《Environmental Microbiology Reports》：Powdery Scab of Potato: An Evaluation of Current Molecular Resources
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这篇综述系统梳理和评估了由Spongospora subterranea f. sp. subterranea (Sss)引起的马铃薯粉痂病相关的现有分子资源。文章指出，尽管已有基因组、转录组、蛋白质组和代谢组数据集，但Sss的分子研究资源仍远落后于其他主要植物病原体，尤其缺乏高质量的染色体水平基因组和深入的功能注释。这严重限制了对其致病机理的理解以及抗病育种、化学防治靶点的发现。文章呼吁未来需要整合多组学数据，构建更完整的参考基因组，以支持针对该病害的更有效、精准的管理策略开发。
1 引言
马铃薯是全球广泛种植的重要粮食作物，但其生产面临多种病害威胁，其中由土壤原生生物Spongospora subterranea f. sp. subterranea (Sss)引起的粉痂病尤为常见且经济影响重大。该病害不仅影响块茎品质和适销性，还会导致根系功能障碍间接影响产量。此外，Sss还是马铃薯帚顶病毒(Potato mop-top virus, PMTV)的传播媒介，进一步加剧了其对作物生产力的负面影响。Sss是一种专性活体营养型生物，其生活史高度特化，可产生寿命极长的抗性休眠孢子（孢子囊），能在土壤中存活多年，这使得轮作等传统防治措施效果甚微。化学防治手段极为有限，因此，综合病害管理策略越来越侧重于培育抗病马铃薯品种。然而，马铃薯对Sss的抗性通常表现为多基因控制，这为平衡抗病性与农艺及市场性状的育种工作带来了复杂性。抗病育种工作的推进，还受到对病原体分子生物学及宿主-病原体互作认知有限的制约。与其他主要植物病原体相比，针对Sss的研究严重缺乏高质量的参考基因组、基因表达数据集、蛋白质组学图谱和注释效应因子库等关键分子资源，这显著阻碍了毒力因子识别、抗性机制解析以及分子诊断和杀菌剂靶点开发的努力。
2 Spongospora subterranea 的分子资源
Sss分子资源的开发进程缓慢且零散，这主要源于其专性活体营养的生物特性，无法独立于宿主进行培养。尽管如此，过去二十年的努力已逐步建立了基因组、转录组和蛋白质组数据集的基础，为开展更具针对性的分子研究提供了可能。表1汇总了截至2025年6月所有公开可用的分子资源数据集。
Sss分子研究的历史可追溯至早期的转录组分析工作。Burki等人率先构建了Sss的表达序列标签(EST)数据集。Bulman等人则开发了一种创新的Sss和另一种重要植物病原体芸苔根肿菌(Plasmodiophora brassicae)的体外共培养系统，并构建了来自愈伤组织的初步DNA文库，其生物信息学分析揭示了一个富含逆转录转座子的基因组，并首次在丝足虫类原生生物中报道了全长非LTR逆转录转座子。Gau等人利用新开发的多态性微卫星标记，完成了对Sss的首次大规模群体遗传特征分析，支持了南美洲是该病原体起源中心的假说。2016年，Gutierrez等人成功测序了该生物体的完整线粒体基因组，这是第一个来自根肿菌门的完整线粒体基因组。2018年，Ciaghi等人发布了Sss的第一个基因组草图，该草图组装大小为28.08 Mb，包含10,778个预测基因，根据BUSCO分析其完整性高达93%。然而，截至2025年6月，Sss在UniProt中约50%的蛋白质数据库仍被归类为“未表征蛋白质”，这突显了全面阐明其基因组功能景观的持续挑战。2025年，Arjarquah等人发布了来自北美的Sss改良基因组。利用牛津纳米孔长读长测序技术辅以Illumina短读长，组装出大小为31.51 Mb、GC含量为45.7%的基因组。其组装完整性达到96.1%，在结构上优于2018年的草图。尽管组装质量有所提高，但新基因组仍未达到染色体水平分辨率，由346个scaffold组成，且未能显著改善Sss基因组的注释。
总的来说，虽然Sss的两个基因组组装质量各异，但它们为Sss的基因组学研究提供了更稳定的基础。2018年的基因组草图基于短读长测序技术，在连续性和解析重复区域方面存在局限。而2025年的基因组利用了长读长测序，改善了scaffold长度和整体完整性。然而，若要进行精确的基因组共线性分析、比较基因组学研究以及检测与宿主适应相关的染色体重排，染色体水平的组装仍然不可或缺。尽管存在注释不全等挑战，Sss基因组的获得已推动了基因表达分析的进展。目前已有Sss的转录组和蛋白质组数据集可用，包括详细描述孢子萌发过程中的转录组变化以及在感病和抗病宿主植物内的数据集。在蛋白质组学方面，Balotf等人首次报道了Sss在体外和植物体内的蛋白质组。然而，这些研究尚未鉴定出任何可作为农药开发潜在靶点的Sss特异性基因或蛋白质。
3 马铃薯对Spongospora subterranea 的响应
与Sss不同，马铃薯得益于广泛的基因组研究，已拥有高质量、注释良好的参考基因组。这为探索植物对包括Sss在内的多种病原体的遗传响应铺平了道路。尽管有此优势，专门针对马铃薯对粉痂病抗性的分子研究仍然有限。现有研究为宿主-病原体互作和潜在抗性机制提供了重要的初步见解。
