条中34号生理小种基因组结构变异与病菌群体进化

Wheat stripe rust, caused by Puccinia striiformis f. sp. tritici (Pst), is one of the devastating bio-trophic fungal diseases. It occurred nearly everywhere the wheat has been planted worldwide and caused great losses on wheat annually. The fungus could be delivered by wind for hundreds of kilometers from one location to another at a time. The new virulence clades of Pst to Yr26 and Yr10, first detected in 2009-2010 crop season, are now leading the first place among several hundreds of races each year. The CYR34 was nomenclatured in 2017 due to its high parasitic fitness on the 13 leading cultivars, accounting for the 1/4 wheat areas. It is mysterious for CYR34 and its clades for the virulence dynamics and evolution and necessary for the scientists to sequence it by the new technology of single molecule real-time sequencing (SMRT) to 1) depict the genome by de novo integrated with Hi-C to clear the divergence of different races, 2) genotype each isolate at a whole genome level with full-length transcriptome, 3) discover new resistance genes for different cultivars, 4) understand the interactions between Pst-wheat to demonstrate the functions of structural variants. With the whole analysis, it could help to find out the mechanisms of resistance and evolution driven factors, which could strengthen the effective usage of resistant genes for yellow rust and prolong the application of cultivars. It is also a meaningful strategy for decreasing the losses of wheat yield and integrated pest management of wheat stripe rust.

小麦条锈病是一种重要的专性寄生性真菌病害，在世界各地均有分布，每年均会造成大量的小麦产量损失，病菌可远距离随高空气流传播。2010年监测到的小麦条锈病新毒性小种V26已上升为第一位的优势生理小种，因其在13个生产上主栽品种的较高的相对寄生适合度而正式命名为条中34号生理小种。在每年毒性监测过程中可监测到到大量的新毒性类型或者遗传变异，以条中34号为代表的贵农22致病类群已经成为生产上的重大威胁，因此，利用单分子实时测序技术破解小麦条锈菌条中34号基因组结构特点和序列，研究明确小麦条锈菌不同生理小种的基因分型，发掘不同抗条锈病基因位点，了解基因组结构变异在病菌与寄主互作过程中的作用，对于小麦条锈病菌抗性机制和进化动力，有效缓解抗病基因的使用效率、延长品种的使用年限，减少病害造成的产量损失，实现小麦条锈病的持续有效的综合治理，具有重要的意义。

利用PacBio和Hi-C染色体构象捕获技术测序组装完成了小麦条锈菌条中34号生理小种的染色体级别基因组。基于全长转录组数据完成了小麦条锈菌条中34号生理小种基因组的注释，解析了不同发育阶段基因组三维结构的变化在基因表达差异中的调控作用。利用基于群体的全基因组测序数据获得了基因组结构变异，定位了抗病基因位点，构建了小麦条锈病菌遗传变异群体数据，获得了不同毒性病菌的基因型数据，明确了其在进化上的作用。对来自国内8个地区的小麦条锈菌进行全基因组重测序，通过变异检测并过滤后获得了全基因组783 514和46 152个SNP位点，通过分析中国和世界范围内小麦条锈菌的群体遗传结构，结果显示中国小麦条锈菌群体与世界范围的小麦条锈菌出现了显著的地理分化，这说明中国小麦条锈菌是独立流行的。利用群体基因组学方法推断了小麦条锈菌的群体进化历史。利用小麦条锈菌生理小种CYR34对我国197份重要小麦核心种质材料进行了抗病性鉴定，结果表明农家品种的抗性水平高，蕴含丰富的抗源，在今后的抗病育种中应重视农家品种的使用，加大基因累积，避免对单个基因的过度依赖，育成多基因聚合的长效持久抗病品种。明确了黄淮麦区小麦主栽品种抗条锈病基因组成，将为黄淮麦区小麦品种的合理布局提供依据。揭示了核心菌源基地-甘肃省甘谷县小麦条锈菌的有性重组和季节性迁移模式。云贵高原高空气流对小麦条锈菌的远距离传输，打破了中国中部农业生态平衡，该研究对加强条锈病综合治理具有重要意义，对恢复我国农业生态平衡具有长期意义。