马铃薯晚疫病菌无毒基因的变异及分子进化机制

了解病原菌的变异特点是控制植物病害的基础，而无毒基因的变异是病菌毒性变异的分子基础，病菌在与寄主的长期协同进化过程中，往往会通过对无毒基因的改变，逃避寄主识别，最终对寄主产生致病性。因此，了解无毒基因的变异及分子进化机制对认识病菌致病性及其变异的分子机制具有重要价值。本项目是基于申请人前期的工作-明确了无毒基因Avr3a的变异规律的基础上，通过比较马铃薯晚疫病菌的交配型、中等重复的微卫星（SSR）位点和无毒基因位点的空间遗传变异特点，明确晚疫病菌的进化史和进化压力，通过大量比较晚疫病菌无毒基因Avr3a上、下游区域及包括线粒体DNA和核DNA序列，明确无毒基因Avr3a在进化过程中变异的机制；利用标记释放回捕技术实验明确晚疫病菌无毒基因Avr3a进化的可能机制，提出无毒基因分子进化的假说，可以为寻找新的防病措施、培育和有效利用持久抗病的品种和制定病害持续治理的策略提供理论。

植物病原菌毒性的变异特点是寄主与病原菌间互作的关键，而无毒基因的变异是病原菌毒性变异的分子基础，要对病害进行有效防治，就必须深入了解病原菌无毒基因变异规律及其演变的分子机制。本项目从不同地理来源上分离的153个晚疫病菌为材料，应用PCR的方法克隆无毒基因Avr3a序列，通过比对其核苷酸和氨基酸组成，明确其多态性及变异特点，无毒基因Avr3a编码含147个氨基酸的外泌蛋白，氨基酸序列在第19、80和103位的3个氨基酸位点存在着差异，含Avr3a C19-K80-I103的菌株表现出对于含有R3a马铃薯的无毒性，而携带avr3a S19-E80-M103表现为毒性菌株，这些核苷酸序列差异以及某些关键氨基酸的改变是导致菌株中Avr3a毒性变异的原因。对无毒基因Avr3a分子进化的分析结果表明，无毒基因Avr3a属于瓶颈效应后伴随着迅速的种群成长与突变的积累的第二类扩张事件，说明该无毒基因在进化过程中具有很强保守性；无毒基因Avr3a单倍型网络图(Haplotype networks)分析结果表明，在不同寄主间存在差异，个别单倍型为不同寄主特异，表明了不同样本单倍型的亲缘关系；对10个基因位点进行重组位点分析结果表明，只有Avr3a基因找到一个显著的重组位点，该位点位于161个碱基位置附近；无毒基因Avr3a核苷酸错配分布曲线(mismatch distribution)均呈单峰的泊松分布，且Tajima D中性检验显著偏离中性突变说明群体经受扩张或持续增长；在选择或群体中有微小分离的有害突变也可能是由于群体扩张所引起。同时，利用标记释放回捕技术(mark-release-recapture),从表现型和基因型水平上分析无毒基因Avr3a进化分子机制，通过接种不同基因型晚疫病菌发病后共回捕获561个菌株，结果表明接种菌株比回捕分离得到菌株多态性低，不同群体间的遗传多样性有一定差异，但群体内变异占绝对优势，马铃薯品种复杂的比品种简单的分离得到的晚疫病菌群体遗传多样性低。这些研究结果可以为寻找新的防病措施、培育和有效利用持久抗病的品种和制定病害持续治理的策略提供理论。. 本项目研究先后共发表文章8篇（SCI收录2篇，其中1篇已接收待发表），会议论文2篇，整理拟投稿论文2篇，授权国家发明专利2项，培养研究生4名。