小麦叶枯病菌（Zymoseptoria tritici）淡季有性生殖：晚期相遇的交配机会有限

《Fungal Genetics and Biology》：Off-season sex in Zymoseptoria tritici: little room for late encounters

本文聚焦于小麦叶枯病菌(Zymoseptoria tritici)有性生殖的边际过程，创新性地探讨了病原菌在活体植株（流行期）与死亡残体（流行间歇期）上的交配可能性。研究发现，即使无毒力菌株在抗性寄主上不引发症状，仍可参与有性生殖；但关键在于，菌株在死亡组织上的“晚期相遇”虽能成功交配，其对后代群体的贡献却微乎其微（<2%）。这一发现对理解病原菌种群进化及制定靶向有性生殖阶段的病害管理策略（如秸秆处理、品种布局）具有重要启示。

　　

Highlight

主要结果

主要结果是，一个较晚到达死亡寄主组织的小麦叶枯病菌(Zymoseptoria tritici)菌株，仍然可以与先前已定殖在植株上的相容菌株交配；然而，如果两个菌株都在植株干燥后才到达，则有性生殖便不会发生。定量分析表明，尽管在小麦残体上由晚期相遇引发的交配是可能的，但它们对总的后代群体贡献甚微（<2%）。我们讨论了这一发现对病害管理的流行病学意义，强调了其引发的基础和应用层面的问题。

引言

植物病原性子囊菌的有性生殖在许多方面仍然是个谜团，无论是其生理决定因素还是其流行病学后果。一些模式子囊菌（例如粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)）有性生殖期间的生理机制已被描述，但对于活体营养型和半活体营养型植物病原体而言，其与寄主植物的相互作用仍知之甚少。其影响是显著的：从质上讲，它通过基因重组创造新的等位基因组合，在塑造种群结构方面起着关键作用；从量上讲，它有助于产生生存结构和初侵染源，这对于病害的周年复发至关重要。然而，关于有性生殖更微妙的定性影响——那些源于冠层水平特定流行病学过程驱动的选择压力——的研究仍然有限。在农学导向的学术研究中，有性生殖常常因其带来的实验挑战而被回避。此外，有性生殖很少在作物管理策略中被讨论，因为其对农业系统的影响是间接的——或者至少看起来是如此。

小麦叶枯病(Septoria tritici blotch, STB)由异宗配合的子囊菌Zymoseptoria tritici引起。在欧洲，管理这一主要病害是一项重大挑战。有性生殖对于Z. tritici的作用可围绕两个关键点来理解：首先，性在病害的多年复发中扮演关键角色，通过在感染的秸秆残体上产生数量不等的STB接种体，这些接种体对于启动和驱动生长季早期的流行病至关重要。除了这种数量效应，性还对病原菌种群的进化动态产生质的影响——特别是通过改变种群特性，这些特性由感兴趣的等位基因的频率和组合所驱动，这些等位基因参与使病原菌能够克服寄主抗性基因和降低杀菌剂处理效果的选择过程。尽管如此，针对病原菌生活史有性生殖阶段的策略在当前STB管理实践中基本缺失。然而，对于流行间歇期——这是充分利用生态农业方法的关键阶段——所发生的事件，尚未得到足够关注，我们对此阶段的流行病学过程的整体理解仍然有限。特别是，关于病原菌与寄主植物之间的相互作用（无论是基因对基因的毒性/抗性相互作用还是更复杂的动态）如何抑制或促进有性生殖，我们知之甚少。

生理和流行病学过程常常被分开研究——部分是因为这在概念上更便利，也由于连接两者的生物学知识有限。这种分离有其优点：它允许简化建模，并有助于识别显著塑造我们旨在理解的病理系统行为的主导过程。然而，这种方法也有其缺点。通过独立对待这些过程，我们有可能忽视所谓的“少数”机制——那些可能在数量上处于边缘，但在特定背景下可能限制我们推进对相互作用生物学理解能力的机制。这个问题对于Z. tritici的有性生殖尤为相关，它提出了几个基本但重要的问题：涉及哪些类型的菌株？在什么条件下？以及带来什么后果？

