定量抗性部署通过选择不适配病原菌株加剧多年生植物流行病发展

这篇研究通过建立群体遗传-流行病耦合模型，揭示了多年生植物中定量抗性（Quantitative Resistance）部署的悖论效应：高效抗性（>99.99%）可抑制流行病并促进病原菌（如Hymenoscyphus fraxineus）宿主专化，而部分抗性（60%-89%）可能因选择中间适应度病原株（Z值偏离ΘS/ΘR最优值）延长宿主感染期，反而增加接种体压力（inoculum pressure）和宿主死亡率。研究创新性关联了病原体内增殖（within-host multiplication）与传播（between-host transmission）的机械反馈，为多年生作物（如灰枯病菌宿主）抗性管理提供预警。

　　

研究背景

植物病害管理常依赖定量抗性（Quantitative Resistance, QR），但其部署对病原进化的影响尚不明确。本研究针对多年生植物（如欧洲白蜡树）系统，开发了空间显式的群体遗传-流行病耦合模型，模拟病原（如Hymenoscyphus fraxineus）在异质宿主景观中的适应性演化。

模型构建

模型核心包含三个创新模块：

1. 宿主景观：2500-10000株多年生植物（K=20-40个区室）构成空间矩阵，含不同比例的抗性（Θ_R=6）与感病（Θ_S=0）宿主。
2. 病原定量性状：感染策略（Z）由10个QTLs控制，服从加性遗传（h²=0.86），其适应度遵循稳定选择模型p_λ(Z)=exp[-(Θ_λ-Z)²/ω²]，其中ω决定抗性效率（30%-99.99%）。
3. 生活史关联：病原通过有性繁殖（x=12-32孢子/交配）扩散，其宿主内增殖速度直接关联传播力，形成 virulence-transmission trade-off。

关键发现

1. 高效抗性的保护作用：

• 抗性效率>99.99%时，病原群体分化为宿主专化型（Q_ST>0.8），流行病严重度显著降低。例如，18%抗性宿主即可使健康区室比例从17%（全感病）升至72%。
• 空间显性分析显示，抗性宿主作为"孢子陷阱"（spore sink）阻断传播链。

1. 部分抗性的悖论效应：

• 中等抗性（60%-89%）导致病原中间适应（Z≈3），延长宿主存活期（感染宿主死亡率从100%降至77%），反而增加累积接种体压力。
• 典型情景：当首例感染为抗性宿主且抗性比例<80%时，50年后健康区室比例反低于全感病群体（图2）。

1. 进化动力学机制：

• 强选择（高效抗性）驱动双峰表型分布，形成宿主专化；弱选择（部分抗性）导致单峰不适配（图6）。
• 病原载量-传播耦合是关键：简化模型（去耦合）中悖论效应消失（图S4）。

应用启示

1. 监测预警：抗性品种引种需警惕"首例感染源为抗性宿主"的高风险场景。
2. 抗性设计：针对Diplodia sapinea等病原，应优先开发近完全抗性（ω<1），避免中等效率抗性的潜在风险。
3. 模型扩展：需进一步整合植物恢复机制、无性繁殖病原及自然更新群落动态。

该研究为理解QR的进化生态学后果提供了新范式，揭示了传统"抗性越多越好"策略在多年生系统中的潜在陷阱，对森林病害管理（如白蜡树枯梢病）具有直接指导意义。