【LorMe周刊】巧用病原菌“权衡”策略：农业病害阻控的新思路？
作者：张煜铃，南京农业大学硕士在读。主要研究青枯菌多态性与动态阻控。
农业病原菌的生活史通常十分复杂，涉及侵染致病和环境生存等多个环节。要侵染致病，病原菌必须破坏寄主植物免疫屏障、获取植物养分，抵御农药的灭杀，以及与其他微生物竞争空间和资源直至侵染新的寄主。作物收获后，病原菌需隐藏在植物残体和土壤等恶劣的条件下进行生存，时刻遭遇环境条件的骤变，如温度胁迫、盐碱胁迫等。为了种群的延续和更好的适应环境，病原菌也进化出权衡策略（Trade-offs）。权衡策略是生活史中生存和致病相关的特征无法同时满足最大化的需求，也就是说一种能力的上升，是以另一种能力的下降为代价。那么究竟病原菌的哪些生活史特征之间存在显著的权衡关系，其适应性和遗传学机制如何？逐渐成为植物病理学、进化生物学和土壤学等多学科研究的热点，但相关证据依然不够充分。瑞士纳沙泰尔大学Daniel Croll博士团队以不同地理来源的145株小麦叶枯病菌为对象，利用大规模室内实验、比较基因组学分析、群体遗传学等理论技术，绘制了小麦叶枯病菌的适应性景观图，揭示了小麦叶枯病菌在异质环境下的进化约束作用，呼吁利用权衡策略挖掘病原菌进化过程中的弱点，为农业病害的阻控提供新的思路。
为了明确病原菌生活史特征变异规律，作者在欧洲、中东、南美和澳大利亚四个地区分离了145株小麦叶枯病菌（Zymoseptoria tritici），测定了50种生存与致病相关生活史特征，包括病原菌在12种小麦品种上的侵染和定殖能力、在不同培养环境下的适应性和吡咯类杀菌剂的抵抗能力等（图1 A-D）。结果显示，小麦叶枯病菌生活史特征表现出高度的表型多样性，同一地区的病原菌表型也有较大的差异，不同生活史特征没有明显的地理差异。这表明，病原菌生活史特征可能受到遗传结构变异的影响。
图1 小麦叶枯病菌的地理来源及表型多样性
病原菌生存与致病特征受多基因调控
为解析遗传结构对病原菌适应性、生存、致病等相关生活史特征的影响，作者利用基因组尺度约束最大似然法估算每个特征的遗传率，将全基因组水平单核苷酸多态性（SNP）作为随机效应来评估菌株之间的遗传相似性。结果表明，定殖能力的平均遗传率高于致病能力，说明在短期内菌株倾向于快速繁殖（图2A）。在生长、耐药性和胁迫下的形态变异、温度耐受性中抗菌剂耐药性的平均遗传率最高（图2B）。全基因组关联分析（GWAS）发现菌株存在大量对吡咯类杀菌剂的效应位点，说明耐药性主要是由吡咯靶点基因突变控制。混合线性模型分析结果显示（图2C）：表型和基因型相关性并不显著，多数性状具有众多效应位点，受多基因调控。同时，GWAS关联发现多个与生活史特征显著相关的SNP位点，不同性状之间存在共享SNP，说明不同生活史特征可能受同种基因控制。
不同环境下复杂
的遗传控制影响表型多样性
为了进一步明确遗传结构对表型多样性的影响，作者分析了表型和遗传水平上特性之间的相关关系（图3A）。结果显示，在12种小麦寄主上，病原菌所有特性的表型相关性和遗传相关性均为正相关。但是寄主专化性和小麦品种中基因表达的特性呈显著的负相关关系，说明在专化性中病原菌存在致病与生存的权衡。遗传相关性网络显示（图3C），病原菌对无寄主条件下唑类抗菌剂的耐药性和在小麦寄主Drifter中的生长能力存在显著的负相关关系。在寄主中菌株生长特性与其致病力呈明显正相关关系，但是在一些小麦品种上也呈负相关关系（图3B、C）。
这些结果表明，受遗传控制的影响的病原菌在生存和定殖特性存在权衡，并且这种权衡会受到寄主的影响。
图3不同寄主和非寄主环境下病原菌特性的相关性
注：遗传相关性（上三角）；表型相关性（下三角）
不同环境下拮抗和协同遗传多效性的复杂组合是病原菌致病性进化的基础
在植物-病原菌的相互作用中，寄主和病原菌的遗传背景通常会影响病原菌的遗传水平。为了明确寄主对病原菌致病性的影响，作者分析了在寄主间病原菌致病性状之间的相关性（图4A-H）。研究发现，病原菌在小麦品种1011和ArinaLr34的毒力和定殖特性的平均遗传相关性远低于其他品种，表明这些寄主上对致病性状的遗传控制差异明显。而寄主专化性与病原菌定殖呈负遗传相关，这说明，寄主专化性的遗传控制主要为拮抗遗传多效性。
作者进一步研究了在不同寄主上菌株致病力的遗传控制与非寄主环境中的菌株生长率、温度敏感性和抗真菌剂抗性的遗传控制的重叠情况。在小麦寄主Titlis 和Runal中菌株特性与无寄主的情况下的菌株特性呈正平均遗传相关性，表明，在寄主中病原菌的生长能力主要受到协同遗传多效性的影响。
这些结果表明，拮抗遗传多效性和协同遗传多效性的复杂组合影响病原菌的致病性进化方向。
图4 寄主适应特性与环境胁迫特性的平均遗传相关性