稻瘟病菌无毒基因AvrPiz-t在大湄公河次区域的变异及进化机制

The interaction between Oryza sativa and Magnaporthe oryzae follows the "gene for gene" theory, and the durability of resistance genes carrying in rice cultivars depends on the stability of its corresponding avirulence genes carrying in M. oryzae. The Piz-t gene with broad resistance in rice recognized the avirulence gene AvrPiz-t of M. oryzae in gene-for-gene fashion to activate immune reaction of rice. The insertion of a transposon Pot3 at a position 462-bp upstream from the start codon of AvrPiz-t, or single nucleotide substitution which resulted in an amino acid change of valine for alanine at position 41, can cause the functional loss of AvrPiz-t gene in M. oryzae. In previous study, we found that the insertion of a retrotransposon (Inago 2), or a transposon (Pot2) at the upstream of start codon of AvrPiz-t can also cause the loss of AvrPiz-t function in the strains collected from Yunnan rice-growing area, indicating that variation and evolution of AvrPiz-t in the field could be diversified. China Yunnan-Laos-Northern Thailand of the Greater Mekong Subregion (GMS) is considered to be the origin and diversity center of rice blast fungus, M. oryzae. This region is the key area for the study of migration, dispersion and evolution of M. oryzae worldwide. In this study, we will focus the research work on the M. oryzae populations collected from GMS region, to systematically analyze the distribution and population structure of AvrPiz-t in GMS region, and further elucidate the variation and evolution mechanism of AvrPiz-t in GMS region by comparison of allelic sequences from both avirulence and virulence strains of M. oryzae. These results would lay the important foundation for the further researches on migration and dispersion of M. oryzae worldwide.

水稻与稻瘟病菌的互作符合基因对基因学说，品种抗性的持久性取决于病原菌中与寄主抗性基因相对应的无毒基因的稳定性。广谱抗性基因Piz-t通过识别病原菌中无毒基因AvrPiz-t而激活水稻免疫反应，而当AvrPiz-t编码起始点上游462-bp插入Pot3转座子或者第41位氨基酸的改变均能使AvrPiz-t功能丧失。分析云南菌株发现，反转录转座子Inago2或转座子Pot2的插入同样使AvrPiz-t丧失功能，表明AvrPiz-t变异与进化的多元化。大湄公河次区域（GMS）的中国云南-老挝-泰国北部被认为是稻瘟病菌的起源地及多样化中心，是研究世界稻瘟病菌进化、迁移与传播的关键区域。本项目以该区域的稻瘟病菌群体为研究对象，系统分析AvrPiz-t在GMS区域的分布；通过AvrPiz-t在致病与不致病菌株间等位基因序列比较分析，阐明该基因的变异与进化机制, 为进一步研究稻瘟病菌的迁移与传播奠定基础。

大湄公河次区域（GMS）是世界水稻的主要产区之一，开展该区域稻瘟病菌群体分化与无毒基因的变异与进化分析，对进一步阐明稻瘟病菌与寄主的协同进化机制以及合理利用寄主抗性控制稻瘟病的发生、保障区域的粮食安全具有重要的科学价值和现实意义。独特的生态类型与气候特点以及多样化品种的种植和分布，决定了该区域稻瘟病菌群体遗传结构的复杂性。通过项目的实施，初步完成GMS稻区稻瘟菌菌种资源库的构建；利用国际单基因鉴别系，完成1700多个单孢菌株的致病性分析，初步明确GMS稻区致病性群体构成复杂，Pi5、Pi9以及Pik-h等基因是GMS稻区较为有效的稻瘟病抗源，可用于抗病育种以改良品种的抗性水平。进一步利用GMS稻区的722个对单基因系IRBLZT-T（Piz-t）致病的菌株，开展无毒基因AvrPiz-t的等位基因表明：转座因子插入AvrPiz-t基因编码区上游、编码区的点突变以及完整基因的缺失是导致AvrPiz-t功能丧失，病原菌获得毒性的重要分子机制。根据转座因子插入或点突变的位置，可将等位基因变异导致无毒基因功丧失分为12种类型，其中云南的类型最为丰富，含有10种变异类型。在这些类型中，AvrPiz-t完整缺失是GMS稻区普遍存在的致病类型，反转录转座子Inago2的插入、终止密码子突变及编码区第122 bp碱基突变类型主要分布在GMS的跨境稻区；不同稻区间发现相同的突变类型，表明这些菌株在获得了毒性后曾在GMS稻区间发生了远距离传播。研究发现，不同稻区存在特有的致病变异类型，例如分别在3个不同位置插入Pot2的类型、Pot3反向插入基因编码上游的类型、点突变导致蛋白编码提前终止的类型、Mg-SINE插入的类型等，这些类型的出现可能是在局部稻区由于抗性品种选择压力而生产，且未发生远距离传播，因而仅在局部地区检测到。等位基因变异类型的获得，为进一步开展田间种群动态分子监测以及合理利用抗性基因来改良品种的抗性奠定基础。同时，积累的菌种资源也为开展病原菌的群体遗传结构解析、无毒基因克隆、无毒基因进化等研究提供重要的素材。