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基因组多样性及生物防治机制研究揭示所有氏菌（A. vitis）在抑制葡萄 Crown gall 病方面具有多途径防控潜力，包括抗生素合成、营养竞争和群体感应干扰。
马克·奥武苏·阿杰伊（Mark Owusu Adjei）|卢江（Lu Jiang）|阿米娜·迪尔沙德（Ameena Dilshad）|本·范（Ben Fan）
中国南方可持续林业协同创新中心，南京林业大学林学院，南京，210037
摘要
Allorhizobium vitis（A. vitis），即葡萄根瘤病的致病菌，也包含一些具有良好生物控制能力的非致病性菌株。为了阐明这一潜力的基因组特征，我们对28株A. vitis菌株进行了全面的比较和泛基因组分析。 基因组大小在5.33到6.41 Mb之间，GC含量（57.5–57.6%）保持一致。泛基因组包含6386个克隆群，而核心基因组分析则包含3075个克隆群，这表明该菌株具有显著的基因组可塑性。系统基因组分析揭示了三个主要分支，其中SF93和ICMP10754菌株属于差异较大的谱系，ANI值低于93.1%的物种边界。生物合成基因簇分析发现了多种抗菌途径，包括聚酮类化合物、非核糖体肽和铁载体，这些特性表明该菌株具有抑制病原体生长和有效隔离铁的能力，从而可能限制其他植物病原体的营养获取。群体感应抑制乳酸酶的存在进一步表明其能够干扰病原体间的通讯并减弱其毒力。与运动能力、生物膜形成和植物相互作用相关的保守基因簇（fliC, ompA, rcsC）表明该菌株具有很强的根际定殖潜力，有助于根系附着、定殖效率以及宿主-微生物间的通讯。次级代谢产物分析显示，每种菌株都含有多个基因簇，主要为NI型铁载体和III型聚酮类合成酶（T3PKS），尤其是在CG967和ICMP10754菌株中。所有菌株均携带与外排相关的adeF基因，表明其对四环素和氟喹诺酮类药物具有内在抗性。这些结果展示了非致病性A. vitis的基因组多样性和生物控制潜力，对于可持续管理和控制葡萄根瘤病具有重要意义。
引言
葡萄根瘤病是木本和草本植物的主要病害，通常由土壤传播的细菌Agrobacterium tumefaciens（A. tumefaciens）引起。由于Allorhizobium vitis的致病性是由肿瘤诱导（Ti）质粒编码的毒力（vir）基因和T-DNA癌基因介导的，因此如果基因组中缺乏这些基因座，大多数菌株在当前分子标准下不太可能具有致瘤性或为非致病性（Diana等人，2011年；Sharma等人，2017年）。在葡萄（Vitis属）中，该病害主要由A. vitis引起，这种菌株专门适应在葡萄组织中定殖并长期存活。伤口处的肿瘤形成会降低葡萄藤的活力、产量和抗逆性（Qin等人，2025年）。尽管该病害具有重要的农业意义，但致病性和非致病性A. vitis菌株之间的基因组多样性和功能特征仍不完全清楚。阐明这些特征对于推进可持续的根瘤病管理策略至关重要（Abdelaziz等人，2023年）。
传统的根瘤病管理方法往往效果不佳，对环境不利，且长期可靠性有限。因此，人们越来越关注使用非致病性菌株的生物控制策略（Guo等人，2009年；Wong等人，2021年）。一些非致病性A. vitis菌株已被证明对致病性Agrobacterium具有强烈的拮抗作用，包括竞争性定殖感染部位、产生抗菌代谢产物以及调节植物免疫反应（Xu，2006年；Imhoff，2016年；Naithani等人，2023年；Yin等人，2025年）。尽管有这些有希望的发现，但非致病性A. vitis生物控制特性的遗传基础仍不清楚。了解其基因组多样性的广度尤为重要，因为A. vitis独特地适应了葡萄生态系统，并可能拥有增强根际竞争力的特定机制（Sharma等人，2017年）。全面的基因组比较有助于揭示之前被忽视的生物合成途径、生态策略和水平基因簇，从而塑造其生物控制能力（Sharma等人，2017年；Morohoshi等人，2024年）。
全基因组测序和泛基因组分析的最新进展为探索微生物多样性、功能基因库和生态适应性提供了强大的工具（Kumari等人，2023年）。比较基因组学有助于识别与生物控制活性、植物-微生物相互作用、环境胁迫耐受性和代谢多样性相关的核心和辅助基因簇（Fu等人，2021年）。虽然已在多个有益菌属（如Pseudomonas、Paenibacillus、Brevibacillus和Bacillus）中发现了特异性特征，但在A. vitis中的类似基因组规模分析仍然不足（Wang等人，2024a）。鉴于生物控制方法在根瘤病管理中的重要性日益增加，系统地描述A. vitis的多样性对于阐明拮抗机制和优化菌株选择至关重要（Zhou等人，2020年）。在这里，我们对28株A. vitis进行了全面的泛基因组、系统基因组和生物合成基因簇分析，以（i）量化基因组多样性，（ii）确定进化关系，（iii）识别与抗菌活性和植物相互作用相关的基因簇，（iv）描述可能支持生物控制潜力的菌株特异性基因组特征。
菌株选择
我们从NCBI数据库（
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/）中检索了28个来自葡萄根瘤、葡萄瘤及相关组织的
A. vitis基因组组装（表1）。使用搜索词“Allorhizobium vitis”从基因组数据库中检索基因组组装，并筛选出具有完整或高质量草图基因组、明确菌株标识和代表性状态的样本。基因组质量使用CheckM（Galaxy版本1.2.4+galaxy2）进行评估。
A. vitis菌株的基因组特征和质量多样性
我们获得了28株A. vitis的高质量基因组组装，覆盖深度在65到96倍之间。基因组大小介于5.33到6.41 Mb之间，GC含量高度保守（57.5–57.6%）。预测的编码序列（CDSs）数量从4882到5755不等（表1）。大多数菌株编码57个tRNA基因，而F2/5和CG2菌株分别编码56个和52个tRNA基因（补充文件1）。tRNA拷贝数的差异可能反映了菌株间的生长差异
讨论
这项比较基因组分析表明，Agrobacterium vitis表现出结构化的基因组多样性，这种多样性在进化上是有组织且在功能上具有意义的。这种基因组多样化并非随机变异，而是基于不同的生态策略和多机制的生物控制潜力。通过整合系统基因组结构、泛基因组架构和生物合成能力，我们的发现提供了一个统一的框架，将进化过程与这些特征联系起来
结论
本研究表明，A. vitis拥有一个保守而灵活的基因组结构，为其对抗葡萄根瘤病的生物控制潜力提供了基础。泛基因组分析显示，群体感应抑制乳酸酶、抗菌生物合成基因簇和铁载体系统的广泛分布表明，A. vitis的病原体抑制作用是通过多种互补机制实现的，包括毒力分布、营养竞争和抗菌作用
CRediT作者贡献声明
马克·奥武苏·阿杰伊（Mark Owusu Adjei）：撰写初稿、进行正式分析、数据管理。卢江（Lu Jiang）：撰写、审稿和编辑。阿米娜·迪尔沙德（Ameena Dilshad）：撰写、审稿和编辑。本·范（Ben Fan）：撰写、审稿和编辑、监督项目、资金获取、进行正式分析、数据管理、概念构思。
资助
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFD1401304）和国家自然科学基金（编号31970097）的支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。
致谢
作者感谢中国可持续林业协同创新中心提供的研究设施。
