古代DNA揭示马铃薯与病原体的斗争细节

北卡罗来纳州立大学的研究人员通过研究历史悠久的马铃薯叶片的遗传物质，取得了突破性的发现。他们的研究突显了马铃薯植物与造成爱尔兰马铃薯饥荒的病原体之间的动态进化斗争。通过采用创新的DNA测序技术，他们揭示了某些病原体菌株如何在抗病基因被用于育种之前就能克服这些基因，为未来的农业战略指明了新方向。

北卡罗来纳州立大学的研究人员通过对历史上发现的马铃薯叶片中的遗传物质进行研究，揭示了马铃薯植物和导致19世纪40年代爱尔兰马铃薯饥荒的病原体之间发生的针锋相对的进化变化。

这项研究采用了一种靶向富集测序方法，同时检测了植物的抗性基因和病原体的效应基因（帮助病原体感染宿主的基因），这在同类分析中尚属首次。

大卫-摩尔（David Moore）从爱尔兰格拉斯内文国家植物园收集的一个历史悠久的马铃薯植物标本，显示出晚疫病。资料来源：Jean Ristaino，北卡罗来纳州立大学

"我们使用的是带有病原体和其他细菌的历史悠久的小片叶子；DNA的碎片比正常组织样本更多，"北卡罗来纳州立大学前研究生研究员、论文第一作者艾莉森-库姆伯（Allison Coomber）说。"利用 80 个碱基对的小块，就像利用磁铁一样，在 DNA 的汤中捞出相似的片段。这些磁铁被用来寻找宿主的抗性基因和病原体的效应基因。"

北卡罗来纳州立大学植物病理学威廉-尼尔-雷诺兹特聘教授、今天（8月5日）发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上介绍这项研究的论文的通讯作者让-里斯泰诺（Jean Ristaino）说："这是首次同时研究马铃薯和病原体的变化；研究人员通常只研究其中之一。这里采用的双重富集策略使我们能够捕获宿主-病原体关系双方基因组的目标区域，即使宿主和病原体的数量不等。15年前我们不可能完成这项工作，因为基因组还没有测序。"

研究结果表明，病原体Phytophthora infestans非常善于对抗马铃薯晚疫病的抗性。例如，该研究表明，病原体的FAM-1菌株有能力战胜植物的R1抗病基因所提供的抗病能力--甚至在植物育种人员在马铃薯上应用该基因之前就已如此。

库姆伯说："即使R1抗性基因早在几年前就已部署，病原体也能够抵御这种抗性基因，这可能是因为它在野外接触过带有这种抗性基因的马铃薯。"

研究还表明，病原体的许多效应基因一直保持稳定，但随着植物育种者试图培育抗性，特别是在1937年之后，美国和全球其他地区开始了更有组织的马铃薯育种计划，发生了不同的突变，以提高其感染能力。

研究还表明，病原体在 1845 年至 1954 年期间增加了一组染色体，而这段时间正是研究中植物样本的采集期。

库姆伯说："我们在这项工作中表明，经过 100 年的人类干预，病原体中的一些基因并没有发生太大变化。这些基因非常稳定，可能是因为它们没有被选择，也可能是因为它们对病原体非常重要。靶向这些基因将使病原体很难进化出相反的反应。"

"当我们对病原体了解不够时，很难进行有效的植物育种。现在我们知道了哪些效应因子随着时间的推移而发生了变化，育种者也许就能使用更稳定的抗性基因，或者从不同的野生宿主那里金字塔式地获得多种抗性基因，"里斯泰诺说。"这就是我认为这类研究的未来所在--将其应用于病原体毒力或其他性状（如杀菌剂抗性）的缓慢变化"。

编译自/ScitechDaily