从流行病学的立场——即考虑一个过程在流行病过程中所扮演的角色——来看，Z. tritici的有性生殖传统上被认为仅发生在作物残体上。因此，人们假定它不会干扰小麦生长季内STB的发展。然而，现在已知这要么是不正确的，要么充其量是一种过度简化，因为有性生殖也已在活体植株的下部叶片上被观察到。其决定因素是什么？影响又是什么？迄今为止，尚无明确答案。从生理学的立场来看，Z. tritici的有性生殖通常被视为一个次要阶段，甚至是在单个小麦叶片组织的尺度上，并且假定仅在无性生殖发生之后才进行。这一假设基于一种观点，即只有无性侵染阶段——特别是在像STB这样的半活体营养病理系统中——才允许菌株共存，如果它们是相容的（即交配型相反），则可能随后导致有性生殖。然而，最近的研究挑战了这种双重观点。各种杂交方案也探索了无性阶段相容或不相容的相互作用如何影响有性生殖的结果，并且现在已知，至少对于参与有性生殖的两个亲本菌株之一来说，有症状的无性侵染阶段并非先决条件。无毒力菌株可以在抗性寄主植物上进行有性生殖，即使它们在活体营养阶段不引起任何可见症状——换句话说，两个无毒力菌株可以交配。这与最近关于无毒力真菌在叶表定殖的研究结果以及经验证据（表明无毒力菌株在共侵染中受益于毒性菌株的存在，利用后者对寄主防御的抑制来感染受损的植物）是一致的。这两种机制可以解释毒性和无毒力菌株的共存，理论上在它们随后杂交之前，只有其中之一能够成功侵染。总而言之，这些经验发现重塑了Z. tritici——以及可能许多其他座囊菌纲真菌——的种群遗传学基线。这一观点值得被植物病理学界更广泛地整合，尽管它代表了对既定教条的转变。

本实验研究的目的是加深我们对Z. tritici有性生殖过程的理解，特别关注在植株尺度上，流行期（在活体植株上）和流行间歇期（在作物残体上，有性生殖形成初侵染源）之间运作机制的（解）耦合。我们旨在确定两个菌株是否能够在小麦残体上发生晚期接触后成功交配，而不是在活体植株上发生较早的相互作用时交配。

Section snippets

整体实验策略

实验策略旨在测试两个Z. tritici菌株当它们在被认为是残体的死亡小麦组织上发生晚期接触时是否能够交配（图1）。通过实施一个杂交计划来评估这一情景，并将其与其他情景进行比较，同时考虑了STB有性生殖的三个关键（已知或疑似）决定因素。这些因素包括：(i) 亲本菌株的性相容性，(ii) 寄主与病原体之间的相容性。

作为无性阶段菌株-品种相互作用性质指标的STB严重度水平

通过对用作对照的单菌株接种后STB严重度（有无症状）的定性评估，验证了六个Z. tritici亲本菌株对两个品种的毒性状态。所有菌株在Apache品种上均引起症状，而只有四个毒性菌株在Cellule品种上产生症状（图S1）。菌株（单独或共同接种）的毒性状态的影响在数量上也很明显，表现为严重度水平的差异。

在活体成株上杂交成功，包括在抗性品种上的无毒力菌株

我们的结果与先前使用相同方法且仅在活体成株上接种的研究一致。所有由在活体成株上同时共同接种产生的杂交都是成功的，包括那些其中一个菌株对小麦品种无毒的杂交。后代被回收，并且对一部分后代的基因分型在大多数情况下证实它们源于两个接种的亲本菌株之间的重组。

生成式AI在科学写作中的声明

在准备本工作的过程中，作者使用了ChatGPT来提高稿件的可读性和语言。作者彻底审阅、编辑并批准了最终文本，并对已发表文章的内容承担全部责任。

研究数据

用于分析的研究数据可在补充表S1和S2中获取。

作者贡献

FS开发了主要概念框架，领导了项目，设计了实验，并在MD和SLP的参与下进行了数据分析。FS、MD和SLP进行了植物体内实验，而SLP和AC进行了基因分型。FS在咨询所有作者的情况下撰写了稿件。

作者按贡献降序排列。FS开发了主要概念框架，领导了项目，设计了实验，并在MD和SLP的参与下进行了数据分析。

CRediT作者贡献声明

Frédéric Suffert： 写作-审阅和编辑，写作-初稿，验证，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。Manon Delanoue： 写作-审阅和编辑，验证，方法论，数据管理。Stéphanie Le Prieur： 资源，方法论，数据管理。Alicia Noly： 资源，方法论。

资金来源

本研究由植物育种支持基金(FSOV PERSIST项目；2019–2022)资助。BIOGER实验室还获得了Saclay Plant Sciences-SPS (ANR-17-EUR-0007)的支持。

利益冲突声明

作者声明，本研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。