中国农科院基因组所周永锋团队发表野生葡萄的抗皮尔斯病的全基因组效应和气候适应性机制

以下文章来源于园艺研究 ，作者周永锋课题组

2023年5月30日，国际著名期刊Communications Biology 在线发表了题为Multigenic resistance to Xylella fastidiosa in wild grapes (Vitis sps.) and its implications within a changing climate的研究论文。皮尔斯病（Xylella fastidiosa）是由一种革兰氏阴性细菌——苛养木杆菌引起的，这种细菌会阻塞植物的导管，造成水分和养分的运输障碍，进而导致植物出现焦叶、干叶的症状。目前，野生葡萄中抵抗这种细菌的抗性基因位点及其基因组结构知之甚少，特别是多基因效应的抗性位点分布如何适应不同的气候变化的机制仍不清晰。

研究人员以北美野生葡萄种（V. arizonica）为研究对象，通过全基因组关联分析并结合群体基因组、转录组、比较基因组学分析以及生物气候建模解决了3个主要问题：1.决定野生葡萄皮尔斯病抗性的基因组区域及候选基因有哪些？2.这些区域是否被引入现代具有抗性的栽培葡萄品种，不同种群间的抗性有什么关联？3.气候变化是否会影响植物的抗性？总的来说，这项研究提供了葡萄有关皮尔斯病抗性的遗传学、进化和生态学信息，并针对这种在经济上具有破坏性和不断蔓延的病原体提供防治策略。

文章核心内容：

在这项研究中，研究人员收集了167个V. arizonica的样本数据，结合样本接种苛养木杆菌后12-14周的抗性表型数据（菌落形成单位 CFU/mL测定值），进行了全基因组关联分析。确定了5个染色体上的8个与抗性相关的基因组区域，并且根据最新的V. arizonica参考基因组确定了这些区域中的候选基因。

Fig. 1 V. arizonica 样本采集和表型数据

作者进一步结合拷贝数变异CNVs 和 抗性相关kmers分析证实了SNP关联的8个显著峰中的4个，进一步证明了 SV 在皮尔斯病抗性中的作用，并确认位于Chr14上361 kb的PdR1为候选基因座（SSR Markers划定区间范围）。结合RNA-seq分析表明PdR1峰附近存在四个高表达的候选 R 基因（g238150、g238180、g238250 和 g238290），它们在茎干接种后1-4周持续表达，并且至少在4个阶段中有一个时期是显著高于对照组。此外， 研究人员发现仅有g238150 和 g238290 在 b40-14 叶子中特异性表达。

Fig. 2 PdR1区域的遗传分析

位于Chr14 中复杂的 LD 模式表明，耐药性可能需要来自多个位点的基因作用，即多基因耐药性。为了研究这种可能性，研究人员检查了与抗性相关的117个kmers在全部种质中的分布情况。其中99个kmers在具有抗性的种质中常见，而16个在易感种植中常见。同时，作者分析了5个来自V. arizonica 抗性品种，结果表明来自V. arizonica 的抗性回交包含多个基因组区域。

Fig. 3 不同数据集中存在耐药性和易感性

        作者基于54个气候模型预测了生物气候变量——最潮湿地区的温度（BIO8）未来变化阈值。根据从目前低于（或高于）10°C移动到未来高于（或低于）10°C的区域进行分类，如Fig. 4所示，较暖的颜色反映从低于（当前）移动到阈值以上的区域，而较冷的颜色表示从高于（现在）移动到阈值以下的区域。研究结果可以确定在苛养木杆菌压力下可能扩大或收缩的区域，比如加拿大，东欧，俄罗斯和北亚的大部分地区气候将低于10°C BIO8阈值，这表明这些地区未来不太可能出现病原体压力。

Fig. 4 气候预测和对重点作物苛养木杆菌流行率的预测

本文的重要发现或创新点：

周永锋研究员联合了美国葡萄病理学研究团队，结合167个野生葡萄V. arizonica 样本与其抗性表型数据、比较基因组学、转录组学和生物气候建模，深度剖析了在野生葡萄中由苛养木杆菌引起的皮尔斯病的复杂遗传结构，并筛选到了抗性关联的基因组区域，确定了适合遗传引入易感作物的候选基因。此外，通过比较育种系和野生葡萄物种的特征，发现了皮尔斯病关键抗性性状起源的线索。该项工作强调了结合景观尺度重测序数据和气候模型的潜力，以预测破坏性植物病原体的压力变化。这些结果强调了研究中迫切需要通过增强有关抗性机制和基因的信息来管理和遏制苛养木杆菌的传播。

作者或研究团队介绍

加州大学伯克利分校博士后Abraham Morales-Cruz、加州大学尔湾分校博士后Jonas Aguirre-Liguori为论文的共同第一作者，中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋研究员、加州大学戴维斯分校Dario Cantu教授和加州大学尔湾分校Brandon S. Gaut教授为共同通讯作者。来自加州大学戴维斯分校的Andrew Walker教授、美国农业部圣华金谷农业中心Summaira Riaz教授等国际合作者参与了该研究。该项目得到了美国国家科学基金会（NSF #17414627）、葡萄栽培基金会和加州大学墨西哥分校博士后研究基金的资助。

周永锋团队长期专注于葡萄群体遗传学、数量遗传学与全基因组智能设计育种工作，开展了葡萄的驯化群体基因组学研究，发掘与重要农艺性状相关的候选基因，揭示作物的驯化成本；解析了重要性状相关的适应性变异、有害变异和结构变异及其育种意义。迄今已在国际学术期刊发表论文30余篇，其中近五年以第一作者或通讯作者在Nature Plants、PNAS、Molecular Biology and Evolution等高水平论文18篇，并在PAG、SMBE等国际学术大会与国内外同行分享相关成果。团队不断吸纳国内外优秀人才在深圳鹏城汇聚一堂，同时与国内外一流实验室深度合作与交流，并于深圳初步建立了全国野生葡萄种质资源圃，努力培养学生浓厚的科研兴趣、扎实的科研技能和独立思考的能力，为国内农业可持续发展和葡萄种质创新培育优秀的后备人才。团队常年热烈欢迎各层次优秀人才加盟 (详情请见下文)。

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转自：“iPlants”微信公众号

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