倍)。這些差異似乎與宿主生物學特徵(如世代時間和種群數量)相關:例如,果蠅的特徵是每年多代,有效種群數量大,而其他大多數物種的特徵是每年較少的世代和較小的種群數量。
Wolbachia進化的模式和速率可能與其mtDNA宿主的模式和速率非常不同。
本研究的最令人興奮的結果可能是與線粒體發生率相比,宿主之間的Wolbachia進化速率異質性:在某些宿主中,Wolbachia的進化速度比線粒體慢10倍,而在其他宿主中,Wolbachia的進化速度與線粒體相同或甚至更快。研究者假設這種大的速率變化背後的原因不是由於沃爾巴氏菌,而是由於某些宿主中的線粒體遺傳學所致:這是因為Wolbachia的進化速率與核相關,而與宿主的線粒體基因組無關。這對於比較研究具有重要意義:從模型生物如果蠅的線粒體率推斷出的突變率在校準其他宿主中的Wolbachia進化時應謹慎使用。
文獻來源:
Scholz, M.,Albanese, D., Tuohy, K. et al. Large scale genome reconstructions illuminateWolbachia evolution. Nat Commun 11, 5235 (2020)