Draft Genome Sequence and Population Structure of Xanthomonas oryzae pv. oryzae Causing Bacterial Blight Disease on Rice in Thailand

Authors

  • thitima chintaganon Center for Agricultural Biotechnology, Kasetsart University
  • Jutatape Watcharachaiyakup Center for Agricultural Biotechnology, Kasetsart University
  • Passorn Wonnapinij Department of Genetics, Faculty of Science
  • Pumipat Tongyoo Center for Agricultural Biotechnology, Kasetsart University
  • Sujin Patarapuwadol Department of Plant Pathology, Faculty of Agriculture at Kamphaeng Saen, Kasetsart University

DOI:

https://doi.org/10.14456/thaidoa-agres.2022.4

Keywords:

Bacterial leaf blight disease, Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Genome analysis

Abstract

Bacterial blight disease (BB) caused by Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) is one of the most serious diseases of rice production worldwide. The virulence of disease can cause severe yield losses as high as 50 percent. Xoo is genetically diverse and some strains can destroy more than 10 rice resistance genes. Xoo genome analysis can provide comparative information on genetic relationships and population structure. In this study, fifty strains of Xoo collected from 14 provinces in Thailand during 2008 to 2018 were subjected to whole-genome sequencing by using Illumina HiSeq platform. The obtained sequence  reads were assembled, mapped, and compared to the genomes of Xoo reference strains including KACC10331, ITCCBB0002, PXO99A and SK2-3 strains from Korea, India, Philippines and Thailand, respectively. The draft genomes of the 50 strains of Xoo in Thailand contained 4,219,315-4,366,829 basepairs which consisted of 3,787-3,945 coding regions of gene (CDS). We identified 30,140 single nucleotide polymorphisms (SNPs) and 3,156 insertion-deletion (indels). The analysis of Xoo population structure and genetic correlations using the 21,181 SNP positions based on principal component analysis and neighbor-joining clustering revealed that most of Thai Xoo populations were genetically distinct from reference strains. However, xa5-breaking strains from Sukhothai province and 12 strains from Chiang Rai were genetically related to the Indian strain (ITCCBB0002). Furthermore, the highly genetic diversity within the Thai Xoo population was found. Thai Xoo strains in this study were divided into 8 subgroups, in relation to the geography for 5 subgroups, and 39 percent of all Thai strains were in subgroup 1. Based on population genomics, we found that there was a general correspondence between the areas of Xoo isolated and genomic structure. This suggests that the geographical factors as affected by climate, soil types, may influence on the diversity of Xoo.

Downloads

Download data is not yet available.

References

จารุวี อันเซตา คนึงนิจ ศรีวิลัย ธีรยุทธ ตู้จินดา และ สุจินต์ ภัทรภูวดล. 2562. การกระจายตัวของ pathotype ของเชื้อ Xanthomonas oryzae pv. oryzae ที่พบระบาดในจังหวัดสุพรรณบุรี ปี พ.ศ. 2561. หน้า 132. ใน: การประชุมวิชาการอารักขาพืช ครั้งที่ 14. สมาคมอารักขาพืชไทย กรุงเทพฯ.

ปริศนา วงค์ล้อม. 2558. การประเมินโครงสร้างประชากรของเชื้อ Xanthomonas oryzae pv. oryzae สาเหตุโรคขอบใบแห้งของข้าว. วิทยานิพนธ์ ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. นครปฐม. 75 หน้า.

ปริศนา วงค์ล้อม จุฑาเทพ วัชระไชยคุปต์ สุจินต์ภัทร ภูวดล และ วิชัย โฆสิตรัตน. 2558. การประเมิน ความหลากหลายในการก่อโรคของสายพันธุ์เชื้อ Xanthomonas oryzae pv. oryzae ในประเทศไทย. ว.วิทย.กษ. 46: 165-175.

พยอม โคเบลลี่ และ ธีรดา หวังสมบูรณ์ดี. 2560. โรคขอบใบแห้งของข้าวในประเทศไทย: สถานการณ์การระบาดของโรคปัจจุบัน. Unisearch J. 4: 23-27.

ไพเราะ ขวัญงาม มัชฌิมา สังข์วรรณะ นุจรินทร์จังขันธ์ จุฑาเทพ วัชระไชยคุปต์ และสุจินต์ ภัทรภูวดล. 2562. การสำรวจโรคและการศึกษาการกระจายตัวของสายพันธุ์เชื้อ Xanthomonas oryzaepv. oryzae ในจังหวัดเชียงราย ในปี พ.ศ. 2559 ถึง พ.ศ. 2561. น.136. ใน: การประชุมวิชาการอารักขาพืช ครั้งที่ 14. สมาคมอารักขาพืชไทย, กรุงเทพฯ.

