Influence of genomic structure and nutrient stress on the occurrence of quorum sensing-dependent gene-regulating mutations in Burkholderia glumae

Abstract

Bacteria often alter their genetic and physiological traits to adapt in barren environments. Burkholderia glumae is a plant pathogen that has a wide range of hosts, including rice and Solanaceous crops, causing bacteria wilt and rice panicle blight. This bacterium is characterized by high versatility and adaptability to various ecological niches. In order to confirm whether the genomic diversity in B. glumae is related to the ability to adapt to ever-changing environment, we performed whole genome analysis on 44 isolates from various regions and sources. All isolates classified into six clusters and two divisions via whole-genome phylogenetic analysis. All isolates except for BGR80S and BGR81S, which had two chromosomes combined into one, possessed two chromosomes. By comparing genomic structures of B. glumae isolates to the prototype BGR1, there were inversions, deletions, and rearrangements within or between chromosomes 1 and/or 2. When BGR80S, BGR15S, and BGR21S, corresponding to clusters III, IV, and VI, were grown in Luria-Bertani medium, spontaneous null mutations occurred in qsmR encoding a quorum-sensing master regulator. qsmR mutants were observed at detectable frequencies in BGR15S and BGR21S from the 6th day of subculture, and reached approximately 40% at 8 days after subculture. However, qsmR mutants were first observed 2 days after subculture in BGR80S and reached almost 80%. No qsmR mutant was detected at detectable frequency in BGR1 or BGR13S. When the spontaneous qsmR mutants were co-cultured with their parental strains, mutants were outcompeted in their growth. As glucose or casamino acids were added daily to the batch cultures of BGR80S, the emergence of qsmR mutants was delayed and their incidence was significantly reduced. These results demonstrate that the occurrence of spontaneous qsmR mutations is associated with genomic structure and nutrient stress.

세균은 척박한 환경에 적응하기 위하여 그들의 유전적, 생리적 특성들을 바꾼다. 세균벼알마름병원균 (Burkholderia glumae)은 넓은 기주 범위를 가지는 식물병원균으로 세균성 시들음병이나 세균벼알마름병을 일으킨다. 세균벼알마름병원균은 생태학적 환경에 대한 높은 다양성과 적응성을 보인다. 이번 연구에서는 세균벼알마름병균에서 유전적 다양성과 변화하는 환경에 적응하는 능력이 연관이 있는지를 알아보기 위하여 서로 다른 숙주와 지역에서 분리한 44개 분리균들의 전체 유전체를 분석하였다. 전체 유전체의 계통학적 분석을 바탕으로 전체 분리균은 2개의 분할과 6개의 군집으로 나누어 졌다. 두 개의 염색체가 하나로 합쳐진 형태를 가진 BGR80S와 BGR81S를 제외한 모든 분리균들은 2개의 염색체를 소유한 것으로 나타났다. 각각의 유전체 구조를 비교 기준이 되는 균주인 BGR1과 비교하였을 때, 염색체 1번 또는 2번에서 역위, 결실 및 재배열 등이 관찰되었다. 또한 BGR1과 비교하였을 때 유전체 구조에 차이를 보였던 BGR80S, BGR15S, BGR21S 균주를 Luria-Bertani (LB) 배지에서 키웠을 때, qsmR 유전자 (quorum-sensing master regulator를 암호화하는 유전자)가 제 기능을 하지 못하는 자연 돌연변이가 발생하였다. BGR15S와 BGR21S에서는 계대배양 6일째부터 돌연변이가 관찰되기 시작하여 8일째 돌연변이의 비율이 약 40%에 달하였다. BGR80S에서는 계대배양 2일째부터 돌연변이가 관찰되기 시작하며 8일째 돌연변이의 비율이 약 80%에 달하였다. BGR1과 BGR13S에서는 관측한 기간 동안 측정 가능한 빈도로 돌연변이가 검출되지 않았다. 이러한 qsmR 돌연변이는 정상 균주와 함께 배양하였을 때 정상 균주에 비하여 우세하게 자랐다. 또한 BGR80S의 회분배양에서 포도당이나 카사미노산을 매일 추가하면 돌연변이의 출현이 지연되고 그 빈도가 감소하였다. 이러한 결과는 qsmR 자연 돌연변이가 유전체 구조 및 양분 스트레스와 연관성을 가진다는 것을 보여준다.