人類活動與病原物的擴散息息相關。馴化和育種事件會加速病原物群體擴張。小麥白粉病是由白粉病真菌(Blumeria graminis f. sp. tritici)引發的嚴重病害，每年可造成7.6%-19.9%的產量損失。白粉病菌隨著小麥馴化一同出現在新月沃地，并通過風媒傳播擴散到歐亞大陸和美洲。但是人類貿易在其中也起到了重要的推動作用，本文將會闡述小麥馴化和人類貿易對白粉病菌進化的影響。
文章信息
- 題目：Global genomic analyses of wheat powdery mildew reveal association of pathogen spread with historical human migration and trade
- 期刊和時間：Nature Communications，2022.7
- 作者和單位：通訊作者來自瑞士蘇黎世大學植物與微生物學系的Thomas Wicker教授。
主要結果
- 利用172株來自世界各地的白粉病單株，追溯白粉菌發源地和擴散路線。
- 找到了小麥白粉菌與其他霉菌多次雜交的直接證據。
- 發現人類的遷徙和貿易自始至終都是小麥病原物擴散的推動者。
研究結果
1.小麥白粉菌種群結構
作者收集了來自五大洲13個國家的172份白粉菌菌株（Fig1A）。本研究測定了其中76份，測序的深度在20-167X。在新測序的品種中69份是六倍體小麥侵染專化型，7份是四倍體小麥侵染專化型。所配置的白粉菌群體中能保證每個地理群體擁有至少八個個體，且交配型符合50/50，說明群體性別比例均衡。
利用平均45X的重測序數據call snp，作者簡要分析了indel的分布，snp質量與可變等位的相關性等信息。利用質控并去除了LD的172個株系SNP進行簡單錯配主成分分析，顯示出很好的地理分群。第一主成分區分了地區，第二主成分區分了四倍體專化型和六倍體專化型（Fig1B）。進一步作者發現刨除掉四倍體專化型之后，剩余160個菌（Fig1C）呈現出更強的遺傳與地理分布相關性，即臨近地區菌株的snp類型彼此靠近。ADMIXTURE結果（Fig1D）顯示白粉菌分群為7-8個群體(更可能是7)。隨后作者根據東亞遺傳組分的占比將CHN群分為（CHNa，祖先群；CHNh，假定的東亞與歐洲祖先的雜交群，雜交組分>8%），還有兩個中國種中以色列遺傳比重很大。說明中國種的遺傳成分較為復雜。而日本種中中國組分和美澳組分較多，可能是由中美澳三種混合雜交而成。
很有意思的一點，主成分分析圖里能看到美國和澳洲的白粉菌聚在了一起，可謂難舍難分。如果美澳都有本地的白粉菌，那么經歷長期的自然選擇和群體隔離二者的點應該相聚甚遠。能解釋這種現象的原因就是二地的菌是由一方帶到另一方的。在遺傳學水平暫時還無法區分是哪方帶到哪方，作者在這里羅列了歷史，小麥在1600-1700傳到美國，在1788年傳到澳洲，時間上更可能是美國到澳洲。此外作者查閱資料發現在美洲存在遠緣禾本科霉菌，如果是澳洲傳到美洲，則這部分白粉菌會經歷更強的自然選擇（需要與本地種競爭）。不過歸根結底也是作者推論，白粉菌在美澳之間互相貿易來回傳也說不準，也可能是近期貿易傳播導致的采樣偏差·。
2.Mantel test與dbMEM檢測遺傳距離與地理距離的關聯
在上述結果的基礎上，作者深入研究了白粉菌洲際間傳播的因素。首先想到的傳播因素便是風媒傳菌。風媒傳菌會形成基因交流條件，使菌之間遺傳差異減小。因此作者使用了Mantel test檢驗遺傳距離與地理距離之間的關系（Fig2A），并用dbMEM進一步驗證結論。兩個測試檢測到白粉菌在地理距離和遺傳距離上有強相關性。說明風不是推動白粉菌傳播的因素。
Mantel test是生態學領域用以估計遺傳距離與地理距離相關性的常用測試。其原理是檢測兩個矩陣的相關性。所研究的物種群體兩兩配對計算可以分別產生地理矩陣和遺傳距離矩陣。將二者作為Mantel test輸入即可求得兩個變量的關聯。
