ISME | 瑞士纳沙泰尔大学研究揭示小麦病原菌对异质环境适应性的遗传基础！

对异质环境（包括生物和非生物环境）的适应对于病原菌成功感染和定殖宿主、传播到新的宿主并引起疾病、以及在没有宿主的情况下生存是至关重要的（Science Advances | 宾夕法尼亚大学研究揭示植物维管病原菌致病方式转换的“开关”；Nature Communications | 农作物病原菌表现出显著的适应性）。对新环境的适应取决于其生活史性状的遗传变异。因此，在遗传多样性较低的病原菌种群中，适应性会受到严重制约。此外，优势性状之间的权衡会对适应性进化造成限制。这种权衡通常产生于资源分配的差异和拮抗性基因作用，包括多态性，这些作用抑制了两个有利性状的同时增加。了解病原菌适应性的遗传途径有助于预测其对变化的环境条件的进化反应。尽管权衡可能很重要，但我们在很大程度上缺乏关于自然环境中病原菌适应性如何由潜在的限制因素形成的证据。包括毒力和环境胁迫适应性在内的性状间协同或拮抗性相互作用的突变基础仍基本未知，阻碍了我们对病原菌适应性的理解。

这种权衡效应被定义为阻碍生物在特定环境中达到最大适性的表型相关性，往往受到环境条件的影响。如果每个性状的表达都受相同突变的支配，那么权衡就会对进化产生制约。当单个突变同时影响几个性状的表达，产生这些性状之间的遗传相关性时，就会出现显性遗传。遗传相关性也可以从突变之间的链接不平衡中产生，但这种相关性在世代中不太稳定，因为重组往往会破坏这种关联。对共生效应的研究主要集中在不同物种的少数性状上。为了阐明病原菌适应性的制约因素，需要从全基因组的角度出发，考虑在广泛的与健康相关的生活史性状中的权衡和多向性。当所研究性状的遗传结构由众多小效应位点(即多基因性状)主导时，确定权衡和多向性尤其具有挑战性。重要的是，大多数影响适应性的表型都显示出这样的多基因遗传架构。本研究的目的是建立一个精细尺度的遗传相关性图谱，以揭示宿主和非宿主环境下性状进化的制约因素。

近日，权威期刊ISME发表了瑞士纳沙泰尔大学Daniel Croll教授团队的研究论文，题为Mappingthe adaptive landscape of a major agricultural pathogen reveals evolutionary constraints across heterogeneous environments。

病原菌在新的或异质环境中的适应潜力是疾病流行风险的基础。生命史性状之间的拮抗性共生或资源分配差异可以限制病原菌的适应性。然而，我们缺乏对个体性状的遗传结构如何产生权衡的理解。本研究报道了一项基于来自四个大陆的145个小麦真菌病原菌Zymoseptoria tritici的大规模研究。科研人员研究了其50种生活史性状，包括在12种不同小麦宿主上的毒力和繁殖以及对几种非生物胁迫的生长反应。为了阐明适应性的遗传基础，本研究使用了全基因组关联图谱和遗传相关性分析。结果表明大多数性状受多基因结构的控制，并且具有高度的可遗传性，这表明病原菌适应性主要是通过许多位点的等位基因频率变化进行的。科研人员发现与宿主定殖和在胁迫环境中生存有关的性状之间存在负的遗传相关性。这样的遗传限制表明，多因子效应可能限制了病原菌对宿主造成损害的能力。相反，对非生物应激因素的适应很可能是由协同的共生作用促进的。本研究说明了如何在不同环境中全面绘制生命史性状架构，从而预测病原菌面对环境扰动的进化轨迹。

图1：小麦病原真菌Zymoseptoria tritici的种群地理起源和表型多样性

图2：常见遗传变异解释的表型变异

图3：在各种宿主和非宿主环境中测得的50个性状的全基因组关联映射（GWAS）

图4：在各种宿主和非宿主环境中测得的50个性状之间的相关性

图5：遗传和表型之间的不一致性

图6：宿主适应性状与环境胁迫性状之间的平均遗传相关性

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