Классификация растения

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 10857 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1857 г.

2 цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Ризосфера, область почвы, окружающая корни растений, заселена уникальной популяцией ризобактерий, способствующих росту растений (PGPR). Многие важные PGPR, а также патогены растений принадлежат к роду Pseudomonas. Однако существует неопределенность в отношении разделения между полезными и патогенными штаммами, поскольку ранее считалось, что это означает, что геномные особенности имеют ограниченную возможность разделить эти штаммы. Здесь мы использовали систему аннотаций общих биологических путей свойств генома (GP) и машинное обучение (ML), чтобы установить связь между полногеномным составом GP и образом жизни, связанным с растениями, 91 штамма Pseudomonas, изолированного из ризосферы и филлосферы, представляющих как растения, так и растения. -ассоциированные фенотипы. Анализ обогащения GP, подбор модели случайного леса и выбор признаков выявили 28 отличительных признаков. Тестовый набор из 75 новых штаммов подтвердил важность выбранных признаков для классификации. Результаты показывают, что аннотации GP представляют собой многообещающий вычислительный инструмент для лучшей классификации образа жизни, связанного с растениями.

Среди задач, поставленных ООН для достижения цели «нулевого голода», указывается необходимость удвоения производства сельскохозяйственной продукции1. Ранее попытки улучшить производительность и производительность предприятий были сосредоточены на селекции растений, борьбе с вредителями химическими средствами и внедрении синтетических удобрений, использующих ограниченные мировые запасы2,3. Хотя эти стратегии оказались успешными в увеличении производства, растущее неблагоприятное воздействие на окружающую среду заставляет нас искать устойчивые альтернативы4,5,6.

Множество исследований продемонстрировали, что совместные микробиомы могут играть важную положительную роль в росте, развитии и приспособленности растений2,3,7. Одной из особых точек является ризосфера, область почвы, окружающая корни растений, колонизированная ризобактериями, способствующими росту растений (PGPR)8. Стабильная популяция PGPR может повысить стрессоустойчивость, рост и урожайность сельскохозяйственных растений за счет увеличения поглощения питательных веществ из почвы и за счет модуляции фитогормонального статуса и метаболизма растений7,9,10,11,12,13,14,15. Наиболее изученными PGPR являются Pseudomonas spp., функционально разнообразная группа, представляющая как полезные для растений, так и (условно-патогенные) виды, такие как P. syringae, которые могут жить на поверхности растений в качестве эпифитов. При правильных условиях P. syringae также может колонизировать внутренние ткани растения и вызывать заболевание16,17,18.

Образ жизни штамма Pseudomonas, связанный с растениями, является результатом разнообразного спектра путей взаимодействия растение-хозяин. Корреляционные подходы, основанные на геноме, выявили ряд маркерных генов, вносящих вклад в фенотип19,20,21. Однако эти маркерные гены в определенной степени являются общими для обеих групп22, и, следовательно, неопределенность в отношении разделения увеличивается с каждым новым добавленным геномом. До сих пор отсутствует общее описание наличия и полноты биологических функций и путей, способствующих растению-ассоциированному образу жизни штамма Pseudomonas. Такие знания позволят получить фундаментальное представление об их потенциале повышения производительности и устойчивости электростанций.

Сравнительная функциональная геномика возможна, когда гены помещаются в биологический контекст. Свойства генома (GP) — это система функциональных аннотаций на основе доменов, с помощью которой геному23 можно назначать функциональные атрибуты. Ресурс представляет собой коллекцию из 1286 общих биологических путей, о которых свидетельствуют различные наборы белковых доменов. Для функционального сравнения в более крупном масштабе белковые домены лучше масштабируются и менее чувствительны к вариациям последовательностей по сравнению с методами, основанными на сходстве последовательностей 24,25. Здесь мы применили функциональную геномику на основе GP, используя в общей сложности 1286 признаков и методы машинного обучения, для сравнения 91 полностью секвенированного штамма Pseudomonas с документально подтвержденным образом жизни: 58 ​​почвенных штаммов Pseudomonas, классифицированных как PGPR, и 33 известных фитопатогенов, в основном эпифитных Pseudomonas. syringae (EPP). Поскольку штаммы с разным образом жизни часто принадлежат одному виду, было высказано предположение, что геномные острова, полученные и утраченные в результате гомологичной рекомбинации, могут кодировать важные детерминанты образа жизни, связанного с растениями26. Общесистемный анализ свойств генома, кодируемых этими вариабельными областями, позволил нам точно классифицировать штаммы Pseudomonas и выявить новые отличительные функциональные особенности, которые могут способствовать образу жизни, связанному с растениями. В разделе обсуждения эти отличительные особенности помещаются в биологический контекст.