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当前真菌植物病害频发，严重威胁农业生态系统和粮食安全，其中小麦秆锈菌（Puccinia graminis f.sp. tritici，Pgt）危害巨大。研究人员开发了基于纳米孔测序的 Pgt 分型平台（MARPLE）。该平台能快速分型 Pgt 菌株并监测杀菌剂敏感性变化，有助于防控 Pgt 病害。
在广袤的农田里，小麦作为全球重要的粮食作物，养活了无数人口。然而，一种名为小麦秆锈菌（Puccinia graminis f.sp. tritici，Pgt）的真菌却如潜伏的恶魔，严重威胁着小麦的产量和质量。近年来，真菌植物病害爆发的规模和频率不断增加，Pgt 更是从农业诞生之初就开始威胁小麦生产。新的 Pgt 菌株持续出现，通过无性夏孢子的空气传播迅速扩散，常常突破新受影响地区主要作物品种的抗性，引发大规模病害爆发。例如，2013 - 2014 年，埃塞俄比亚因一种 “新” 的 Pgt 小种入侵，全国小麦产量损失至少 15%。面对如此严峻的形势，开发一种即时、实时的 Pgt 基因分型平台迫在眉睫。
为了解决这一难题，来自 John Innes Centre、Kenya Agricultural and Livestock Research Organization 等多个机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》上，为防控 Pgt 病害带来了新的希望。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是比较基因组分析，对 86 个全球 Pgt 分离株的基因组和转录组数据进行分析，筛选出多态性基因。然后运用引物设计技术，针对目标基因设计特异性引物。在测序环节，利用 MinION 纳米孔测序仪对样本进行测序。最后通过生物信息学分析，构建系统发育树，确定 Pgt 分离株的遗传关系。
研究结果如下：
- 全球 Pgt 分离株的遗传多样性：通过对 165 个全球 Pgt 数据集的分析，发现全球 Pgt 分离株高度多样化，可分为 12 个不同的遗传组。这些分离株在地理上广泛分布，且部分遗传组的菌株出现了复苏现象。
- 多态性基因用于定义 Pgt 谱系：评估了已有的 Pst 多态性基因集，发现基因长度和扩增成功率的关系，确定了选择 Pgt 标记基因的标准。经过筛选，确定了 392 个高度多态性的 Pgt 基因，其中 276 个基因的序列足以区分 Pgt 谱系。
- 276 个 Pgt 基因的特征：这些基因均匀分布在 Pgt 基因组中，大多编码功能未知的蛋白质。其中一些基因编码的蛋白质具有水解酶活性，部分还可能是效应蛋白。
- MARPLE 诊断平台的应用：在肯尼亚和埃塞俄比亚对 Pgt 感染的小麦样本进行检测，结果表明该平台能在资源有限的地区快速将样本分配到已知的 Pgt 小种组，且基因扩增效率高。
- 杀菌剂靶基因的整合：将杀菌剂靶基因（Cyp51、SdhA、SdhB、SdhC 和 SdhD）整合到 Pgt MARPLE 诊断平台，优化了引物池，能够检测与杀菌剂敏感性相关的突变。
研究结论和讨论部分指出，该研究开发的 Pgt MARPLE 诊断平台是首个可直接从田间采集的 Pgt 感染小麦样本进行菌株水平诊断的便携式系统，能在 2 天内得出结果。同时，该平台监测杀菌剂靶基因的突变，为杀菌剂敏感性下降提供早期预警，便于及时干预。此外，该研究为其他复杂真菌威胁的诊断和监测平台开发提供了框架，随着先进的基于基因组的诊断工具越来越多地融入国家监测计划，有望减少 “谷物杀手” 造成的巨大损失。
