我国南方与东北稻区稻瘟病菌群体致病型动态比较

Rice blast caused by Magnaporthe oryzae is an important disease threatening the Chinese national security in food supply. The pathogen populations are highly diverse and variable. The new prevailing virulent races have been considered to be responsible for the resistance breakdown of resistant rice cultivars shortly after they had been grown widely. However, how the pathotypes and genotypes in pathogen populations change in time and space remains unclear. We here propose a new approach to study the spatio-temporal dynamics of rice blast pathogen populations by integrating the methods used in molecular plant pathology, conventional epidemiology, GIS and geostatistics. We will select three sites each in southern and northeastern rice production areas in China. The susceptible cultivar LTH will be planted in the six sites, diseased samples will be collected from LTH at seedling and late flowering stages and mono-conidial isolates will be obtained from these samples in the laboratory. The pathotypes of the isolates will then be determined based on their reactions on susceptible cultivar LTH and 24 monogenic-lines by inoculating detached rice leaves with conidial suspension of the isolates, and the genotypes of the isolates will be determined via Genotyping-by-sequencing approach. Then, we will analyze the spatio-temporal dynamics of the pathotypes and genotypes,explore methods for predicting the frequency changes of avirulence genes in the pathogen populations for durable deployment of resistant cultivars.

稻瘟病是威胁中国粮食安全的一个主要病害。病菌群体遗传结构复杂且易于变异，经常导致水稻抗瘟品种推广后很快丧失其抗性。尽管合理利用抗瘟品种需要稻瘟病菌群体无毒基因频率的信息，但是目前国内外对稻瘟病菌群体致病型和基因型在时间上和空间上的变化规律了解得还很少。本项目拟结合分子植物病理学，传统流行学，地理信息系统的分析方法来研究稻瘟病菌群体动态。首先，我们将在江南丘陵和东北稻区各选3个稻瘟病常发地点种植感病品种丽江新团黑谷（LTH），于苗期和扬花后期采集其自然发病的叶片或穗颈，带回实验室进行分离以获得稻瘟病菌单孢菌株。然后，用划伤接种离体水稻叶片的方法测定每个单孢菌株在LTH和24个单基因系上的反应型，并用测序法对各菌株进行基因分型。分析比较两稻区稻瘟病菌群体致病型和基因型在时间和空间上的变化规律，探索预测稻瘟病菌群体中无毒基因频率变化的方法，从而为优化抗瘟水稻品种的空间布局和轮换提供指导。

本项目旨在对我国水稻上最重要的病原，稻瘟病菌的变异和进化进行全方位的分析，以期更有效地利用目前为止最经济有效而又环保的稻瘟病防控措施-抗病品种。我们从南方稻区和东北稻区的大田栽培品种以及试验田感病品种丽江新团黑谷和蒙古稻上分离获得了共计4185个稻瘟病菌单孢菌株。我们中选取740株代表菌株,在24个水稻单基因系上进行了离体叶片划伤接种分析了其致病型。我们选取了310个代表菌株进行全基因组重测序分析，目前完成了59株稻瘟和草瘟病菌重测序和数据初步分析。完成了1083个菌株中无毒基因Avr-Pik的PCR扩增、测序和空间分布分析，另外约1000个菌株的无毒基因测序尚在进行中。.接种结果显示，我国各稻区稻瘟病菌群体的致病型多样性非常丰富。根据结果推测不同年份、地点及水稻品种的病菌群体间无毒基因频率都有差异；无毒基因间是否出现不是互相独立的，有些无毒基因间存在显著的关联关系。基因组重测序结果表明，不同地区的稻瘟病菌基因组序列间差别小于稻瘟和草瘟病菌间差异；稻瘟病菌DNA变异位点在染色体上分布很不均匀，以1号染色体上频率最高，且在染色体的两端高、中间较低；变异位点最丰富的基因是信号传递、分子传感器和受体等三大类基因。无毒基因Avr-Pik的PCR扩增和测序分析显示，Avr-Pik在我国南方稻区稻瘟病菌中普遍存在，其中最普遍的Avr-Pik基因型有以及DE、E、D和AD型。E型和DE杂合型在我国南方稻区分布最为广泛。不同基因型的Avr-Pik在南方稻区不同省份的分布存在明显差异，华中的湖南、江西等地基因型多样性最高。研究结果对理解稻瘟病菌的变异和进化有重要理论意义，对更为有效地利用抗病品种防治稻瘟病有应用价值。.