質(zhì)粒是可自主復(fù)制的非必需DNA分子，可加速許多重要的細(xì)菌的進化。例如，質(zhì)粒傳播抗生素抗性基因，這是人類和動物健康的緊迫問題。農(nóng)桿菌獲得致瘤的Ti質(zhì)粒或根誘導(dǎo)（Ri）質(zhì)粒后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜻z傳轉(zhuǎn)化并引起多種植物疾病的病原體。因此，對質(zhì)粒進行進化關(guān)系分類，準(zhǔn)確評估質(zhì)粒對疾病暴發(fā)的影響，制定緩解疾病的策略以及加快利用質(zhì)粒多樣性進行生物技術(shù)研究的基礎(chǔ)。但是，之前認(rèn)為質(zhì)粒過于多樣化且能平行轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致無法分類。

2020年6月6日，Science雜志在線發(fā)表了美國俄勒岡州立大學(xué)Jeff H.Chang課題組題為“Unexpected conservation and global transmission of agrobacterial virulence plasmids”的研究論文。

該研究通過系統(tǒng)發(fā)育，基因組學(xué)和時間樹分析成千上萬的農(nóng)桿菌菌株后產(chǎn)生了強大的農(nóng)桿菌系統(tǒng)發(fā)育史，并準(zhǔn)確地模擬疾病的全球傳播。同時開發(fā)了一種使用系統(tǒng)發(fā)育和網(wǎng)絡(luò)方法以及不同規(guī)模的遺傳信息來推斷各種Ti質(zhì)粒進化的策略。

農(nóng)桿菌是一種重要的植物病原菌，通過侵染植物傷口后注射致癌的Ti和Ri質(zhì)粒到植物細(xì)胞中，從而誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生冠癭瘤或發(fā)狀根，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。這些質(zhì)粒還具有允許農(nóng)桿菌將整個質(zhì)粒從一種細(xì)菌水平轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)菌的基因，而不是通過垂直遺傳或從父母到子代的遺傳。在獲得有害質(zhì)粒后，以前良性的農(nóng)桿菌菌株可以成為新的病原體譜系。這種能力使病原體的控制和疾病爆發(fā)的追蹤變得困難。因此，為了開發(fā)其追蹤系統(tǒng)，必須首先必須了解質(zhì)粒的進化和分類。

之前一直認(rèn)為，質(zhì)粒之間遺傳信息的頻繁轉(zhuǎn)移以及農(nóng)桿菌屬物種之間大量的遺傳變異，使得繪制農(nóng)桿菌基因組及質(zhì)粒之間的進化關(guān)系實際上是不可能的。因此，沒有此類信息，就無法準(zhǔn)確追蹤疾病爆發(fā)。

該研究克服了上述挑戰(zhàn)，分析了數(shù)百種菌株的基因組數(shù)據(jù)，并將結(jié)果應(yīng)用于推斷進化史和致癌質(zhì)粒的傳播。該研究首先生成時間校準(zhǔn)后的農(nóng)桿菌-根瘤菌系統(tǒng)發(fā)育樹，并從中總共鑒定了143個致癌質(zhì)粒序列，令人驚訝的是，這些致癌質(zhì)粒都僅可分為九個不同的譜系，分別是六個Ti（I–VI型）和三個Ri（I–III型）致癌質(zhì)粒。

之后，該研究通過分類質(zhì)粒和農(nóng)桿菌的廣泛的基因測序信息，可以推斷出細(xì)菌如何在苗圃之間移動以及質(zhì)粒如何在細(xì)菌之間移動。該研究能夠追蹤至少七個案例，植物的全球分布有助于單個農(nóng)桿菌菌株-質(zhì)粒組合的廣泛傳播。其中一個案例，一個苗圃為批發(fā)商生產(chǎn)植物，并且可能已成為許多植物疾病的零號病原。后來在世界另一地方的兩個苗圃中發(fā)現(xiàn)了具有相同基因型-質(zhì)粒組合的菌株。

綜上所述，該研究表明，曾經(jīng)被視為過于多樣化而無法分類的質(zhì)粒具有獨特的譜系，并且可以通過定義其進化關(guān)系來實現(xiàn)疾病傳播的準(zhǔn)確建模。同時該方法在植物和人類或動物健康以及食品安全中也可以推論毒力質(zhì)粒進化和傳播的策略中具有潛在的應(yīng)用前景。