รินนภา สมสนุก. 2556. การประเมินความหลากหลายทางพันธุกรรมของ Xanthomonas oryzae pv. oryzae ในประเทศไทย. วิทยานิพนธ์ปริญญา วิทยาศาตรมหาบัณฑิต มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. นครปฐม. 89 หน้า.

แสงชัย ศรีประโคน. 2552. การจำแนกและจัดกลุ่มเชื้อแบคทีเรียสาเหตุโรคขอบใบแห้ง (Xanthomonas oryzae pv. oryzae) และการบ่งชี้ตำแหน่งยีนต้านทานในข้าวพื้นเมืองพันธุ์เชียงรุ้ง (Oryza sativaL.).วิทยานิพนธ์ปริญญาโท, มหาวิทยาลัย เกษตรศาสตร์. 127 หน้า.

Bolger, A.M., M. Lohse, and B. Usadel. 2014. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 30(15): 2114-2120.

Bradbury, P.J., Z. Zhang, D.E. Kroon,T.M. Casstevens, Y. Ramdoss and E.S. Buckler. 2007. TASSEL: software for association mapping of complex traits in diverse samples. Bioinformatics. 23(19): 2633-2635.

Bradnam, K.R., J.N. Fass, A. Alexandrov, P. Baranay, M. Bechner, I. Birol, S. Boisvert, J.A. Chapman, G. Chapuis, R. Chikhi and H. Chitsaz. 2013. Assemblathon 2: evaluating de novo methods of genome assembly in three vertebrate species. Gigascience. 2(1): 2047-2170.

Carpenter, S.C., P. Mishra, C. Ghoshal, P.K. Dash, L. Wang, S. Midha, G.S. Laha, J.S. Lore, W. Kositratana, N.K. Singh, K. Singh, P.B. Patil, R. Oliva, S. Patarapuwadol, A.J. Bogdanove and R. Rai. 2020. An xa5 resistance gene-breaking Indian strain of the rice bacterial blight pathogen Xanthomonas oryzaepv. oryzae is nearly identical to a Thai strain. Front. microbiol. 11: 1-8.

Chien, C.C., M.Y. Chou, C.Y. Chen and M.C. Shih. 2019. Analysis of genetic diversity of Xanthomonas oryzae pv. oryzae populations in Taiwan. Sci. Rep. 9(1): 1-15.

Criscuolo, N.G., and C. Angelini. 2020. StructuRly: A novel shiny app to produce comprehensive: detailed and interactive plots for population genetic analysis. PLoS One. 15(2): e0229330.

Danecek, P., A. Auton, G. Abecasis, C.A. Albers, E. Banks, M.A. DePristo, R.E. Handsaker, G. Lunter, G.T. Marth, S.T. Sherry, and G. McVean. 2011. The variant call format and VCFtools. Bioinformatics. 27(15): 2156-2158.

Eamchit, S. and T. W. Mew. 1982. Comparison of virulence of Xanthomonas campestris pv. oryzae in Thailand and the Philippines. Plant Dis. 66: 556-559.

Earl, D. A. 2012. STRUCTURE HARVESTER: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method. Conserv Genet Resour. 4: 359-361.

Huguet-Tapia, J.C., Z. Peng, B. Yang, Z. Yin, S. Liu and F.F. White. 2016.

Complete genome sequence of the African strain AXO1947 of Xanthomonas oryzae pv. oryzae. Genome Announc. 4(1): e01730-15.

Leach, J. E., H. Leung, R. J. Nelson and W. M. Twng-wah. 1995. Population biology of Xanthomonas oryzae pv. oryzae and approaches to its control. Curr. Opin. Biotechnol. 6: 298-304.

Lee, B.M., Y.J. Park, D.S. Park, H.W. Kang, J.G. Kim, E.S. Song, I.C. Park, U.H. Yoon, J.H. Hahn, B.S. Koo, and G.B. Lee. 2005. The genome sequence of Xanthomonas oryzae pathovar oryzae KACC10331, the bacterial blight pathogen of rice. Nucleic Acids Res. 33(2): 577-586.

Li, H., and R. Durbin. 2009. Fast and accurate short read alignment with Burrows– Wheeler transform. Bioinformatics. 25(14): 1754-1760.

