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我科学家揭示大丽轮枝菌寄主适应性的分子进化机制

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  近日,中国农业科学院农产品加工研究所科研团队从基因组学角度深入剖析了大丽轮枝菌寄主适应性的分子进化机制,首次阐明了大丽轮枝菌寄主广谱性与专化性动态平衡的基因组学基础。

  大丽轮枝菌是一种毁灭性的维管束土传植物病原真菌,曾与马铃薯晚疫病并列为世界头号检疫对象,寄主非常广泛,能够侵染8科660多种植物,包括很多具有重要经济价值的农作物,全球范围内由大丽轮枝菌引起的黄萎病损失每年超过数百亿美元。纵观百年大丽轮枝菌研究历程,科学家一直致力于回答3个科学问题,即病原如何适应维管束寡营养环境;病原生理型分化的遗传学基础;病原与寄主广谱性和专化性间的动态协同进化机制。虽然美国、荷兰相关科研单位通过对来源莴苣大丽轮枝菌基因组解析阐明了大丽轮枝菌适应维管束寡营养环境的基因组学基础以及通过来源番茄大丽轮枝菌基因组分析发现了染色体重排介导的病原菌种群分化机制,但对大丽轮枝菌广适性背景下的寄主专化性的动态遗传机制一直未有突破。

  加工所戴小枫研究员领衔的加工有害生物创新团队鉴定来源于莴苣、番茄和棉花大丽轮枝菌对不同寄主的侵染能力,确证了来源于棉花的模式大丽轮枝菌Vd991对寄主棉花具有优势适应性(专化性)的特征;在大丽轮枝菌Vd991全基因组测序基础上,通过比较基因组分析发现,适应棉花的大丽轮枝菌Vd991较来源莴苣和番茄大丽轮枝菌并未发生基因扩张、蛋白家族扩张、致病相关基因(分泌蛋白、碳水化合物酶类、激酶、转录因子)富集等特异变化,但三者之间均衍生了约1000个特异基因,提示大丽轮枝菌的泛基因组是开放的,这是大丽轮枝菌寄主多样性和病原菌生理变异的重要分子基础;基因组及编码基因共线性分析发现,这些特异基因在三个大丽轮枝菌基因组中均形成了4个特异区段,暗示这些特异基因组区段与大丽轮枝菌对来源寄主的适应性相关;对来源于棉花的大丽轮枝菌Vd991基因组的4个特异区段比较分析发现,其中一个区段(G-LSR2)与棉花枯萎病菌基因高度同源,进一步的分子进化分析也支持该区段由棉花枯萎病菌横向水平转移而来;该区段敲除后对寄主棉花的适应性显著下降,但不影响对其他寄主(莴苣和番茄)的致病性,而将该区段编码基因导入来源于莴苣和番茄的大丽轮枝菌中,则增强了其对棉花的寄主适应性,同时还不影响对来源寄主莴苣和番茄的致病性,这证明了该区段是决定大丽轮枝菌寄主适应性(专化性)的关键遗传变异区域。该研究首次阐明了作为广谱性病原大丽轮枝菌寄主适应性的分子进化机制,发现了棉花大丽轮枝菌和枯萎病菌长期混生过程的基因水平转移证据,为进一步阐明大丽轮枝菌侵染为害和致害机理,发展相应的关键防控技术提供了理论基础。

  该研究由中国农业科学院农产品加工研究所联合华大基因和美国加州大学戴维斯分校共同完成,戴小枫研究员、华大基因张耕耘研究员和美国加州大学戴维斯分校克里希那·苏巴拉奥(Krishna Subbarao)教授为共同通讯作者。研究得到了中国农科院科技创新工程、重点研发计划、国家自然科学基金、公益性行业(农业)科研专项等项目资助。

  原文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14861/full

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