揭示植物寄生線蟲水平基因轉移的演化史
新研究揭示了植物寄生線蟲（PPN）的基因體特徵。由本院生物多樣性研究中心蔡怡陞研究員帶領的研究團隊分離且定序了六個葉芽線蟲屬（Aphelenchoides)的基因體，其中四個屬於特別危害性的A. besseyi葉芽線蟲複合種，加以組裝並分析後，發現目前植物寄生線蟲在其演化歷史中兩個分支點經歷了顯著的水平基因轉移（HGT）事件，從細菌、真菌和植物中獲取了基因物質，並發揮了寄生關鍵作用。這項研究加深了我們對植物寄生線蟲複雜基因起源的理解，最終可能有助於制定更有效的控制策略，降低其對農業的影響。論文已於近期發表於國際期刊《分子生態學資源》（Molecular Ecology Resources），並被選為五月當期封面。
本研究由本院前瞻計畫支持，國立中興大學及日本東京大學提供線蟲並協助闡釋。通訊作者為本院生物多樣性研究中心蔡怡陞研究員，第一作者賴政國博士就讀於本院與國立臺灣大學合辦之「基因體與系統生物學」學位學程，研究團隊成員包括協助基因體分析與實驗的李宜謙、柯惠棉助理教授、陸敏、劉育菁、Toyoshi Yoshiga教授、Taisei Kikuchi教授和陳珮臻教授。期刊封面照片為李宜謙設計提供。
葉芽線蟲複合種 (Aphelenchoides besseyi species complex) 為植物寄生線蟲，它們可以感染超過兩百多種植物，造成世界各地經濟作物大量的損失，特別是亞洲稻米作物區，感染的稻葉因其新葉尖端呈現黃白枯萎病徵，使這種疾病又被稱之為白尖病。該複合種因為形態特徵相似，在過去一直被當成同一物種，然而近幾年其他研究團隊形態學以及分子演化學的突破，發現原本通稱為葉芽線蟲的物種其實是個複合種，目前為止至少包含了三個物種，複合種間可以感染的植物宿主範圍有所不同，其中的一個物種—Ａ. oryzae是主要造成稻作大量農損的元兇，主要在感染的稻葉中發現，而另一個物種—Ａ. pseudobesseyi則能在許多感染的植物找到。
是什麼樣的變異使葉芽線蟲複合種間有如此差異？為了探討其演化模式，研究團隊與中興大學及日本東京大學合作，收集了許多台灣及日本來自不同植物分離而來的葉芽線蟲複合種，最後根據演化距離的考量，定序組裝出了四隻葉芽線蟲複合種及兩隻同屬線蟲的高質量基因體，來比較其基因體上的差異。研究團隊發現葉芽線蟲複合種的染色體數量僅為一般線蟲的一半，並找到多個染色體分裂及融合的證據，同時也發現其在演化過程中遺失了許多重複序列片段，造成此複合種的基因體比其他線蟲小。另外，分析發現葉芽線蟲複合種間的基因體大小也有差異，Ａ. oryzae比Ａ. pseudobesseyi大了將近3 Mb，後者少了許多重複序列片段，且這些片段於兩者染色體的分佈位置也有所不同，並且研究團隊發現它們在一些致病性相關基因的數量也有所差異。我們根據這些證據推測，葉芽線蟲複合種在種間分化後，為了要適應不同的生存環境及感染不同的宿主，使其漸漸地在基因體上累積了許多變異。
造成最多農損的植物寄生線蟲主要為兩個演化分支群—Tylenchida及Aphelenchoidea，這兩個分支群是由共同祖先分化而來，前者有許多物種已經有完整基因體，而後者至今僅有松柴線蟲有完整基因體，所以研究團隊定序的葉芽線蟲的基因體對於了解線蟲如何轉變為植物寄生線蟲相當重要，團隊透過分析27個線蟲所有基因與資料庫物種的相似程度，找到許多線蟲藉由水平轉移基因方式獲得的基因，而這些基因主要是於兩個演化分支群的共同祖先得到，再經由演化過程中複製或遺失，造成有些數量在不同線蟲間差異許多，而進一步地影響它們的生活型態及感染的宿主範圍。大多線蟲的水平轉移基因都是由細菌而來，然而我們也有找到一些基因可能是由植物而來，可能對於線蟲對抗植物的免疫系統有所幫助。
這項研究首次比較且區分葉芽線蟲複合種基因體上的差異，也初步指出植物寄生線蟲水平轉移基因的起源及推測這些基因對於線蟲造成的影響。研究團隊發表的高質量葉芽線蟲複合種基因體，對於未來疾病控制提供了重要的參考資料。研究論文已於今年1月刊登於Molecular Ecology Resources期刊。
論文全文〈The Aphelenchoides genomes reveal substantial horizontal gene transfers in the last common ancestor of free-living and major plant-parasitic nematodes〉
詳見：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1755-0998.13752
聯絡人：蔡怡陞，中央研究院生物多樣性研究中心研究員
(Tel) 02-2787-2230，ijtsai@gate.sinica.edu.tw
