中国小麦白粉病菌21-2株系染色体水平基因组组装及关键毒力因子鉴定

本研究针对中国小麦白粉病菌（Blumeria graminis f. sp. tritici, Bgt）毒力变异分子机制不明的问题，通过整合Illumina/PacBio/Nanopore/Hi-C技术完成中国强毒株系21-2的染色体级别基因组组装（136.19 Mb），鉴定出1,569个致病相关基因（含998个效应因子）。研究发现中瑞菌株毒力谱差异源于效应基因组成/序列变异（如AvrPm1a、AvrPm3a2/f2位点突变），并通过转录组揭示64个吸器发育阶段高表达效应因子，其中Bgt008280.1经分子对接和Y2H验证可靶向小麦TaVPH35蛋白。该研究为解析中国Bgt群体毒性演化及小麦抗病育种提供关键资源。

　　

小麦白粉病是全球小麦生产的毁灭性病害，在中国年均造成14.9%的产量损失。其病原菌Blumeria graminis f. sp. tritici（Bgt）作为专性活体营养型真菌，具有复杂的毒力变异机制。尽管欧洲菌株（如瑞士96224）已有染色体级别基因组，但中国Bgt群体因地理隔离呈现独特毒力谱（如对Pm1a、Pm3b等抗病基因的高毒性），其毒力演化分子基础尚不明确。更关键的是，缺乏中国菌株高质量参考基因组严重阻碍了致病相关基因的功能解析。为此，中国农业科学院团队通过多组学技术解析中国强毒株系21-2，相关成果发表于《Current Research in Microbial Sciences》。

研究采用Illumina短读段、PacBio/Nanopore长读段结合Hi-C染色体构象捕获技术完成基因组组装，利用BUSCO评估完整性，通过同源比对和de novo预测注释效应因子、CAZymes（碳水化合物活性酶）等致病基因。比较基因组采用MUMmer/LASTZ检测SNP/InDel，OrthoFinder分析直系同源群。转录组分析涵盖分生孢子、附着胞、吸器（24/36/48 hpi）、菌丝和分生孢子梗等6个发育阶段，通过FPKM量化表达并筛选差异基因。关键效应因子功能通过系统进化、分子对接及酵母双杂交（Y2H）验证，实验材料包括小麦鉴别寄主和感病品种"Chancellor"。

3.1. 毒力表型分析
接种21个含单Pm基因的小麦鉴别寄主后，中国株系21-2比瑞士96224呈现更广毒力谱，对Pm1a、Pm3a、Pm3b等9个抗病基因表现毒性，预示其携带更多毒力效应因子（图1A）。

3.2. 基因组组装与评估
整合多平台测序数据获得136.19 Mb染色体级别组装（11条伪染色体+未知染色体），Contig N50达1.40 Mb。重复序列占76.6%（以逆转录转座子为主），预测9,215个蛋白编码基因。BUSCO完整性达94.8%（子囊菌数据库），Merqury质量值>55证实组装高精度（表1）。

3.3. 比较基因组揭示变异热点
与瑞士96224基因组比对显示：①染色体存在大片段缺失（着丝粒区域）及4,745处结构变异（SV）；②鉴定387,946个SNP和25,222个InDel，其中5,651个非同义突变（nsSNP）；③效应因子中nsSNP富集显著（p=0.000），证实其受正向选择；④发现233个21-2特有基因，包含5个效应因子（图2B-E）。关键毒力基因AvrPm1a、AvrPm3^b2/c2等存在氨基酸替换（如AvrPm3^b2/c2的N→D突变），导致毒力表型变异（表3）。

3.6. 致病基因表达动态
转录组聚类将1,569个致病相关基因分为5类：效应因子在吸器发育阶段（Cluster 2）和侵染早期（Cluster 4）特异性高表达（图3）。其中64个效应因子在吸器形成期（24-48 hpi）持续高表达（FPKM>1000），20个经qRT-PCR验证（图5）。这些蛋白多含Y/F/WxC motif（如YxC），包括Bgh关键效应因子同源物Bgt008280.1（图6A-B）。

3.8. 效应因子靶标互作验证
分子对接显示效应因子Bgt008280.1与小麦内质网DnaJ蛋白TaVPH35结合能（-80.57 kcal/mol）强于其大麦同源互作（HvERdj3B-CSEP0008, -44.24 kcal/mol）（图6C-F）。Y2H证实Bgt008280.1结合TaVPH35的142-231氨基酸结构域（图7），预示其通过干扰宿主蛋白折叠抑制免疫反应。

该研究首次提供中国小麦白粉病菌染色体级别参考基因组，揭示地理隔离导致效应因子库变异是中瑞菌株毒力差异的核心机制。定位的64个吸器阶段关键效应因子为毒力功能研究提供靶标，其中Bgt008280.1-TaVPH35互作模型的解析为开发阻断病原侵染的新策略奠定基础。研究成果对理解中国Bgt群体毒性演化规律、指导抗病基因合理布局及创制持久抗病品种具有重大意义。