早期对Sss的基因组学研究为了解其代谢和侵染生物学提供了重要见解。利用454焦磷酸测序，Gutierrez Sanchez等人鉴定了参与糖酵解、淀粉、纤维素和几丁质代谢的基因，有助于解释病原体如何在马铃薯根内存活和发育。Hernandez Maldonado等人进一步表明，马铃薯的抗性可被化学诱导：施用β-氨基丁酸能显著减少根部侵染和瘿瘤形成，证明了激发宿主防御来控制粉痂病的潜力。最近的研究进一步阐明了宿主-病原体互作。Kamal, Lynch-Holm等人发现，Sss在瘿瘤发育过程中操纵宿主淀粉代谢，消耗淀粉储备并改变淀粉相关基因表达，这可能影响宿主感病性。与此同时，创新的生物防治策略也得到了探索：分泌植物细胞因子StPep1的工程化枯草芽孢杆菌菌株可显著减少根部瘿瘤和块茎病斑，表明微生物递送免疫激发分子可以增强宿主抗性。
最近的研究已开始表征对粉痂病具有不同感病性水平的马铃薯品种的转录响应。这些研究发现了在侵染早期阶段可能发挥作用的候选防御相关基因和调控通路。例如，已观察到病程相关蛋白、参与细胞壁修饰的酶以及激素信号基因的差异表达，表明马铃薯对Sss的响应涉及复杂的防御策略网络。除了转录组数据，蛋白质组学和代谢组学研究揭示了抗性机制的更多层面。防御相关蛋白，如与果胶生物合成和根表信号相关的蛋白，在抗病品种中更为丰富；而代谢物谱分析则显示耐受型和感病型基因型之间存在明显差异。根分泌物中的化合物也被认为可触发休眠孢子萌发，突显了它们在介导早期宿主-病原体互作中的作用。多组学方法进一步整合了这些发现，揭示了抗病品种中关键通路如谷胱甘肽代谢和木质素生物合成的上调。
表2总结并整合了这些关于马铃薯对Sss抗性的分子研究的关键发现。它们共同突显了已取得的进展和仍存在的关键空白，这些空白必须被解决，才能为更有效、更具针对性的粉痂病抗性育种策略提供信息。
4 结论与未来方向
Sss及其防治的分子研究进展，仍然受到缺乏更完整、注释更好的参考基因组的限制。这一持续存在的差距也突显出扩展转录组和蛋白质组分析的重要性，这对于识别参与致病性、宿主互作以及抗病育种或农药开发潜在靶点的基因和蛋白质至关重要。
为克服这些挑战，需要产生一个染色体尺度、完全注释的Sss基因组。牛津纳米孔和PacBio等长读长测序技术为解决先前短读长组装的不足提供了有前景的方案。这些平台可以生成更连续、更准确的基因组组装，更好地解析通常存在问题的重复和复杂区域。尽管2025年的基因组代表了显著改进，但其scaffold水平的分辨率（346个scaffold）限制了其在研究高级基因组结构和长距离共线性方面的效用。这些分析对于研究病原体进化、宿主特异性和适应性至关重要。对于其他植物病原原生生物，如致病疫霉(Phytophthora infestans)，染色体尺度组装已揭示了核型变异、基因组重排和表达水平多态性。此外，更高的组装连续性也将通过识别潜在调控区域和改善与相关物种的共线性比较，来支持更稳健的功能注释。为了在Sss中获得类似的见解，我们认为，一个得到Hi-C或Pore-C长距离支架支持的染色体尺度参考基因组，仍然是一个必不可少的目标。此外，创建Sss的全基因组应是优先事项。全基因组代表了多个分离株的全部遗传库，将为遗传变异提供关键见解，包括在所有分离株中保守的核心基因和特定群体或菌株独有的附属基因。理解这种遗传多样性对于阐明宿主适应、毒力变异和抗性丧失的机制至关重要，可为制定持久的病害管理策略提供信息。
除了基因组本身，推进功能注释同样关键。目前，一大部分预测蛋白质仍未被表征，限制了生物学解释。整合转录组、蛋白质组和代谢组数据，将有助于为这些蛋白质分配功能，并揭示参与侵染和宿主防御的关键分子通路。这种多组学方法将为Sss生物学及其与马铃薯宿主的互作提供整体视角。
由于Sss的专性活体营养特性，从受感染植物组织和环境样本中提取高质量基因组数据的挑战持续存在。这突显了对创新病原体分离和DNA提取方法的需求。在马铃薯宿主的组织培养中建立无病原体共培养物可以去除环境污染物；然而，病原体-宿主互作可能无法完全反映自然侵染过程。虽然宏基因组学方法已证明，宿主DNA污染可在不影响灵敏度的情况下通过计算减少高达99%，但对于Sss，污染不仅限于植物材料，还包括来自土壤和植物相关微生物组的其他微生物。此外，由于马铃薯基因组比Sss基因组大得多，宿主DNA可能消耗不成比例的测序覆盖度，从而限制了获得的病原体特异性数据的深度。未来研究应侧重于开发从植物组织、土壤和其他污染物中高效纯化Sss孢子的技术。密度梯度离心和过滤等方法在从受感染组织中纯化休眠孢子方面已显示出前景。然而，由于Sss孢子囊的大小存在差异，这些方法的效率不高，只能部分纯化孢子。此外，将这些纯化技术与针对病原体细胞优化的DNA提取方案（如酶促裂解或化学处理）相结合，对于提高DNA质量和促进下游基因组学研究至关重要。
总体而言，对高质量Sss基因组的需求不仅仅是一项学术追求，它对于揭示该病原体的遗传秘密和推进有效防治策略至关重要，最终将有助于实现对该病原体及其对马铃薯生产破坏性影响的可持续管理。通过协调一致的基因组学和分子生物学努力解决这些知识空白，研究者和育种家将能更好地理解、预测和管理Sss侵染，为未来世代保护马铃薯作物。
