马铃薯致病疫霉的生殖方式、遗传变异及倍性水平变化研究

发布时间：2020-07-26 17:37

【摘要】：马铃薯致病疫霉是晚疫病的病原菌,在历史上曾导致爱尔兰大饥荒,至今仍不断威胁着全球粮食安全。人们目前一般采用化学药剂,农业耕作措施以及应用抗病品种等对致病疫霉进行防治,但效果并不突出。而通过对其整个生命周期过程进行了解,然后选择某一薄弱环节进行重点防治或将其打断,则可能达到很好的效果,这也是其他植物病原微生物防治的常用方法。与其他卵菌相似,致病疫霉在生命周期中的营养生长阶段被认为是二倍体,而也有一些报道发现了三倍体和多倍体的存在。前人还发现,致病疫霉的倍性水平随着其不断演化而一直发生变化,占统治地位的优势菌株也一直处于更迭状态。前人猜想其可能通过倍性水平的变化改变其遗传变异度从而适应环境变化。对致病疫霉生命周期中不同生殖方式的研究发现,其兼具无性生殖和有性生殖两种形式,推测其通过前者快速繁殖以扩大群体,而通过后者发生染色体重组产生基因型多样性。两者优势相结合,致病疫霉便具备了适应各种环境条件的潜力。如此看来,致病疫霉的倍性水平与生殖方式似乎存在某种联系,而它们又与其环境适应性有着很强的关联。然而,目前几乎没有致病疫霉倍性水平与生殖方式间关系的系统研究,而不同倍性水平菌株的遗传变异度、环境适应性机制及相关数据支持也鲜有报道。本文基于全基因组使用微卫星标记,单核苷酸多态性分析,流式细胞仪核DNA定量和显微镜下染色体计数,评估了几个代表性菌株的倍性水平,发掘出致病疫霉倍性水平与生殖方式、遗传变异度及环境适应性的关系,并给出有力的数据支持。同时,对三倍体和二倍体各一个菌株进行胁迫诱导处理和重测序分析,对致病疫霉倍性水平变化的模式提出猜想并验证。主要结论如下:1.自然界中马铃薯致病疫霉的倍性水平与生殖方式间存在相关性。其中有性生殖群体均为二倍体,而几乎所有主要的无性生殖系,如US-1和13_A2均为三倍体。2.致病疫霉倍性水平与遗传变异度间存在相关性。相比于二倍体,三倍体菌株拥有更高水平的遗传变异度,且这些变异在全基因组水平,编码区和效应蛋白编码区都具有显著性差异。遗传变异度更高,从一定程度上反映了其基因组在自然环境条件下具有更高的适应性和“容错率”。3.在人工胁迫处理条件下,三倍体菌株NL08452经历快速的染色体丢失,该过程发生在变异积累之时或之前。倍性水平的变化,反映出三倍体菌株基因组在胁迫环境下很强的可塑性,这可能是其应对环境变化的一种很好的适应策略。4.三倍体菌株NL08452的每一套单体型并不是独立演化的,其三套亚基因组应该是AAB,而不是ABC。三倍体在降倍后仍倾向于保持其杂合性,而保持了杂合性的这些后代菌株在生长和环境适应能力上没有明显的降低。本研究揭示了马铃薯致病疫霉倍性水平与生殖方式及遗传变异度间的关系,对倍性水平变化与环境适应性的关系提出猜想并验证,为马铃薯晚疫病的防治打下了理论基础并提供了新的思路。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S435.32
【图文】：

单体型,碱基,位点

(也可以抓取与参考基因组碱基不同的 reads，这里以相同的为例)；通过这些reads找到其对应mate pair reads的起始位置，根据reads长度可计算其终止位置 (比对上 seed1 的 reads 分 read1， read2 两种情况，其对应的 mate pair read 分别为 read2， read1)；对应 mate read 为 read1 的分为一组，为 read2 的分为另一组，计算两组最小的起始位置到最大的终止位置范围；以 mate read 为 read2 的一组 reads 确定的范围为例，若该范围内有 NL08452-M 过滤得到的SNP 位点存在 (即存在种子 SNP 位点)，则以该 SNP 位点为 seed2；抓取比对到 seed2 的 reads，同时需要满足这些 reads 来源于 seed1 (即其 mate pair read 对 seed1位点有覆盖)，统计这些 reads 上在 seed2 位点的碱基情况，以碱基类型出现最多的那种为 seed2的碱基情况 (理论上，来源于 seed1 且比对到 seed2 的 reads 在 seed2 上的碱基类型出现的情况应该只有一种，但实际还存在连锁交换等问题，导致出现两种或以上碱基类型)。Mate pair read 为 read1 的一组的处理方法同步骤 4) 和 5)。这样，通过 seed1，seed2，就能确定二倍体 452-3 的其中一套亚基因组 (Haplotype 1，此处简称 H1) 情况，比如如下例子：Supercontig Left_pos Pos Right_pos H1Supercontig_1.1 86632 86990 87490 GTG

流式细胞技术,染色体计数,生殖方式,马铃薯

17Figure 4 Ploidy determination by chromosome counting and flow cytometry图 4 流式细胞技术与染色体计数鉴定倍性水平综合微卫星标记、流式细胞技术、显微镜下染色体计数和重测序等技术和分析手段，对马铃薯致病疫霉倍性水平鉴定及其与生殖方式间的关系进行整理，如表4所示。由此可得到的结论为：马铃薯致病疫霉倍性水平与生殖方式间存在相关性，其中无性生殖系为三倍体，有性生殖系为二倍体。

机制,单体型,变化模式,亚基因组

23Figure 7 The proposed mechanism of ploidy reduction图 7 倍性水平降低的推测机制由处理前后菌株新产生及丢失的杂合 SNP 位点数量统计图表可知 (表 7，图 6)，马铃薯致病疫霉菌株 NL08452-M 与 NL08452-S 新产生的杂合 SNP 位点比例接近 (P < 0.05)，由此推测每一套单体型并不是独立进化的，因此三倍体菌株 NL08452 三套亚基因组应该是 AAB，而不是 ABC(图 7)。单体型分型统计结果显示，全基因组共有 12,031 个可用于做 phasing 的区域 (Three-SNPphasing regions)，胁迫处理前后，69.22%的区域三套亚基因组的单体型变化模式为 AAB 变为 AB(期望情况)。大于 1 Mb 的 Supercontig 共 51 条，对它们的单体型变化模式进行滑动窗口作图展示，观察期望情况在其上不同区域的分布情况 (图8)。期望情况 (AAB变为AB) 变化模式每个窗口 (1-Mb窗口大小，100-Kb 步移距离) 中所占的比例用不同颜色表示 (按所占比例由小到大，以 0.2 为大

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