我国马铃薯Y病毒群体的适应性进化机制研究

Potato virus Y (PVY) is one of the most important viral pathogens constraining production of solanaceous crops including potato. It is widely distributed, destructive and notoriously resistant to traditional control measures due to its great ability in host and geographic adaptation. Understanding the adaptive evolutionary mechanisms of PVY populations is critical for developing an effective control strategy. In this project, we propose to combine the newly developed Bayesian phylodynamics and population genetics to quantitatively investigate the genetic variation, spatial-temporal dynamics, demographic history and selective pressure of PVY based on complete sequences from 600 viral isolates collected from 20 provinces (municipalities) and from different solanaceous crops including potato and tobacco. Our aims are to reveal the role of evolutionary forces, particularly migration (gene flow) and natural selection, in population differentiation and to identify the biotic (host) and abiotic (geography) factors involved in the adaptive evolution of PVY. Results from this project will be useful in developing sustainable management strategies for control of PVY and increasing our knowledge on the evolution of other plant viruses.

马铃薯Y病毒（Potato virus Y, PVY）是制约马铃薯等茄科作物安全生产的最重要的病原之一。该病毒分布广泛，危害严重，寄主和地区适应性强，难防难控。探明PVY群体的适应性进化机制是制定其生态防控策略的关键。本项目拟从全国20个省（或自治区）采集马铃薯、烟草等茄科作物上PVY样品600份，获得其全基因组序列，应用新发展成熟的贝叶斯谱系动力学（Bayesian phylodynamics）并结合群体遗传学方法，以分子系统发育为基础开展PVY群体的遗传变异、迁移扩散和群体历史动态等的量化分析，明确分子进化机制尤其是遗传迁移（基因流）和自然选择在其群体分化形成中的作用；同时探讨生物因素（寄主）与非生物因素（地理）对PVY适应性进化的影响。本研究结果可为PVY的可持续防控提供理论和实践基础，也为其它植物病毒的进化研究提供借鉴。

马铃薯Y病毒（PVY）是制约马铃薯可持续发展的重要病原之一。该病毒分布广泛，危害严重，极易克服寄主抗性，能快速适应新的寄主和新环境，为综合防治带来极大的困难。本项目对随机采集我国马铃薯主产区的PVY样品经序列测定，并综合群体遗传学和谱系动力学，解析了我国 PVY 株系的组成和分布特点、群体结构以及适应性进化特征。分析结果显示，N×O 重组分离物，特别致病力强的PVY^NTN-NW株系，在我国已上升成为优势株系。单倍型多样性和核苷酸多样性参数评估显示，我国PVY群体具有高遗传多样性的特征。在遗传结构组分上，西南混作区（SMR）群体与其他耕作区群体间呈现出高度分化，表明该病毒群体存在显著的地理结构。AMOVA结果显示四个耕作区间以及耕作区内不同地区亚群体间均有较高的遗传变异，但主要遗传变异来自个体的变异。PVY功能基因中检测到大量的净化选择位点，P3、CI和CP基因还检测到少量的正选择位点，表明PVY基因组中的多数突变是有害的，而少量受正选择的变异位点有利于该病毒的生存竞争，在进化过程中会被保留。基因流分析显示，SMR 主要作为输出源，SWR作为输入源，基因流的流动方向与马铃薯种薯调动等人类活动密切相关。以上结果表明，突变、自然选择和基因流等遗传力影响PVY群体的遗传多样性及遗传分化。同时，贝叶斯性状-关联显著性检验（BaTS）分析结果显示，我国PVY 群体分化的适应性进化同时受寄主和地理所驱动。通过本项目的开展，明确了我国PVY群体的分子进化机制和适应性进化特征，研究结果将有助于预知 PVY 的进化潜力和进化方向，可为最终实现延缓马铃薯抗性品种使用寿命的生态防治目标提供奠定重要的理论基础。