Linking Total Cell Protein Profiles Revealed by SDS-PAGE in Erwinia amylovora Strains from Pear Orchards in Türkiye to Virulence Level Variation

Abstract

Erwinia amylovora, the causal agent of fire blight, is a globally significant and highly destructive pathogen of pome fruit species, imposing severe economic constraints on sustainable agricultural systems. In this study, the total cellular protein profiles of 78 E. amylovora strains collected from pear orchards across seven distinct regions of Türkiye were analyzed to elucidate phenotypic relationships and assess intra-population diversity. Protein extraction was conducted following standardized protocols, and high-resolution SDS-PAGE was employed to generate reproducible electrophoretic fingerprints. The resulting banding patterns were quantitatively analyzed using GelJ v2 software, and phylogenetic relationships were inferred through cluster analysis. The SDS-PAGE-derived profiles revealed a predominantly conserved proteomic architecture, with overall similarity values ranging from 70% to 100%. Cluster analysis resolved the strains into five principal groups; however, a single dominant cluster encompassed the majority of isolates, indicating a largely homogeneous population structure. Despite this high degree of similarity, subtle yet consistent variations in band intensity and electrophoretic mobility were observed among selected strains, reflecting limited but biologically meaningful phenotypic heterogeneity. Notably, strain-specific deviations in the 35–55 kDa protein region and variations in band intensity, particularly among low-virulence isolates, suggest differential protein expression or possible post-translational modifications rather than large-scale structural proteomic divergence. Importantly, virulence levels exhibited a broad range (0–100%) but did not show a consistent correlation with overall protein profile similarity, indicating that pathogenic variability is likely governed by fine-scale regulatory mechanisms rather than gross proteomic differences. Geographical origin had no discernible impact on clustering patterns, as strains from diverse regions, were interspersed across the dendrogram. This finding suggests extensive epidemiological connectivity and a stable, widely distributed population structure across Türkiye.

Keywords

• fire blight
• Pyrus communis
• phenotypic diversity
• protein profiles
• virulence

Project Number

Coordination of Selcuk University (Project no. 21111006).

Türkiye’deki armut bahçelerinden elde edilen Erwinia amylovora strainlerinin SDS-PAGE ile ortaya konulan toplam hücre protein profillerinin virülenslik düzey değişimleriyle ilişkilendirilmesi

Abstract

Ateş yanıklığı etmeni olan Erwinia amylovora, yumuşak çekirdekli meyve türlerinde küresel ölçekte önemli ve son derece yıkıcı bir patojen olup, sürdürülebilir tarımsal sistemler üzerinde ciddi ekonomik kısıtlamalar oluşturmaktadır. Bu çalışmada, Türkiye’nin yedi farklı bölgesindeki armut bahçelerinden elde edilen 78 E. amylovora strainin toplam hücresel protein profilleri analiz edilerek fenotipik ilişkilerin ortaya konulması ve popülasyon içi çeşitliliğin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Protein ekstraksiyonu standart protokoller izlenerek gerçekleştirilmiş ve tekrarlanabilir elektroforetik parmak izlerinin elde edilmesi için yüksek çözünürlüklü SDS-PAGE yöntemi kullanılmıştır. Elde edilen bant desenleri GelJ v2 yazılımı kullanılarak kantitatif olarak analiz edilmiş ve filogenetik ilişkiler kümeleme analizi ile belirlenmiştir. SDS-PAGE temelli profiller, %70 ile %100 arasında değişen benzerlik değerleriyle, büyük ölçüde korunmuş bir proteomik yapı ortaya koymuştur. Kümeleme analizi strainleri beş ana gruba ayırmış; ancak tek bir baskın kümenin izolatların büyük çoğunluğunu içermesi, popülasyon yapısının genel olarak homojen olduğunu göstermiştir. Bu yüksek benzerlik düzeyine rağmen, seçilmiş bazı strainler arasında bant yoğunluğu ve elektroforetik hareketlilikte ince fakat tutarlı farklılıklar gözlenmiş, bu durum sınırlı ancak biyolojik açıdan anlamlı bir fenotipik heterojenliğe işaret etmiştir. Özellikle 35–55 kDa protein bölgesinde straine özgü sapmalar ve bant yoğunluğundaki değişimler, özellikle düşük virülenslikli izolatlar arasında, geniş ölçekli yapısal proteomik farklılıklardan ziyade farklı protein ekspresyonu veya olası post-translasyonel modifikasyonları düşündürmektedir. Önemli olarak, virülenslik düzeyleri geniş bir aralıkta (%0–100) değişiklik göstermiş, ancak genel protein profili benzerliği ile tutarlı bir korelasyon ortaya koymamıştır. Bu durum, patojenisite değişkenliğinin büyük ölçekli proteomik farklılıklardan ziyade düzenleyici mekanizmalar tarafından kontrol edildiğini göstermektedir.

