Elementos integrativos e conjugativos em bactérias fitopatogênicas de impacto econômico e científico | Integrative and Conjugative Elements in Phytopathogenic Bacteria of Economic and Scientific Impact

Bactérias fitopatogênicas causam diversos danos às plantações no mundo todo, gerando grandes prejuízos econômicos. Muitas dessas bactérias possuem uma alta variabilidade genética, genes que codificam diferentes fatores de virulência e resistência à antimicrobianos, que dificultam seu controle. Esses genes podem se espalhar na população por meio da transferência horizontal de genes (THG). Dentre os mecanismos de THG, a conjugação mediada por elementos genéticos móveis auto-transmissíveis, como os elementos integrativos e conjugativos (da sigla em inglês, ICEs = Integrative and Conjugative Elements), tem se mostrado altamente eficiente para a transferência de genes entre as bactérias. Esses elementos permanecem integrados no cromossomo das células bacterianas e possuem estrutura modular, carregando genes responsáveis pela sua integração e excisão do genoma, sua conjugação para novas células, a regulação e genes acessórios capazes de conferir novos fenótipos ao hospedeiro. Neste trabalho, buscou-se conhecer a presença, distribuição e potencial impacto evolutivo desses elementos nas dez espécies de bactérias fitopatogênicas consideradas de maior impacto científico e econômico: Pseudomonas syringae, Ralstonia solanacearum, Agrobacterium tumefaciens, Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xanthomonas campestris, Xanthomonas axonopodis pv. manihotis, Erwinia amylovora, Xylella fastidiosa, Dickeya (dadantii e solani), Pectobacterium (carotovorum e atrosepticum). Dessa maneira, foi feita uma busca em 300 genomas completos dessas bactérias para a identificação e caracterização dos ICEs. Foram identificados e caracterizados os módulos de integração/excisão, conjugação e manutenção dos ICEs e os genes acessórios com função putativa em virulência, resistência ou adaptação das bactérias. No total foram encontrados 78 ICEs, sendo 45 elementos diferentes e, entre estes, 31 novos ICEs, identificados nos genomas de A. tumefaciens (4 ICEs), D. dadantii and solani (3), P. carotovorum and atrosepticum (6), P. syringae (20), R. solanacearum species complex (7), X. campestris (2), e X. fastidiosa (3), com tamanho variando entre 40 kb (ICEDd.2) a 161 kb (ICEPs.10). No entanto, dentre as bactérias investigadas não foram encontrados ICEs em genomas de X. oryzae, E. carotovora e X. campestris. Os métodos de análise empregados permitiram relatar pela primeira vez a coocorrência de quatro ICEs dentro de um cromossomo em genomas de P. syringae, além da identificação do elemento ICEDs.1 em todos os genomas de Dickeya solani analisados podendo indicar uma aquisição ancestral desse elemento por essa espécie. Obteve-se uma evidência de ICEs promovendo THG entre espécies diferentes a partir da identificação do ICEPc.2 em isolados de P. carotovorum e S. plymuthica. Análises comparativas demonstraram que os ICEs compartilham principalmente os módulos de integração e conjugação. Foram caracterizados 396 genes acessórios carregados pelos elementos, sendo que a maioria dos ICEs foram encontrados carregando genes acessórios que podem influenciar na virulência das bactérias hospedeiras, além de adaptação ou resistência a antibióticos e metais pesados. Os fatores de virulência mais encontrados foram genes relacionados ao sistema de secreção tipo III (T3SS). Por fim, análises de dados de RNAseq do isolado SCRI1043 de P. atrosepticum mostraram a expressão de genes acessórios relacionados a virulência durante o processo de infecção de plantas de tabaco, carregados pelos elementos ICEPa.1 e ICEPa.2. Esses resultados proporcionam uma visão inicial da interessante relação entre bactérias fitopatogênicas e ICEs, tendo em vista que esses elementos possuem potencial para influenciar na patogenicidade e adaptabilidade de fitobactérias ao seu hospedeiro. Além disso, nossos achados direcionam e abrem caminho para futuros estudos experimentais de ICEs em genomas de fitopatógenos, permitindo um aprofundamento do conhecimento sobre esses elementos intrigantes. Palavras-chave: Elementos genéticos móveis auto-transmissíveis. Transferência horizontal de genes. Fitopatógenos. Virulência. Adaptação

Phytopathogenic bacteria cause several damages to plantations worldwide, generating great economic losses. Many of these bacteria have high genetic variability, genes that encode different factors of virulence, and resistance to antimicrobials, which make them hard to control. Many of these genes can spread to the population through horizontal gene transfer (THG). Among the mechanisms of THG, the conjugation mediated by self-transmitting mobile genetic elements, such as integrative and conjugative elements (ICEs), has been configured highly efficient for a download of genes among bacteria. These elements are integrated into the chromosome of bacterial cells and have a modular structure, carrying genes responsible for their integration and excision of the genome, their conjugation to new host cells, regulation and accessory genes capable of conferring new phenotypes to the host. In this work, we sought to know the presence, distribution and potential evolutionary impact of these elements in the species of phytopathogenic bacteria considered to have the greatest scientific and economic impact: Pseudomonas syringae, Ralstonia solanacearum, Agrobacterium tumefaciens, Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xanthomonas campestris, Xanthomonas axonopodis pv. manihotis, Erwinia amylovora, Xylella fastidiosa, Dickeya (dadantii and solani), Pectobacterium (carotovorum and atrosepticum). In this way, a search was made in 300 complete genomes of these bacteria for the identification and characterization of the elements. ICEs integration / excision, conjugation and maintenance modules and accessory genes with putative function in virulence, resistance or adaptation of bacteria were identified and characterized. In total, 78 ICEs were found, of which 45 were distinct elements and, among these, 31 new ICEs, identified in the genomes of A. tumefaciens (4 ICEs), D. dadantii and solani (3), P. carotovorum and atrosepticum (6), P. syringae (20), R. solanacearum species complex (7), X. campestris (2), and X. fastidiosa (3), ranging in size from 40 kb (ICEDd.2) to 161 kb (ICEPs.10). However, among the investigated bacteria, ICEs were not found in the genomes of X. oryzae, E. carotovora and X. campestris. The analysis methods employed allowed the first reporting of the co-occurrence of four ICEs within a chromosome in P. syringae genomes, in addition to the identification of the ICEDs.1 element in all predicted D. solani genomes, which may indicate an ancestral acquisition of this element. by that species. Evidence of ICEs promoting THG among different species was obtained from the identification of ICEPc.2 in evidence of P. carotovorum and S. plymuthica. Comparative analyzes have shown that ICEs mainly share their integration and conjugation modules. 396 accessory genes carried by the elements were characterized, with the majority of ICEs found carrying genes that can lead to the virulence of host bacteria, in addition to adaptation or resistance to antibiotics and heavy metals. The most commonly found virulence factors were genes related to the type III secretion system (T3SS). Finally, analysis of RNAseq data from isolate SCRI1043 of P. atrosepticum illustrated the expression of accessory genes related to virulence during the process of infection of tobacco plants, carried by the elements ICEPa.1 and ICEPa.2. These results provide an initial view of the interesting relationship between phytopathogenic bacteria and ICEs, considering that these elements have the potential to influence the pathogenicity and adaptability of phytobacteria to their host. In addition, our findings direct and pave the way for future experimental studies of ICEs in phytopathogen genomes, allowing a deeper understanding of these intriguing elements. Keywords: Self-transmissible mobile elements. Horizontal gene transfer. Phytopathogens. Virulence. Adaptation

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