每周文献|小麦白粉病扩展与全球贸易

人类活动与病原物的扩散息息相关。驯化和育种事件会加速病原物群体扩张。小麦白粉病是由白粉病真菌(Blumeria graminis f. sp. tritici)引发的严重病害，每年可造成7.6%-19.9%的产量损失。白粉病菌随着小麦驯化一同出现在新月沃地，并通过风媒传播扩散到欧亚大陆和美洲。但是人类贸易在其中也起到了重要的推动作用，本文将会阐述小麦驯化和人类贸易对白粉病菌进化的影响。

文章信息

• 题目：Global genomic analyses of wheat powdery mildew reveal association of pathogen spread with historical human migration and trade
• 期刊和时间：Nature Communications，2022.7
• 作者和单位：通讯作者来自瑞士苏黎世大学植物与微生物学系的Thomas Wicker教授。

主要结果

• 利用172株来自世界各地的白粉病单株，追溯白粉菌发源地和扩散路线。
• 找到了小麦白粉菌与其他霉菌多次杂交的直接证据。
• 发现人类的迁徙和贸易自始至终都是小麦病原物扩散的推动者。

研究结果

1.小麦白粉菌种群结构

作者收集了来自五大洲13个国家的172份白粉菌菌株（Fig1A）。本研究测定了其中76份，测序的深度在20-167X。在新测序的品种中69份是六倍体小麦侵染专化型，7份是四倍体小麦侵染专化型。所配置的白粉菌群体中能保证每个地理群体拥有至少八个个体，且交配型符合50/50，说明群体性别比例均衡。

利用平均45X的重测序数据call snp，作者简要分析了indel的分布，snp质量与可变等位的相关性等信息。利用质控并去除了LD的172个株系SNP进行简单错配主成分分析，显示出很好的地理分群。第一主成分区分了地区，第二主成分区分了四倍体专化型和六倍体专化型（Fig1B）。进一步作者发现刨除掉四倍体专化型之后，剩余160个菌（Fig1C）呈现出更强的遗传与地理分布相关性，即临近地区菌株的snp类型彼此靠近。ADMIXTURE结果（Fig1D）显示白粉菌分群为7-8个群体(更可能是7)。随后作者根据东亚遗传组分的占比将CHN群分为（CHNa，祖先群；CHNh，假定的东亚与欧洲祖先的杂交群，杂交组分>8%），还有两个中国种中以色列遗传比重很大。说明中国种的遗传成分较为复杂。而日本种中中国组分和美澳组分较多，可能是由中美澳三种混合杂交而成。

Fig1|白粉菌样品地理分布，主成分分析及分群展示。

很有意思的一点，主成分分析图里能看到美国和澳洲的白粉菌聚在了一起，可谓难舍难分。如果美澳都有本地的白粉菌，那么经历长期的自然选择和群体隔离二者的点应该相聚甚远。能解释这种现象的原因就是二地的菌是由一方带到另一方的。在遗传学水平暂时还无法区分是哪方带到哪方，作者在这里罗列了历史，小麦在1600-1700传到美国，在1788年传到澳洲，时间上更可能是美国到澳洲。此外作者查阅资料发现在美洲存在远缘禾本科霉菌，如果是澳洲传到美洲，则这部分白粉菌会经历更强的自然选择（需要与本地种竞争）。不过归根结底也是作者推论，白粉菌在美澳之间互相贸易来回传也说不准，也可能是近期贸易传播导致的采样偏差·。

2.Mantel test与dbMEM检测遗传距离与地理距离的关联

在上述结果的基础上，作者深入研究了白粉菌洲际间传播的因素。首先想到的传播因素便是风媒传菌。风媒传菌会形成基因交流条件，使菌之间遗传差异减小。因此作者使用了Mantel test检验遗传距离与地理距离之间的关系（Fig2A），并用dbMEM进一步验证结论。两个测试检测到白粉菌在地理距离和遗传距离上有强相关性。说明风不是推动白粉菌传播的因素。

Fig2A|白粉菌按地理分群进行Mantel test，检测地理距离与遗传距离相关性。小图左下角的数分别代表相关性和相关性的p值。 Supp Fig8|白粉菌按地理分群进行dbMEM，检测地理距离与遗传距离相关性。分别以简单错配，Bray-Curtis，Nei法估计遗传距离。圈越大代表越相关。黑色表示正相关，白色表示负相关。

Mantel test是生态学领域用以估计遗传距离与地理距离相关性的常用测试。其原理是检测两个矩阵的相关性。所研究的物种群体两两配对计算可以分别产生地理矩阵和遗传距离矩阵。将二者作为Mantel test输入即可求得两个变量的关联。
dbMEM相较于Mantel test在检测相关性上更敏感，在文中作者使用Mantel test初步捕捉相关性之后，进一步补充了dbMEM以更敏感地捕捉地理距离和遗传距离的相关性。

