Development of SNP Molecular Markers for Detection of Xanthomonas oryzae pv. oryzae Population Causing Bacterial Blight Disease of Rice in Thailand Using MassARRAY Technique
Keywords:
bacterial blight disease, housekeeping gene, MassARRAY, SNP marker, Xanthomonas oryzae pv. oryzaeAbstract
Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo), the causal organism of bacterial blight, exhibits genetic diversity and adapts continuously to overcome rice varieties with inherent resistance to this disease. To effectively manage bacterial blight, rapid and high-throughput diagnostic tools are essential for monitoring changes in Xoo populations across different regions. In this study, we aimed to develop molecular SNP markers using data from housekeeping gene clusters in Xoo. We analyzed 50 Xoo strains collected during 2008 - 2018 from rice cultivation areas in 14 provinces of Thailand. We designed Xoo-SNPs (single nucleotide polymorphisms) to enable high-throughput multiplex detection based on MassARRAY technology. Our research successfully developed 9 SNP positions derived from eight housekeeping genes (DnaK, gluS, leuA, pyk, pyrH, RecA, rpoB, and tpiA). These markers effectively tracked Xoo populations, representing 33 races prevalent in Thailand, within a remarkable turnaround time of 2 days, excluding the sample preparation step. Furthermore, our approach allowed the simultaneous examination of up to 45 samples per day. Notably, the developed Xoo-SNPs MassARRAY-based markers not only differentiated Xoo strains based on their pathogenicity toward rice varieties carrying the xa5 resistance gene but also identified markers specific to the geographical origin of the strains in provinces such as Nakhon Si Thammarat, Buriram, Roi Et, Sukhothai, and Chiang Rai. However, no significant correlation was observed between the SNP markers designed from housekeeping genes and the race-specific or disease severity characteristics.
References
จารุวี อันเซตา ธีรยุทธ ตู้จินดา คนึงนิตย์ เหรียญวรากร และสุจินต์ ภัทรภูวดล. 2564. การกระจายตัวของสายพันธุ์เชื้อแบคทีเรียXanthomonas oryzae pv. oryzae ในภาคกลางของประเทศไทย. วารสารแก่นเกษตร. 50(1): 204-215.
ธิติมา จินตกานนท์ จุฑาเทพ วัชระไชยคุปต์ ภัสสร วรรณพินิจ ภูมิพัฒน์ ทองอยู่ และสุจินต์ ภัทรภูวดล. 2565. ลำดับนิวคลิโอไทด์ทั้งจีโนมและโครงสร้างประชากรของเชื้อ Xanthomonas oryzae pv. oryzae สาเหตุโรคขอบใบแห้งของข้าวในประเทศไทย. วารสารวิชาการเกษตร. 40(1): 45-58.
ปริศนา วงค์ล้อม จุฑาเทพ วัชระไชยคุปต์ สุจินต์ ภัทรภูวดล และวิชัย โฆสิตรัตน. 2558ก. การประเมินความหลากหลายในการก่อโรคของสายพันธุ์เชื้อ Xanthomonas oryzae pv. oryzae ในประเทศไทย. วารสารวิทยาศาสตร์เกษตร. 46(2): 165-175.
ปริศนา วงค์ล้อม จุฑาเทพ วัชระไชยคุปต์ สุจินต์ ภัทรภูวดล และวิชัย โฆสิตรัตน. 2558ข. การศึกษาเปรียบเทียบความหลากหลายทางพันธุกรรมของ Xanthomonas oryzae pv. oryzae ในประเทศไทยด้วยเทคนิค AFLP, rep-PCR และ RFLP-Tal. วารสารวิทยาศาสตร์เกษตร. 46(3): 273-286.
ไพเราะ ขวัญงาม มัชฌิมา สังข์วรรณะ นุจรินทร์ จังขันธ์ จุฑาเทพ วัชระไชยคุปต์ และสุจินต์ ภัทรภูวดล. 2562. การสำรวจโรคและการศึกษาการกระจายตัวของสายพันธุ์เชื้อ Xanthomonas oryzae pv. oryzae ในจังหวัดเชียงรายในปี พ.ศ. 2559 ถึง พ.ศ. 2561. น.136. ใน: การประชุมวิชาการอารักขาพืช ครั้งที่ 14. 12-14 พฤศจิกายน 2562. โรงแรมดุสิตธานี หัวหิน อำเภอชะอำ จังหวัดเพชรบุรี.
สุธิดา เรืองบุญ พยอม โคเบลลี่ และธีรดา หวังสมบรูณ์ดี. 2553. การใช้ยีน avr เพื่อจัดกลุ่ม Xanthomonas oryzae pv. oryzae แบคทีเรียก่อโรคขอบใบแห้งในข้าว. วารสารพฤกษศาสตร์ไทย. 2(พิเศษ): 221-232.
แสงชัย ศรีประโคน. 2552. การจำแนกและจัดกลุ่มเชื้อแบคทีเรียสาเหตุโรคขอบใบแห้ง (Xanthomonas oryzae pv. oryzae) และการบ่งชี้ตำแหน่งยีนต้านทานในข้าวพื้นเมืองพันธุ์เชียงรุ้ง (Oryza sativa L.). วิทยานิพนธ์ปริญญาโท มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. 127 หน้า.