McKenna, A., M . Hanna, E . Banks, A. Sivachenko, K. Cibulskis, A. Kernytsky, K.Garimella, D. Altshuler, S. Gabriel, M. Daly and M.A. DePristo. 2010. The Genome Analysis Toolkit: a Map Reduce framework for analyzing next-generation DNA sequencing data. Genome Res. 20(9): 1297- 1303.

Midha, S., K. Bansal, S. Kumar, A.M. Girija, D. Mishra, K. Brahma, G.S. Laha, R.M. Sundaram, R.V. Sonti, and P.B. Patil. 2017. Population genomic insights into variation and evolution of Xanthomonas oryzae pv. oryzae. Sci. Rep. 7(1): 1-13.

Mondal, K.K., G. Verma, A. Kulshreshtha, Y. Rajrana, C. Mani, M. Soni, K. Reddy, T. Ghoshal, A. Lakshmi and K. Ns. 2020. Complete genome sequence of Indian race 4 of Xanthomonas oryzae pv. oryzae, the causal agent of bacterial blight of rice. Mol. Plant Microbe Interact. 33(4): 573-575.

Ou, S.H. 1985. Rice Disease. 2nd (ed.) Common wealth Agricultural Bureaux, United Kingdom. 380 p

Pritchard, J.K., M. Stephens and P. Donnelly. 2000. Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics. 155: 945-959.

Quibod, I.L., A. Perez-Quintero, N.J. Booher, G.S. Dossa, G. Grande, B. Szurek, C.V. Cruz, A.J. Bogdanove and R. Oliva. 2016. Effector diversification contributes to Xanthomonas oryzae pv. oryzae phenotypic adaptation in a semi-isolated environment. Sci. Rep. 6(1): 1-11.

Salzberg, S.L., D.D. Sommer, M.C. Schatz, A.M. Phillippy, P.D. Rabinowicz, S. Tsuge, A. Furutani, H. Ochiai, A.L. Delcher, D. Kelley, R. Madupu, D. Puiu, D. Radune, M. Shumway, C. Trapnell,

G. Aparna, G. Jha, A. Pandey, P.B. Patil, H. Ishihara, D.F. Meyer, B. Szurek, V. Verdier, R. Koebnik, J.M. Dow, R.P. Ryan, H. Hirata, S. Tsuyumu, S.W. Lee, P.C. Ronald, R.V. Sonti, M.V. Sluys, J.E. Leach, F.F. White and A.J. Bogdanove. 2008. Genome sequence and rapid evolution of the rice pathogen Xanthomonas oryzae pv. oryzae PXO99A. BMC Genom. 9(204): 1-16.

Schmieder, R. and R. Edwards. 2011. Quality control and pre processing of metagenomic datasets. Bioinformatics. 27(6): 863-864.

Seemann, T. 2014. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics. 30(14): 2068-2069.

Triplett, L.R., J.P. Hamilton, C.R. Buell, N.A. Tisserat, V. Verdier, F. Zink and J.E. Leach. 2011. Genomic analysis of Xanthomonas oryzae isolates from rice grown in the United States reveals substantial divergence from known X. oryzae pathovars. Appl. Environ. Microbiol. 77(12): 3930-3937.

Vikal, Y. and D. Bhatia. 2017. Genetics and genomics of bacterial blight resistance in rice. Availableat:https://www.intechopen.com/ chapters/54259. Accessed:14February2021.

Wick, R.R., L.M. Judd, C.L. Gorrie and K.E. Holt. 2017. Unicycler: resolving bacterial genome assemblies from short and long sequencing reads. PLoS Comput. Biol.13(6):e1005595.

Wickham, H. 2011. Ggplot2. WIREs Comp Stat. 3(2): 180-185.

Zheng, J., Z. Song, D. Zheng, H. Hu, H. Liu, Y. Zhao, M. Sun, L. Ruan and F. Liu. 2020. Population genomics and pathotypic evaluation of the bacterial leaf blight pathogenof rice reveals rapid evolutionary dynamics of a plant pathogen. bioRxiv 704221

Published

2022-06-08

How to Cite

chintaganon ธ. ., Watcharachaiyakup จ. ., Wonnapinij ภ. ., Tongyoo ภ., & Patarapuwadol ส. (2022). Draft Genome Sequence and Population Structure of Xanthomonas oryzae pv. oryzae Causing Bacterial Blight Disease on Rice in Thailand. Thai Agricultural Research Journal, 40(1). https://doi.org/10.14456/thaidoa-agres.2022.4

Issue

Section

Technical or research paper