dbMEM相較于Mantel test在檢測相關性上更敏感，在文中作者使用Mantel test初步捕捉相關性之后，進一步補充了dbMEM以更敏感地捕捉地理距離和遺傳距離的相關性。
3.探索白粉菌的發源地
由于六倍體小麥起源于新月沃地，白粉菌很可能也隨之發源于此。根據瓦維洛夫作物起源學說，物種的發源地預期會有更大的多樣性。因此作者估計了以色列地區白粉菌的物種多樣性π。不出所料白粉菌遺傳多樣性最高的地區是中東地區，其次是歐洲。
為了進一步探究群體的關系，作者基于簡單錯配距離構建了系統發育網絡。使用黑麥，大麥和野草的霉菌作為外群。構建得到的系統發育網絡顯示以色列菌株位于所有網絡分枝的最基部，最接近外群祖先。同樣表明中東地區是白粉菌祖先可能的發源地。
系統發育網絡區別于系統發育樹。當所研究物種之間存在著雜交，水平基因轉移，重組和基因重復事件時，建議采用系統發育網絡的方法代替樹。最終目的仍然是可視化進化關系。此外系統發育網絡一定程度可以反映種間的滲入和基因流，以推斷雜交事件。
4.白粉菌有效群體大小動態變化和遷徙模式
在系統發育網絡的基礎上，作者希望探究群體規模的動態變化，使用MSMC方法重建了白粉菌的歷史有效群體并研究其動態。使用rCCR評估白粉菌發生的種群分歧事件。結果顯示來自美阿的白粉菌Fst與其余種相差很大，但多樣性很低。暗示了可能發生的奠基者效應或瓶頸效應。二者都源自亞歐大陸種（Fig3B）
侵染四倍體小麥白粉菌專化型在起始有最高的種群規模（Fig3A）。隨后的群體交叉聚集分析顯示了白粉菌各亞群共祖事件：在大約3k-5k代以前，白粉菌四倍體專化型群體與歐亞大陸群體出現分化（Fig3B）。其原因可能是8000年前六倍體小麥的誕生和推廣，限制了四倍體小麥專化型和六倍體小麥專化型白粉菌基因流交流，進而造成了群體分化。
特別注意的是在所有的白粉病有效群體中，近50-100代都有了顯著的群體規模下降，這可能是由于20世紀50年代起現代育種技術的進步，抗性基因的選育和殺菌劑的使用對白粉菌產生了選擇壓，進而造成了瓶頸效應。但可怕的是大部分白粉菌有效群體規模在減少之后，在近期又出現了明顯的反彈。可能是白粉菌逐漸適應了現代新型栽培種。
5.南北美洲白粉菌經歷了遠緣雜交
上述分析可知南北美洲的白粉菌經歷了重組事件，如果遠緣雜交發生，那么在美阿白粉菌中就會有和祖先菌基因組共有的序列變異。因此，基于等位基因頻譜作者對南北美菌株測試了25個基因流統計學模型。其中大部份模型表明美國菌與四倍體專化型經歷了基因流（Fig3C）。可見雜交對于霉菌適應美洲環境起到了重要的作用。
6.中國和日本白粉菌中發生的雜交事件
Fig1中的群體結構分析暗示了中日白粉菌群體也經歷了重組事件。當霉菌雜交時，后代基因組呈現出類似雙親的馬賽克染色體片段。越重組雙親的染色體片段就會越碎片化，反之使菌回交會導致另一親本碎片化片段減少。為了測試雜交假說，作者檢索了日本菌群染色體片段上可能的雙親區域。結果顯示一半的SNP源于美國，另一半源于中國（Fig4A）。此外TreeMix分析也顯示美澳群遷移到了日本，中國群也向日本發生了類似的遷移（Fig4D）。
此外，Fig1中中國群體CHNh也顯示了雙親混合的趨勢。仿照日本群體，作者對中國群體也進行了馬賽克染色體片段分析（Fig4BC），發現其中混合有中國群體的祖先種和歐洲群的基因組。隨著歐洲種引入中國，中國本土的地方種仍然在推廣。
總結：
綜合上述結論，作者繪制了小麥白粉菌全球遷徙模式圖（Fig5）。發源于新月沃地的小麥白粉菌首先遷徙到東亞，同時也從新月沃地遷徙到亞歐大陸。隨著歐洲人在美洲的殖民，歐洲白粉菌被帶到美洲，從而與美洲當地的遠緣白粉菌發生重組事件。再之后美國對日本和澳大利亞輸出小麥，從而將病原物帶到兩地。在日本，美洲小麥與當地小麥的育種推進了東亞白粉菌和美洲白粉菌的重組，并迅速適應了新品種。同理中國的白粉菌與歐洲菌也發生了類似的重組，最終在現有的群體中固定下遺傳變異。
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
