2026年1月24日，我院作物疫霉功能基因研究與利用團隊在Science Advances上發(fā)表了題為“Mitochondrial heterogeneity drives the evolution of fungicide resistance in Phytophthora sojae, with associated fitness trade-offs”研究論文。我院博士研究生袁康和代探副教授為論文的共同第一作者，劉西莉教授與苗建強青年教授為共同通訊作者。

目前，學術界對于田間病原菌抗藥性相關突變的產(chǎn)生與起源仍存在爭議，核心分歧在于：抗性突變究竟是“農(nóng)藥使用后誘導病原菌產(chǎn)生的新生突變”，還是“病原菌原本存在的隨機突變，經(jīng)藥劑選擇壓篩選后被保留并逐漸形成優(yōu)勢群體”？這兩種觀點長期并存，尚未達成共識。該研究首次在卵菌中建立了基于DdCBEs的線粒體基因編輯體系，闡明了線粒體異質性驅動大豆疫霉對QioSI類殺菌劑唑嘧菌胺的抗性進化機制，揭示了大豆疫霉對唑嘧菌胺的抗性進化與適合度代價的權衡機制。尤為重要的是，這項研究為破解病原菌抗藥性起源爭議中“先有雞（藥劑篩選）還是先有蛋（突變）”的分歧提供了直接試驗證據(jù)，也為田間制定科學、精準的抗藥性管理策略奠定了重要理論基礎。

該研究以新型殺菌劑唑嘧菌胺為供試藥劑，對3株來自田間的大豆疫霉敏感菌株、進行了長達52代的室內藥劑馴化試驗，最終獲得約7.8萬株逐級進化的后代菌株。對其中的代表性敏感、低抗、中抗及高抗菌株的PsCytb基因進行測序分析，發(fā)現(xiàn)高抗和部分中抗菌株的PsCytb蛋白上發(fā)生了S33L點突變。進一步成功建立了適用于疫霉菌的線粒體堿基編輯系統(tǒng)DdCBEs（圖1），通過對野生敏感菌株的PsCytb基因進行精準編輯，證實PsCytb-S33L突變是導致大豆疫霉對唑嘧菌胺產(chǎn)生抗性的主要原因。

圖1 大豆疫霉線粒體基因PsCytb堿基編輯器（DdCBEs）示意圖

PsCytb基因存在于線粒體基因組，該研究發(fā)現(xiàn)線粒體異質性是大豆疫霉對唑嘧菌胺抗性進化的“動力引擎”。線粒體異質性即病原菌細胞內同時存在突變型與野生型DNA的線粒體。本研究借助AS-PCR、ddPCR等多種精準檢測技術，證實大豆疫霉對唑嘧菌胺的抗性水平與含有PsCytb-S33L突變的線粒體豐度呈正相關——即突變型線粒體數(shù)量越多，菌株抗藥性水平越高（圖2），在藥劑篩選壓力下，低抗和中抗菌株均是高抗菌株形成的過渡狀態(tài)。表明大豆疫霉對唑嘧菌胺的抗性進化并非一蹴而就，而是一個循序漸進的動態(tài)過程，線粒體異質性驅動了大豆疫霉對唑嘧菌胺的抗性進化。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，田間個別大豆疫霉野生型菌株存在天然低比例的PsCytb-S33L突變；同時，在藥劑選擇壓力下，敏感菌株也可通過新生突變途徑產(chǎn)生PsCytb-S33L突變。這種并行進化模式，為破解抗藥性起源的“先有雞（藥劑篩選）還是先有蛋（突變）”困境提供了獨特的見解。

圖2 線粒體異質性驅動大豆疫霉對唑嘧菌胺的抗性進化

病原菌獲得抗藥性的同時，需要付出相應的“適合度代價”。該研究發(fā)現(xiàn)，攜帶PsCytb-S33L突變的高抗菌株，在菌絲生長速率、溫度敏感性、孢子產(chǎn)量、致病力等關鍵生物學性狀上均顯著低于敏感菌株。同時，PsCytb-S33L突變會導致大豆疫霉線粒體腫脹、膜電位降低、活性氧（ROS）積累及呼吸鏈復合物III活性下降。利用轉錄組測序、ChIP-ddPCR和EMSA試驗，在抗藥性菌株中鑒定到了表達上調的線粒體轉錄因子PsTFAM1。進一步證實，PsTFAM1基因過量表達能夠增加線粒體DNA拷貝數(shù)，進而彌補抗藥性菌株的適合度代價，該研究系統(tǒng)揭示了大豆疫霉對唑嘧菌胺抗性進化和適合度代價之間的權衡機制（圖3）。此外，研究中也發(fā)現(xiàn)，唑嘧菌胺高抗菌株對QoI類殺菌劑嘧菌酯、QiI類殺菌劑氰霜唑等其他類別呼吸電子傳遞鏈復合物III抑制劑均表現(xiàn)的更加敏感。該權衡關系，為制定科學的田間輪換用藥策略提供了重要的理論支撐。

圖3 大豆疫霉對唑嘧菌胺抗性進化和適合度代價之間的權衡機制

我院路星星博士后、已畢業(yè)博士高續(xù)恒和李桂香以及多位博、碩士研究生參與了該項研究工作。該研究得到了國家自然科學基金（32202369）和國家重點研發(fā)計劃（2022YFD1400900）的資助。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz4601.

編輯：劉小鳳

審核：趙   磊