[논문요약] 밀흰가루병균의 특이적인 진화

 

 

밀흰가루병균의 특이적인 진화

원제: The wheat powdery mildew genome shows the unique evolution of an obligate biotroph
저자: Wicker et al.
노트: 밀흰가루병균 4개 균주의 유전체를 분석하여 특이적인 진화를 밝혀냄

이 글은 2013년 Nature Genetics 45, 1092-1096에 실린 논문을 번역 및 요약한 것 입니다.

 

★ 연구 목적
밀흰가루병균 (Wheat Powdery Mildew; Blumeria graminis f.sp. tritici) 유전체가 절대 활물 기생균(obligate biotroph)의 특이적인 진화를 보여줍니다.

약 10,000년 전 농업이 시작된 이래, 유전적으로 일정한 농생태계는 병원균과 기주의 공진화를 초래했습니다.

새로운 병원균 종의 출현 기작은 host jump, host shift, hybridization이 있습니다.
    - Host jumping: 기생체가 기생하는 기주의 종을 완전히 바꾸는 것
    - Host shifting: 기생체가 원래 기생하는 기주뿐만 아니라 다른 기주에도 적응하는 것
    - Hybridization: 다른 종류의 생물이 결합하여 잡종이 생기는 과정

선행연구로 B. graminis는 적어도 8개의 f.sp.로 진화한 것으로 알려져 있습니다.

이런 병원균들은 effector protein을 무기로 기주를 감염하는데, 기주 식물이 effector를 인지하게 되면 비병원성 (avirulent) effector가 됩니다. 이러한 과정은 병원균이 effector의 변화 또는 손실을 선택하게 합니다. 왜냐하면 특정 effector의 구성이 각 병원균의 병원성 스펙트럼을 결정하는 것으로 추정되고 있기 때문입니다.

이 연구에서는 흰가루병균(B. graminis f.sp)들 내에서 유전적 다양성을 연구하고, 새로운 기주가 출현하였을 때 f.sp 중 하나인 밀흰가루병균(Blumeria graminis f.sp. tritici)의 진화에 미치는 영향을 밝혀내었습니다.

★ 유전체에 관한 내용 요약
- 유전체 시퀀싱에 사용된 균주: B. graminis f.sp. tritici isolate 96224 (reference genome)
- 콘티그 개수: 250 BAC contigs (Roche 454)
- 유전체 크기: 82Mb Assembled (from 180Mb) 나머지 repetitive sequence
- 유전자 개수: 6,540 genes
- 기타: 다른 활물 기생균에 비교하여 일-이차대사에 관여하는 gene family 숫자가 줄어듦
- 유전자 유사도:
        50% homologs, yeast
        72% homologs, Botrytis cinerea
        92% homologs, B. graminis f.sp. hordei
- 흰가루병균 특이적인 분비단백질: 437 candidate secreted effector proteins (CSEPs)

 

★ 흰가루병균의 진화에 관한 내용 요약
B. graminis f.sp. tritici 와 B. graminis f.sp. hordei의 분기점은 약 6.3만년 전, 반면 기주는 10-15만년 전 분리 되었습니다 (두 f.sp. homolog의 가장 가까운 유전자 5,258개의 synonymous site의 substitution 조사). 두 f.sp.의 유전자 부분은 잘 보존 되어있지만, intergenic 서열은 TE와 deletion의 영향을 받았습니다.

흰가루병균 특이적인 분비단백질(CSEPs)을 위의 유전자들(non-CSEPs)과 비교해 본 결과 dN/dS 비율이 더 높았습니다. CSEPs가 다변화하는 선택(선발)아래 있다는 것을 나타냅니다. 다른 말로 이런 유전자들은 선택압 (selection pressure) 아래 있어 빨리 변하고 있다는 것 입니다 (McDonald-Kreitman-like tests 사용).