Aung, E.E. 2017. Development of SNP Markers and Genome-Wide Association Mapping of Virulence Factors of Xanthomonas oryzae pv. oryzae. Ph.D. Thesis, University of the Philippines Los Baños.
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 oryzae pv. oryzae is nearly identical to a Thai strain. Frontiers in Microbiology. 11: 1-8.
Gabriel, S., L. Ziaugra and D. Tabbaa. 2009. SNP genotyping using the Sequenom MassARRAY iPLEX Platform. Current Protocols in Human Genetics. 60(1): 2.12.1 - 2.12.18.
Hajri, A., C. Brin, S. Zhao, P. David, J.X. Feng, R. Koebnik, B. Szurek, V. Verdier, T. Boureau and S. Poussier. 2012. Multilocus sequence analysis and type III effector repertoire mining provide new insights into the evolutionary history and virulence of Xanthomonas oryzae. Molecular Plant Pathology. 13(3): 288-302.
Jung, H.Y., K.J. Lee, K.H. Kim, J.H. Hyoung, M.R. Han, H.K. Kim, L.W. Kang, Y.J. Ahn and Y.S. Heo. 2010. Crystallization and preliminary X-ray crystallographic analysis of DNA gyrase GyrB subunit from Xanthomonas oryzae pv. oryzae. Acta Crystallographica Section F: Structural Biology and Crystallization Communications. 66(1): 48-50.
Kumar, S., G. Stecher, M. Li, C. Knyaz and K. Tamura. 2018. MEGA X: Molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms. Molecular Biology and Evolution. 35(6): 1547-1549.
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, G.B. Lee, H. Kim, H.S. Park, K.O. Yoon, J.H. Kim, C.H. Jung, N.H. Koh, J.S. Seo and S.J. Go. 2005. The genome sequence of Xanthomonas oryzae pathovar oryzae KACC10331, the bacterial blight pathogen of rice. Nucleic Acids Research. 33(2): 577-586.
Maiden, M.C., J.A. Bygraves, E. Feil, G. Morelli, J.E. Russell, R. Urwin, Q. Zhang, J. Zhou, K. Zurth, D.A. Caugant, I.M. Feavers, M. Achtman and B.G. Spratt. 1998. Multilocus sequence typing: A portable approach to the identification of clones within populations of pathogenic microorganisms. Proceedings of the National Academy of Sciences. 95(6): 3140-3145.
Marcelletti, S., P. Ferrante and M. Scortchini. 2010. Multilocus sequence typing reveals relevant genetic variation and different evolutionary dynamics among strains of Xanthomonas arboricola pv. juglandis. Diversity. 2(11): 1205-1222.
Nyasinga, J., C. Kyany'a, R. Okoth, V. Oundo, D. Matano, S. Wacira, W. Sang, S. Musembi and L. Musila. 2019. A Six-member SNP assay on the iPlex MassARRAY platform provides a rapid and affordable alternative for typing major African Staphylococcus aureus types. Access Microbiology. 1(3): e000018.
Patiya, P. 2020. MassARRAY Technology. Available at: https://www.scispec.co.th/learning/index.php/blog/genomics/patiya. Accessed: November 22, 2023.
Rabibhadana, S., S. Chamnongpol, J.E. Trempy, N.P. Ambulos Jr. and S. Mongkolsuk. 1993. Isolation and expression in Escherichia coli of a Xanthomonas oryzae RecA-like Gene. Gene. 132(1): 113-118.
Sakthivel, K., A. Kumar, R.K. Gautam, K. Manigundan, G.S. Laha, R. Velazhahan, R. Singh and I.S. Yadav. 2021. Intra-regional diversity of rice bacterial blight pathogen, Xanthomonas oryzae pv. oryzae, in the Andaman Islands, India: Revelation by pathotyping and multilocus sequence typing. Journal of Applied Microbiology. 130(4): 1259-1272.
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. Maxwell, R.P. Ryan, H. Hirata, S. Tsuyumu, S. Won Lee, P.C. Ronald, R.V. Sonti, M.A. Van 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 PXO99 A. BMC Genomics. 9(1): 1-16.
Schneider, S., D. Roessli and L. Excoffier. 2000. Arlequin: A software for population genetics data analysis, version 2.000. Genetics and biometry laboratory, department of anthropology, University of Geneva, Switzerland. 1: 1-111.
Sukchawalit, R. and S. Mongkolsuk. 2001. Xanthomonas oryzae pv. oryzae recA is transcribed and regulated. from multiple promoters. FEMS Microbiology Letters. 197(1): 35-40.
Tamura, K., D. Peterson, N. Peterson, G. Stecher, M. Nei and S. Kumar. 2011. MEGA5: Molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Molecular Biology and Evolution. 28(10): 2731-2739.
Xu, Z.Z., G.C. Wu, B. Wang, B.D. Guo, C. Sheng, Y.Y. Zhao, B. Tang, Y.C. Zhao and F.Q. Liu. 2023. Sigma factor 70 RpoD contributes to virulence by regulating cell motility, oxidative stress tolerance, and manipulating the expression of hrpG and hrpX in Xanthomonas oryzae pv. oryzae. Journal of Integrative Agriculture. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.jia.2023.10.017.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2024 Thai Agricultural Research Journal
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Thai Agricultural Research Journal