Keywords

• ateş yanıklığı
• Pyrus communis
• fenotipik çeşitlilik
• protein profilleri
• virülenslik

Project Number

Coordination of Selcuk University (Project no. 21111006).

References

1. Atanasova, I., Moncheva, P., Kabadjova, P., Tishkov, S., Stefanova, K., Dimitrov, Z., & Bogatzevska, N. (2007). Phenotypic diversity of Erwinia amylovora in Bulgaria. Zeitschrift für Naturforschung C, 62 (11-12), 857-868.
2. Arda, N., & Ertan, H. (2004). Proteinlerin İzolasyonu, Analizi ve Saflaştırılması, Temizkan, G., ve Arda, N. (ed), Moleküler Biyolojide Kullanılan Yöntemler, Nobel Tıp Kitabevleri, 177-273.
3. Atanasova, I., Moncheva, P., Kabadjova, P., Tishkov, S., Stefanova, K., Dimitrov, Z., & Bogatzevska, N. (2007). Phenotypic diversity of Erwinia amylovora in Bulgaria. Zeitschrift für Naturforschung C, 62 (11-12), 857-868.
4. Aysan, Y., Şahin, F., Saygılı, H., Mirik, M., & Kotan, R. (2004). “Phenotypic characterization of Erwinia amylovora from pome fruits in Turkey” 10th International Workshop on Fire Blight, Bologna, Italy, 87.
5. Barny, M.A. (1995). Erwinia amylovora hrpN mutants, blocked in harpin synthesis,express a reduced virulence on host plants and elicit variable hypersensitivereactions on tobacco.Eur. J. Plant Pathol.,101:333-340
6. Bhaduri, S. A. U. M. Y. A., & Demchick, P. H. (1983). Simple and rapid method for disruption of bacteria for protein studies. Applied and Environmental Microbiology, 46 (4), 941-943.
7. Dellagi, A., Brisset, M. N., Paulin, J. P., & Expert, D. (1998). Dual role of desferrioxamine in Erwinia amylovora pathogenicity. Molecular plant-microbe interactions, 11 (8), 734-742.
8. EPPO, 2023. PM 7/20 (3) Erwinia amylovora. EPPO Bull 2022(52): 198–224. https://doi.org/10.1111/epp.12826