CSEPs와 다르게 CEPs (Candidate effector proteins)는 다른 곰팡이와 homolog가 없고 signal peptide도 없는데 dN/dS가 0.5보다 높은 것들, 165개로 정의하였습니다.

★ 같은 종의 f.sp. 안에서의 유전체 비교 요약
사용된 균주: 96224 (reference, Switzerland), 94202 (Switzerland), JIW2 (England), 70 (Israel),
-> 유전자 풀에 대한 유전자 다양성을 구했습니다.

Reference와 비교 시 Mating type locus만 달랐습니다. 추가된 3균주에는 537 large deletion이 있었습니다. 이런 deletion은 16개 유전자의 polymorphism에 관여했습니다 (그 중 13개가 effector candidate).

그리고 지역과 유전자의 유무는 관계가 없었습니다.

서로 다른 점으로는 추가 3균주의 SNP가 reference랑 10만 단위로 달랐습니다. Small indel은 SNP보다 100배 적었습니다. 같은 f.sp. (f.sp. tritici 균주 4종) 안에서도 homolog 유전자에서 발현되는 단백질의 유사성 정도가 ~f.sp. tritici와 ~f.sp. hordei를 비교했을 때와 같은 결과를 보였습니다 (즉 서로의 유사성이 거의 같다).

하지만, 추가 균주들의 SNP frequency를 reference와 비교했을 때 지역적으로 차이가 난다고 관찰되었습니다. 이것은 연구된 균주들이 서로 다른 하플로그룹(Haplogroup: 같은 세대에 비해 조상에 더 가까운 염색체 조각)들의 모자이크라는 것을 알려주었습니다.

 

★ 하플로그룹으로 본 균주들의 진화적 역사
하플로그룹 조각들의 substitution 개수를 바탕으로 더 많이 분화된 늙은 하플로그룹과 좀 덜 분화 된 젊은 하플로그룹으로 나눌 수 있습니다. 그리고 하플로그룹 연구로 같은 f.sp 안의 균주들의 분화 시기를 밝혔습니다. 이런 하플로그룹 연구와, 농경역사 및 지리적 영향을 볼 때 유럽 균주들이 더 젊은 하플로그룹을 공유하는 것을 보여주었습니다.

큰 하플로그룹 조각은 균주들이 적은 수의 sexual recombination에 의해 기원했다고 알려줍니다. 원래 흰가루병균은 clonal reproduction을 주로 사용하는 것으로 연구 관찰되었고, 이것은 병원균이 성공적인 유전자 콤비네이션을 보존하는 것과 원하지 않는 avrirulence gene이 생기는 것을 막아주는 중요한 역할을 합니다.

결론: 균주들의 구별되는 하플로그룹 패턴은 clonal propagation 또는 inbreeding에 강한 선택(selection)을 반영한 것 입니다.

 

★ 기주가 균주에게 미친 영향
균주들의 하플로그룹은 6배체의 농업화된 밀이 생기기 10,000년 전 보다 더 앞서 발생했습니다.

그러므로 4배체에서 농업화한 6배체 밀이 흰가루병균 유전자의 다양성을 줄인 것처럼 보이지는 않습니다. 이것은 유전자 풀이 여러 범위의 밀 종에 적응할 수 있도록 유전자의 다양성을 제공한다는 것 입니다. 반면에 감자역병균과 Mycospherella 종은 기주의 변화에 새로운 종의 출현과 유전자 다양성의 손실을 동반합니다. 또한 도열병균 같은 경우 3개 정도의 유전자에 의해 기주특이성과 incompatibility가 결정된다고 합니다. 그러나 현재 흰가루병균은 6배체 밀을 주로 감염시키지만, 야생의 4배체 밀도 감염시킬 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 또한 몇 백만년전에 분기되어 나오 f.sp. 들도 mating이 가능하다고 합니다. 그러므로 새로운 기주에 대한 적응으로 인해 생기는 생식 장벽은 흰가루병의 생활스타일과 진화적인 성공에 치명적일 것이라는 결론 입니다.