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3.探索白粉菌的发源地

由于六倍体小麦起源于新月沃地，白粉菌很可能也随之发源于此。根据瓦维洛夫作物起源学说，物种的发源地预期会有更大的多样性。因此作者估计了以色列地区白粉菌的物种多样性π。不出所料白粉菌遗传多样性最高的地区是中东地区，其次是欧洲。

Fig2B|白粉菌多样性计算，四个纵坐标值分别表示用去掉和没去掉LD的SNP计算的群内简单错配距离，群内全基因组多样性pie以及群内多样性估计值Theta（4Neu）

为了进一步探究群体的关系，作者基于简单错配距离构建了系统发育网络。使用黑麦，大麦和野草的霉菌作为外群。构建得到的系统发育网络显示以色列菌株位于所有网络分枝的最基部，最接近外群祖先。同样表明中东地区是白粉菌祖先可能的发源地。

Fig2C|白粉菌群体系统发育网络

系统发育网络区别于系统发育树。当所研究物种之间存在着杂交，水平基因转移，重组和基因重复事件时，建议采用系统发育网络的方法代替树。最终目的仍然是可视化进化关系。此外系统发育网络一定程度可以反映种间的渗入和基因流，以推断杂交事件。

4.白粉菌有效群体大小动态变化和迁徙模式

在系统发育网络的基础上，作者希望探究群体规模的动态变化，使用MSMC方法重建了白粉菌的历史有效群体并研究其动态。使用rCCR评估白粉菌发生的种群分歧事件。结果显示来自美阿的白粉菌Fst与其余种相差很大，但多样性很低。暗示了可能发生的奠基者效应或瓶颈效应。二者都源自亚欧大陆种（Fig3B）

侵染四倍体小麦白粉菌专化型在起始有最高的种群规模（Fig3A）。随后的群体交叉聚集分析显示了白粉菌各亚群共祖事件：在大约3k-5k代以前，白粉菌四倍体专化型群体与欧亚大陆群体出现分化（Fig3B）。其原因可能是8000年前六倍体小麦的诞生和推广，限制了四倍体小麦专化型和六倍体小麦专化型白粉菌基因流交流，进而造成了群体分化。

Fig3|白粉菌有效群体大小动态变化趋势

特别注意的是在所有的白粉病有效群体中，近50-100代都有了显著的群体规模下降，这可能是由于20世纪50年代起现代育种技术的进步，抗性基因的选育和杀菌剂的使用对白粉菌产生了选择压，进而造成了瓶颈效应。但可怕的是大部分白粉菌有效群体规模在减少之后，在近期又出现了明显的反弹。可能是白粉菌逐渐适应了现代新型栽培种。

5.南北美洲白粉菌经历了远缘杂交

上述分析可知南北美洲的白粉菌经历了重组事件，如果远缘杂交发生，那么在美阿白粉菌中就会有和祖先菌基因组共有的序列变异。因此，基于等位基因频谱作者对南北美菌株测试了25个基因流统计学模型。其中大部份模型表明美国菌与四倍体专化型经历了基因流（Fig3C）。可见杂交对于霉菌适应美洲环境起到了重要的作用。

6.中国和日本白粉菌中发生的杂交事件

Fig1中的群体结构分析暗示了中日白粉菌群体也经历了重组事件。当霉菌杂交时，后代基因组呈现出类似双亲的马赛克染色体片段。越重组双亲的染色体片段就会越碎片化，反之使菌回交会导致另一亲本碎片化片段减少。为了测试杂交假说，作者检索了日本菌群染色体片段上可能的双亲区域。结果显示一半的SNP源于美国，另一半源于中国（Fig4A）。此外TreeMix分析也显示美澳群迁移到了日本，中国群也向日本发生了类似的迁移（Fig4D）。

此外，Fig1中中国群体CHNh也显示了双亲混合的趋势。仿照日本群体，作者对中国群体也进行了马赛克染色体片段分析（Fig4BC），发现其中混合有中国群体的祖先种和欧洲群的基因组。随着欧洲种引入中国，中国本土的地方种仍然在推广。

Fig4|日本白粉菌与中国白粉菌的遗传构成与迁徙事件推断

总结：

综合上述结论，作者绘制了小麦白粉菌全球迁徙模式图（Fig5）。发源于新月沃地的小麦白粉菌首先迁徙到东亚，同时也从新月沃地迁徙到亚欧大陆。随着欧洲人在美洲的殖民，欧洲白粉菌被带到美洲，从而与美洲当地的远缘白粉菌发生重组事件。再之后美国对日本和澳大利亚输出小麦，从而将病原物带到两地。在日本，美洲小麦与当地小麦的育种推进了东亚白粉菌和美洲白粉菌的重组，并迅速适应了新品种。同理中国的白粉菌与欧洲菌也发生了类似的重组，最终在现有的群体中固定下遗传变异。

Fig5|小麦白粉菌全球迁徙模式

1. Sotiropoulos, A.G., Arango-Isaza, E., Ban, T. et al. Global genomic analyses of wheat powdery mildew reveal association of pathogen spread with historical human migration and trade. Nat Commun 13, 4315 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31975-0
2. Mental test, Wikipedia
3. Phylogenetic network, Wikipedia