New Phytol | 比较基因组学揭示大麦叶锈菌谱系相关的结构变异与多样化

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

由大麦叶锈菌（Puccinia hordei）引起的大麦叶锈病是全球大麦生产中的重要威胁。尽管这种担子菌纲真菌在毒力、生殖历史以及对杀菌剂的敏感性方面不断发生变化，但其多样化和适应性的基因组基础在很大程度上仍未被阐明。锈菌通常具有异核（heterokaryotic）特性，即其孢子含有两个独立的单倍体细胞核。这种复杂的基因组结构，加之极高比例的转座元件（TEs），使得生成高质量、单倍型解析（haplotype-resolved）的参考基因组极具挑战性。在澳大利亚，大麦叶锈菌可以在中间宿主（Ornithogalum umbellatum）上进行有性生殖，这为研究有性重组与无性克隆演化在真菌致病性及抗药性进化中的作用提供了独特的背景。

论文概要

悉尼大学的 丁逸 和 Robert F. Park 团队在国际植物学权威期刊《New Phytologist》上发表了题为“Comparative genomics reveals lineage-associated structural variation and diversification in a barley fungal pathogen”的论文，揭示了大麦叶锈菌中由于结构变异、生殖模式差异以及基因拷贝数变异（CNV）驱动的演化机制。该研究不仅生成了两个毒力迥异分离株的端粒到端粒级、单倍型解析基因组，还通过对跨越54年（1966–2020）采集的41个澳大利亚分离株进行群体基因组学分析，首次在锈菌中发现了染色体尺度的极端结构多样化，并揭示了杀菌剂抗性相关基因 Cyp51 的谱系特异性扩增。

主要研究结果介绍

1. 高质量单倍型解析基因组的组装与评估

研究团队选择了两个毒力表现不同的分离株 Ph560（强毒力）和 Ph518（弱毒力）进行深度测序。通过整合 PacBio HiFi 长读段和 Hi-C 染色体构象捕获技术，Ph560 的两个单倍型（HapA 和 HapB）被分别组装至染色体水平，各包含 18 条染色体（图 1）。组装结果表现出极高的连续性和完整性，大部分染色体实现了“端粒到端粒”的覆盖。对于 Ph518，研究者利用 HiFi 数据配合 Ph560 的 Hi-C 框架进行支架搭建，同样获得了高质量的参考组装。比较分析显示，虽然锈菌基因组高度重复（重复序列占比 >70%），但四个单倍型之间保持了良好的染色体共线性（图 2, 表 1）。

2. 结构异常活跃的 9 号染色体（Chr9）

在比较两个分离株的单倍型时，研究人员发现 9 号染色体（Chr9）表现出异常复杂的重排和低水平的共线性。与全基因组平均水平相比，Chr9 在不同分离株及同一分离株的不同单倍型之间存在大规模的重复（duplication）和易位（translocation）。定量分析表明，Chr9 的共线性覆盖率仅为 43.0%–56.2%，远低于其他染色体的平均水平。进一步的 Hi-C 构象分析（E1 特征向量）显示，Chr9 的染色质组织模式与全基因组趋势相反：在 Chr9 上，高 E1 值区域与重复序列丰富、基因贫乏的区域相关联（图 3）。这种独特的结构特征暗示 Chr9 是大麦叶锈菌基因组中一个进化的“温床”，专门富集了高度动态的遗传变异。

3. 澳大利亚大麦叶锈菌群体的演化路径：克隆与重组并存

通过对采集时间跨度达 54 年的 41 个分离株进行全基因组 SNP 分析，研究者鉴定出了五个主要的遗传集群（Clusters 1–5）（图 4）。通过 MLG 比例、连锁不平衡（LD）和网状网络分析，研究揭示了不同的繁殖策略对群体结构的影响：集群 2 和 5 表现出明显的克隆扩张特征，具有低多样性和极强的连锁不平衡；而集群 3 和 4 则显示出有性重组导致的遗传多样化特征。这一发现与澳大利亚大麦叶锈菌在特定区域通过中间宿主进行有性重组的生物学特征相吻合。此外，位于 Chr9 上的交配型基因（STE3）发育树与该染色体的特异性 k-mer 聚类结果高度一致，进一步支持了谱系分化的结论（图 5）。

4. 杀菌剂适应性与 Cyp51 基因的扩增

近年来，澳大利亚大麦叶锈菌对脱甲基酶抑制剂（DMI）类杀菌剂的敏感性有所下降。研究人员通过全基因组拷贝数变异（CNV）分析发现，近期采集的分离株（尤其是属于集群 4 和 5 的菌株）倾向于发生基因重复事件，而早期菌株则多表现为基因缺失（图 6）。关键基因 Cyp51（DMI 杀菌剂的靶标）被发现在 Chr9 的一个结构变异热点区域发生了谱系特异性扩增。在 Ph560 中，Cyp51 存在 5 个完全相同的拷贝。定量 PCR 和 RNA-seq 数据证实，Cyp51 的拷贝数增加直接导致了转录水平的显著上调（图 6f）。

为了验证其功能，研究者将 PhCyp51 导入酵母 erg11 缺失突变体中，实验证明该基因能够有效恢复酵母生长并赋予其对丙硫菌唑（prothioconazole）的耐药性（图 6e）。这一结果强有力地支持了 Cyp51 基因扩增是该锈菌适应杀菌剂压力的主要遗传机制之一。

全文总结与展望

本研究通过高质量的比较基因组学分析，构建了大麦叶锈菌首个详尽的单倍型解析图谱。研究发现，尽管基因组整体保持了宏观共线性，但特定的染色体（如 Chr9）通过频繁的结构重排、重复和易位，驱动了致病菌的快速进化。研究还明确了澳大利亚大麦叶锈菌群体是由长期克隆演化与局部有性重组共同塑造的，且近期出现的杀菌剂抗性与特定谱系中 Cyp51 基因的重复和剂量效应密切相关。

这些发现为理解锈菌如何通过复杂的基因组重组应对环境压力（如杀菌剂施用和寄主抗性基因）提供了重要视角。未来，基于 Chr9 等动态区域的监测将有助于更早地识别毒力突变和抗药性谱系的出现，从而为大麦抗锈病育种和精准防控提供科学依据。

研究团队与资助

该研究由悉尼大学植物育种研究所（Plant Breeding Institute）完成。博士后 Xiaohui Yu 和 Mumta Chhetri 为论文的共同第一作者，Robert F. Park 教授和丁逸博士为共同通讯作者。该研究得到了澳大利亚谷物研究与发展公司（GRDC）以及悉尼大学战略研究基金的资助。悉尼大学生命与环境科学学院、悉尼农业研究所的多位研究人员参与了此项工作。

DOI链接 https://doi.org/10.1111/nph.71571