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人才强校 | 马占鸿教授课题组揭示小麦条锈病流行中西南西北群体间的遗传关系

点击数:14 时间:2022-07-29 13:07 来源:中国农业大学

中国农大新闻网讯 7月27日,《微生物学光谱》(Microbiology Spectrum)在线发表中国农大植物保护学院马占鸿教授课题组题为《中国西南西北小麦条锈菌群体遗传关系》(Genetic Relationships of Puccinia striiformis f. sp. tritici in Southwestern and Northwestern China)的研究论文。

该研究关注了大区流行病害-小麦条锈病的病原菌的不同地理群体之间的遗传关系,发现了我国小麦条锈菌西南西北群体之间存在一定程度的遗传分化,而西南群体内部、西北群体内部的遗传关系更近。

小麦条锈病是我国小麦生产中的重大生物灾害,被列为国家一类病虫名录。条形柄锈菌小麦专化型 (Puccinia striiformis f. sp. tritici) 是引起小麦条锈病的病原菌,其夏孢子可随风实现远距离传播,该病害已广泛发生于我国小麦种植区。西南西北地区是我国两大重要的农业生态系统,其小麦条锈菌群体分属核心菌源区、冬繁区和春季流行区三大流行区系,各流行区又可划分为多个流行亚区。其间复杂的流行区系、地势地貌、耕作制度及气候条件等因素导致两大核心流行区域间的遗传关系尚不明确。

本研究于2019年春季在西南西北地区获得2103个不同地理生态下的小麦条锈菌夏孢子单孢系,对其进行了水平和垂直维度的不同空间尺度亚群体划分,即县域、省域、区域、海拔、地形亚群体,利用12对SSR荧光引物进行标记,分析了不同空间尺度亚群体的遗传多样性和基因型组成、遗传分化和空间结构、群体的生殖方式及地理距离与遗传距离的相关性,主要获得以下结果:

基因型多样性分析结果表明西北群体具有较高的基因型多样性,特别是宁夏和青海地区,而云贵地区的基因型多样性相对较低;垂直方向则是高海拔山区具有较高的基因型多样性,低海拔地区的基因型多样性相对较低,特别是海拔低于800 m 以下的地区;基因多样性分析结果表明青海地区、川盆地及西藏地区具有较高的基因多样性,垂直方向则是高海拔山区特别是海拔高于2,000 m的地区具有相对较高的基因多样性,低海拔地区的基因多样性相对较低,特别是海拔低于 800 m以下的地区;基因型组成分析结果揭示了西南地区的亚群体含有更多的优势基因型,共享率较高,西北群体则含有更多的私有基因型,暗示着更为丰富的基因型多样性;垂直方向的基因型组成及比例有所不同,随海拔升高优势基因型的含量有所降低,且种类发生了改变。说明西南西北地区的小麦条锈菌群体在基因型组成存在地理分化现象。

非参数模型 (DAPC) 和参数模型 (STRUCTURE) 分析揭示了西南西北群体最佳分组K值为2,两个遗传群组地理分布的变化趋势是自北向南和自南向北,垂直方向则是自低海拔向高海拔变异。通过不同采样点的分子群组的分布图可以看出最为纯净的棕色群体 (MG1) 分布在西南端,而最为单一的绿色群体 (MG1) 则分布在西北端,中间地区如四川、重庆地区特别是川盆地和川西北等区域则包含棕色和绿色的混合群体,与地理呈现一定的相关性;垂直方向的变化趋势是自低海拔向高海拔呈现出棕色群体递减、绿色群体递增,这与我国自西北向东南递减的地势吻合,也体现出存在一定的地理相关性。

基于Nei’s遗传距离生成的邻接树聚类结果均表明西南西北地区小麦条锈菌群体存在一定的遗传分化,西南群体和西北群体各自内部亚群体之间的遗传距离更近。垂直方向的高海拔地区和低海拔地区的小麦条锈菌群体存在不同的聚类结构,海拔高于2,000 m的群体聚为一大类,海拔低于2,000 m的群体聚为一大类。PCoA分析揭示了不同空间尺度亚群体之间不同程度的基因型交流。

基因关联分析在多地检测到显著的连锁不平衡,结果表明西南西北地区的小麦条锈菌群体存在有性生殖的可能,推测该地区的小麦条锈菌群体为有性生殖和无性繁殖的混合群体。Mantel Test表明遗传距离与地理距离之间存在变异系数较小的显著相关性。

以上结果系统地揭示了我国西南西北地区小麦条锈菌群体之间的遗传关系,明确了西南地区在我国小麦条锈病病流行中的重要作用。以上研究为我国小麦条锈病的预测预报及综合防控提供了重要的理论依据。

植物保护学院博士研究生江冰冰为本论文的第一作者,马占鸿教授为本论文的通讯作者,植物保护学院为第一作者和通讯作者单位。华盛顿州立大学Xianming Chen教授参与了该项研究。该研究工作得到国家重点研发计划项目(2021YFD1401000)的资助。

论文链接:https://journals.asm.org/doi/10.1128/spectrum.01530-22

供稿:植物保护学院

供图:植物保护学院

编辑:李杨

责编:于哲

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