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快速诊断作物真菌病害的便携系统 | BMC Biology
來源:科學網 發布時間:2019-09-29

论文标题:MARPLE, a point-of-care, strain-level disease diagnostics and surveillance tool for complex fungal pathogens

期刊:BMC Biology

作者:Guru V. Radhakrishnan, Nicola M. Cook, […] Diane G. O. Saunders

發表時間:2019/08/13

DOI:10.1186/s12915-019-0684-y

微信鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/7a1xU39f4A-saQ5MSXqsBA

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MARPLE系統(A-Q)的完整步驟示意圖

植物病虫害是全球农业和粮食安全面临的重大问题。早期预警系统对准备和抗击植物害虫至关重要,而快速诊断工具对这一点至关重要。然而,目前用于菌株水平的真菌疾病诊断程序依旧是冗长而不直接的。Dave Hodson和Diane Saunders讨论了他们近期发表在BMC Biology 上的一项研究,该研究开发了一种移动实时植物病害(Mobile And Real-time PLant disEase,MARPLE)系统。在接下来的分享中,他们解释了该系统如何使基于田间基因的真菌病害快速诊断成为可能,特别是判别达到菌株水平的小麦黄锈病。

植物病蟲害是全球糧食安全的一大威脅,如果不加以處理,有可能毀掉整個作物。據估計,僅在前五大糧食作物中阻止真菌疾病的傳播就可以養活6億多人。小麥是全球五大農作物之一,目前這種作物正面臨越來越大的威脅,其中真菌病原體引起的小麥鏽病是最令人擔憂的問題之一。

如今,由于無法獲得有效的診斷試驗和控制措施,欠發達國家的作物遭受大規模損失的風險最大。就像診療人類疾病一樣,如果你看到明顯的症狀,但不確定病因,如何才能采取正確的治療措施?而這,就是基于基因組的診斷和疾病監測可以發揮作用的地方。尤其是對于相關資源較少的國家,確定病原體的精確毒株,確保采取最適當的控制措施,有助于更明智地使用有限的資源。

技術革新:便攜式基因組測序設備助力人類疾病診斷

在临床实验室中,研究人员经常解开人类疾病病原体的完整遗传密码来协助疾病诊断。自2015 Oxford Nanopore发布了首个便携式基因组测序仪以来,这种基因组水平的诊断和监测如今已经可以精确地在疾病暴发的地点进行,无论那里的环境多么不适宜人类居住。这一技术革新彻底改变了诊断的速度,建立了关于病原体菌株进化速度的实时基因组信息,并帮助绘制了它们的传播路线。

這些最初的研究集中在病毒病原體上,但其實,對真菌疾病的實時基因組水平診斷也是至關重要且迫切被需要的。遺憾的是,對真菌使用這樣的診斷策略並不簡單。真菌基因組通常比病毒大數萬倍,而且往往無法從宿主植物中分離出來。我們不能僅僅對含有真菌和(相當大的)寄主植物基因組的受感染葉片進行測序,因爲基于目前的技術這將是非常昂貴的。我們需要一種不同的方法。

因“植”制宜:實現基于便攜式基因組的真菌病原體診斷

我們決定使用一種叫做“靶向重測序”的方法,這種方法經常被用于測試特定的人類疾病。這種方法的重點是分析一小部分基因的遺傳密碼,這些基因可以提供特定條件的信息。這種有針對性的方法大大減少了每個樣本生成的數據量,從而降低了相關的成本。

在近期發表于BMC Biology 的研究中,我们重点研究了小麦黄锈病真菌病原体(Puccinia striiformis f.sp. tritici)。我们首先确定了在病原体菌株之间的DNA代码中表现出高变异性的基因,然后使用这一小部分基因进行靶向重测序。这使我们能够快速确定受感染的叶片样本中的特定菌株。这个新的系统被称为MARPLE(Mobile And Real-time PLant disEase,移动实时植物病害)系统,它也非常适合于突发的病害事件,因为它可以在收集样本后的48小时内生成该农田内的黄锈病病原体菌株的详细数据。

MARPLE:爲埃塞俄比亞小麥帶去希望

埃塞俄比亞是撒哈拉以南非洲地區最大的小麥生産國,但它也是新小麥黃鏽病病原體株進入非洲的門戶,因此是實施快速診斷計劃的最高優先國家。小麥黃鏽病持續困擾著埃塞俄比亞的小麥生産,並造成了大規模的植物流行病。例如,2010年,60萬公頃小麥受到影響,估計損失超過2.5億美元,而新的病原體菌株對再次發生大規模流行病的風險非常高。

在如此大規模的破壞之後,埃塞俄比亞開發了一個綜合小麥鏽病早期預警系統,以防止未來災難性的損失。然而,用目前常見的方法,在農民的田裏實時確定病原體的精確品系是不可能的。MARPLE的設計正是爲了填補這一空白。

与埃塞俄比亚农业研究所(Ethiopian Institute for Agricultural Research,EIAR)合作,我们开发了一个移动实验室系统,它被安置在一个独立的箱子中,不需要额外的基础设施或高水平的专业知识就可以操作。2018年9月,我们在埃塞俄比亚成功试运行了优化后的MARPLE系统。作为其稳健性和机动性的最终证明,我们还在一辆陆地巡洋舰的后备箱里直接在田野现场运行了这一系统,证明了无需连续供电或使用任何额外实验室设备操作的可行性。

我们在John Innes Centre和CIMMYT之间的合作伙伴关系也允许直接将由这种方法产生的数据用于预警系统和控制建议体系中。该项目的整合目前使埃塞俄比亚成为小麦锈病病原体诊断和预测方面的世界领导者。

MARPLE的未來發展

我們爲目標重測序開發的基因面板也非常靈活,可以根據需要輕松容納額外的基因。目前,我們正在整合編碼蛋白質的基因,這些蛋白質被認爲是真菌病原體中保守的殺菌劑靶點。這將允許實時突變監測,從而提醒我們對這種黃鏽病病原體的殺菌劑效用進行調整突破。MARPLE系統爲可移動的、基于基因組的、菌株水平診斷提供了有迹可尋的圖景,並可以很容易地應用于持續威脅全球糧食安全的其他複雜真菌病原體。

(节选自“快速诊断作物真菌病害的便携系统 | BMC Biology”http://paper.sciencenet.cn//htmlpaper/2019/9/201992314362751052603.shtm)

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