9. Expert, D. (1999). Withholding and exchanging iron: Interactions between Erwinia spp. and their plant hosts. Annual Review of Phytopathology, 37, pp.307–334. https://doi.org/10.1146/annurev.phyto.37.1.307
10. FAO (2025). Food and agriculture data. http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC (Erişim tarihi: 02.03.2025).
11. Gorris, M. T., Cambra, M., Llop, P., López, M. M., Lecomte, P., Chartier, R., Paulin, J. P., & Bonn, W. G. (1996). A sensitive and specific detectionof Erwinia amylovora based on the ELISA-DASI enrichment methodwith monoclonal antibodies. Acta Horticulturae. 411, 41-46.
12. Gur, A., & Bastas, K. (2025). Investigation of Relatedness between the Genetic Diversity and Disease Severity of Erwinia amylovora Strains Obtaining from Pears in Turkey. International Journal of Phytopathology, 14(2). doi:https://doi.org/10.33687/phytopath.014.02.5489. in press.
13. Heras, J., Domínguez, C., Mata, E., Pascual, V., Lozano, C., Torres, C., & Zarazaga, M. (2015). GelJ–a tool for analyzing DNA fingerprint gel images. BMC bioinformatics, 16, 1-8.
14. Hildebrand, M., Aldridge, P. & Geider, K. (2006). Characterization of hns genes from Erwinia amylovora. Molecular Genetics and Genomics, 275(3), pp.310–319. https://doi.org/10.1007/s00438-005-0085-5
15. Khan, M. A., Zhao, Y., & Korban, S. S. (2012). Molecular mechanisms of pathogenesis and resistance to the bacterial pathogen Erwinia amylovora, causal agent of fire blight disease in Rosaceae. Plant Molecular Biology Reporter, 30(2), 247-260.
16. Laemmli, U. K. (1970). Cleavage of structural proteins during assembly of head of bacteriophage-T4, Nature, 227, 680-685.
17. Llop, P., Barbé, S., & López, M.M. (2012). Functions and origin of plasmids in Erwinia species that are pathogenic to or epiphytically associated with pome fruit trees. Trees – Structure and Function, 26, pp.31–46. https://doi.org/10.1007/s00468-011-0630-2
18. Llop, P., Cabrefiga, J., Smits, T.H.M., Dreo, T., Barbé, S., Puławska, J., Bultreys, A., Blom, J., Duffy, B., Montesinos, E., & López, M.M. (2011). Erwinia amylovora novel plasmid pEI70: complete sequence, biogeography, and role in aggressiveness in the fire blight phytopathogen. PLoS ONE, 6(12), e28651. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0028651
19. Mann, R.A., Smits, T.H., Bühlmann, A., Blom, J., Goesmann, A., Frey, J.E., Plummer, K.M., Beer, S.V., Luck, J., & Duffy, B. (2013). Comparative genomics of 12 strains of Erwinia amylovora identifies a pan-genome with a large conserved core. PLoS ONE, 8(4), e55644. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055644
20. Mohammadi, M. (2010). Enhanced colonization and pathogenicity of Erwinia amylovora strains transformed with the near‐ubiquitous pEA29 plasmid on pear and apple. Plant Pathology, 59(2), 252-261.
21. Momol, M.T., & Yegen, O. (1993). Fire blight in Turkey: 1985-1992. Acta Horticulturae. 338, 37-40.
22. Norelli, J. L., Jones, A. L., & Aldwinckle, H. S. (2003). Fire blight management in the twenty-first century: using new technologies that enhance host resistance in apple. Plant Disease, 87 (7), 756-765.
23. Oh, C. S., & Beer, S. V. (2005). Molecular genetics of Erwinia amylovora involved in the development of fire blight. FEMS microbiology letters, 253(2), 185-192.
24. Öktem, Y., & Benlioğlu, K. (1988). Studies on fire blight (Erwinia amylovora (Burr.) Winslow et al.) of pome fruits. Journal of Turkish Phytopathology, 17(3), 106.
25. Saçılık, S. C., Osmanoğlu, Ö., & Çökmüş, C. (1999). Nazal taşıyıcılardan izole edilen Staphylococcus aureus suşlarının toplam hücre ve filtrat protein profillerine göre elektroforetik ayrımı, antibiyotik duyarlılıkları ve plazmid içeriklerinin analizi. Mikrobiyol Bülten, 33, 171-178.
26. Smits, T.H., & Duffy, B. (2011). Genomics of iron acquisition in the plant pathogen Erwinia amylovora: insights into the biosynthetic pathway of the siderophore desferrioxamine E. Archives of Microbiology, 193(10), pp.693–702. https://doi.org/10.1007/s00203-011-0739-0
27. Tokgönül, S., & Çınar, Ö. (1991). Doğu Akdeniz bölgesinde armutlarda ateş yanıklığı hastalığı (Erwinia amylovora (Burr.) Winslow et al.)’nın tanısı ve yaygınlık durumu üzerinde araştırmalar. VI. TürkiyeFitopatoloji Kongresi Bildirileri, Ekim 7-11, İzmir, Türkiye. pp 303-306
28. TÜİK (2024). Bitkisel üretim istatistikleri veri tabanı. https://biruni.tuik.gov.tr/medas/?kn=92&locale=tr, [Erişim tarihi: 03.12.2025].
29. Ünlü, A. (2002). Türkiye’deki Erwinia amylovora izolatlarının elde edilmesi ve bu izolatların, patolojik, biyokimyasal ve moleküler karakterizasyonu. Doktora tezi, Akdeniz Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Antalya.
30. Van der Zwet T., & Beer, S.V. (1995). Fire blight. Its nature, prevention and control. A practical guide to integrated disease management. Agriculture Information Bulletin, 631, U.S. Dept. of Agrie., Washington D.C., 91 p.
31. Van der Zwet, T. & Keil, H. L. (1979). Fire Blight. A Bacterial Disease of Rosaceous Plants. US Department of Agriculture, Agricultural Handbook, 510, 200.
32. Vanneste, J. L. (2000), Fire blight: the disease and its causative agent, Erwinia amylovora. Cabi Publishing. 55-72.
33. Vantomme, R., Swings, J., Goor, M., Kersters, K., & Ley, J. D. (1982). Phytopathological, serological, biochemical and protein electrophoretic characterization of Erwinia amylovora strains isolated in Belgium.
34. Wang, D., Korban, S.S., & Zhao, Y. (2009). The Rcs phosphorelay system is essential for pathogenicity in Erwinia amylovora. Molecular Plant Pathology, 10(2), pp.277–290. https://doi.org/10.1111/j.1364-3703.2008.00531.x
35. Yücel, F., Benlioğlu, K., & Çırakoğlu, B. (1999). A simple and quick way for diagnosis of Erwinia amylova. Acta Horticulture, 498, 33-38.
36. Zarnowski, R., Lewicka, T., & Ellis, R. J. (2001). Evaluation of natural diversity among Erwinia amylovora isolates on the basis of total cellular protein and fatty acid patterns. In IX International Workshop on Fire Blight 590 (pp. 185-192).
37. Zhao, Y., Sundin, G.W., & Wang, D. (2009). Construction and analysis of pathogenicity island deletion mutants in Erwinia amylovora. Canadian Journal of Microbiology, 55(4), pp.457–464. https://doi.org/10.1139/W08-147