亚洲大豆锈病真菌Phakopsora pachyrhizi在美国的独特谱系：基因组学揭示与巴西种群无关的进化路径

（编辑推荐）本研究通过外显子捕获测序技术解析亚洲大豆锈病病原菌Phakopsora pachyrhizi的全球群体结构，首次发现美国种群形成独立于南美谱系的独特mt单倍型（mt-haplotype III），并报道了南美外首例与杀菌剂耐受相关的Cytb基因F129L突变。研究推翻"飓风传播假说"，为病原跨洲际传播机制和抗性管理提供新见解。

　　

引言

全球粮食安全正面临植物病原体的严峻威胁，其中亚洲大豆锈病（ASR）由专性活体营养真菌Phakopsora pachyrhizi引起，每年造成数十亿美元损失。传统观点认为2004年美国大陆的ASR爆发源自南美飓风传播，但缺乏基因组证据支持。随着P. pachyrhizi高质量基因组（1.25Gb，93%转座元件）的破解，外显子捕获测序技术为解析其群体进化提供了新工具。

研究方法

团队设计特异性探针捕获8437个表达基因（占转录组83%），对84个田间样本（涵盖五大洲）进行测序。通过比对台湾72-1分离株线粒体基因组（31.8kb）和核基因组SNP（33,634个），结合KASP基因分型验证关键突变。数据分析采用DAPC群体结构分析、最大似然法系统发育树构建及连锁不平衡（LD）衰减评估。

线粒体单倍型揭示地理隔离

线粒体基因组分析发现四个主要mt单倍型：

• mt-haplotype II：95%南美样本携带Cytb基因F129L突变（与QoI类杀菌剂耐受相关），首次在乌干达样本中检测到该突变

• mt-haplotype III：美国种群特有，含7个独特多态位点，与日本K1-2（野葛宿主）和澳大利亚AUS1分离株共享Cytb同义突变

• mt-haplotype I：非洲主导型

• mt-haplotype IV：日本特有

KASP标记COB2_2（16,801位点）验证2017年美国样本仍保持III型单倍型，而波多黎各样本呈现南美II型特征。

核基因组揭示美国谱系独立性

系统发育分析显示：

• Clade 1：南美与非洲群体（支持非洲起源假说），LD₅₀¹衰减距离~100kb

• Clade 2：美国群体（杂合率17.2%-28.0%），LD₅₀¹达228kb，与Clade 1遗传距离显著（bootstrap>80%）

• Clade 3/4：日本K1-2和澳大利亚AUS1形成独立分支

值得注意的是，美国群体在核基因组中呈现更高杂合度，可能与野葛宿主的适应性进化或罕见体细胞杂交有关。

讨论与展望

研究推翻单一南美起源假说，提出美国种群可能通过夏威夷途径独立传入。93%基因组转座元件（TEs）可能驱动无性繁殖下的变异积累，而体细胞菌丝融合现象（hyphal anastomosis）或促进核基因组重组。开发的KASP标记为田间抗性监测提供工具，未来需关注：

1. 转座元件在毒性变异中的作用

2. 野葛-大豆宿主转换的分子机制

3. 气候适应性进化规律

该研究为理解锈病病原跨大陆传播提供了范式转变，对制定区域化防控策略具有重要指导意义。