植物の分類

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10857 (2022) この記事を引用

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植物の根を取り囲む土壌領域である根圏には、植物成長促進根粒菌 (PGPR) の独特な集団が定着しています。 多くの重要な PGPR および植物病原体はシュードモナス属に属します。 しかし、有益な菌株と病原性の菌株の区別については不確実性があり、ゲノムの特徴がこれらの菌株を分離する能力が限られていることを意味すると以前考えられていた。 ここでは、ゲノム特性 (GP) 共通生物学的経路アノテーション システムと機械学習 (ML) を使用して、ゲノム全体の GP 構成と、両方の植物を代表する根圏と葉圏から分離された 91 種のシュードモナス株の植物関連ライフスタイルとの関係を確立しました。 -関連する表現型。 GP エンリッチメント分析、ランダム フォレスト モデル フィッティング、および特徴選択により、28 の識別特徴が明らかになりました。 75 の新しい株のテスト セットにより、選択された特徴が分類に重要であることが確認されました。 この結果は、GP アノテーションが植物に関連したライフスタイルをより適切に分類するための有望な計算ツールを提供することを示唆しています。

飢餓ゼロの目標を達成するために国連が定めた目標の中で、農業食料生産を倍増する必要性が明記されています1。 植物の性能と生産性を向上させるこれまでの試みは、植物の育種、化学的手段による害虫駆除、および有限な世界の埋蔵量を活用した合成肥料の導入に焦点を当てていました2,3。 これらの戦略は生産量の向上には成功しましたが、環境への悪影響が増大しているため、持続可能な代替策を見つけることが課題となっています4、5、6。

多くの研究により、協力的なマイクロバイオームが植物の成長、発育、適応度において重要で前向きな役割を果たす可能性があることが実証されています 2,3,7。 特定のホットスポットの 1 つは、植物成長促進根粒細菌 (PGPR) が定着する植物の根を取り囲む土壌領域である根圏です。 安定した PGPR 集団は、土壌からの栄養素の摂取を強化し、植物の植物ホルモンの状態と代謝を調節することにより、作物のストレス耐性、成長、収量を増加させることができます 7,9,10,11,12,13,14,15。 最も研究されているPGPRはシュードモナス種であり、着生植物として植物の表面に生息できるP. syringaeなどの有益な植物種と（日和見的）病原性種を代表する機能的に多様なグループです。 適切な条件下では、P. syringae が植物の内部組織に定着し、病気を引き起こす可能性もあります 16、17、18。

シュードモナス株の植物に関連したライフスタイルは、さまざまな植物と宿主の相互作用経路の結果です。 ゲノムベースの相関アプローチにより、表現型に寄与する多数のマーカー遺伝子が同定されています 19、20、21。 ただし、これらのマーカー遺伝子は両方のグループ間である程度共有されており 22、その結果、新しいゲノムが追加されるたびに分割の不確実性が増加します。 これまでのところ、シュードモナス株の植物関連ライフスタイルに寄与する生物学的機能および経路の存在および完全性に関する一般的な説明は不足しています。 このような知識は、植物の性能と回復力を強化する可能性についての基本的な洞察をもたらすでしょう。

遺伝子を生物学的状況に置くと、比較機能ゲノミクスが可能になります。 ゲノム プロパティ (GP) は、機能属性をゲノムに割り当てることができるドメインベースの機能アノテーション システムです23。 このリソースは、タンパク質ドメインの異なるセットによって証明される 1,286 の一般的な生物学的経路のコレクションを表します。 大規模な機能比較では、配列類似性に基づく手法と比較して、タンパク質ドメインの方がスケーラブルであり、配列変動に対する感度が低くなります 24,25。 今回我々は、合計 1,286 の特徴と機械学習技術を使用して GP ベースの機能ゲノミクスを適用し、完全に配列決定された 91 のシュードモナス株と文書化されたライフスタイル、つまり PGPR として分類された 58 の土壌生息シュードモナス株と、ほとんどが着生 P. である 33 の既知の植物病原体を比較しました。 syringae 株 (EPP)。 異なるライフスタイルを持つ株は単一の種に属することが多いため、相同組換えによって獲得または喪失されるゲノムアイランドが植物に関連するライフスタイルの重要な決定因子をコードしている可能性があることが示唆されました26。 これらの可変領域によってコードされるゲノム特性をシステム全体で分析することにより、シュードモナス株を正確に分類し、植物に関連するライフスタイルに寄与する可能性のある新たな識別機能的特徴を特定することができました。 考察セクションでは、これらの識別特徴が生物学的文脈に位置づけられます。