百年植物标本揭示葡萄皮尔斯病的起源
百年草标本揭示葡萄藤皮尔斯病的传播历史：研究综述
葡萄藤皮尔斯病（Pierce’s Disease, PD）是一种严重威胁葡萄种植业的植物疾病，其由名为Xylella fastidiosa（木质部快速死亡细菌）中的快速死亡亚种（Xylella fastidiosa subsp. fastidiosa，简称Xff）引起。然而，这一病原体的地理起源、传入美洲的时间，以及传播路径均存在诸多科学争议。为解决上述问题，由Monica A. Donegan等科学家主导，分别来自加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）、法国国家自然历史博物馆（Museum National d’Histoire Naturelle, CNRS, Paris）及其他研究机构的一支跨学科团队开展了突破性研究。他们利用1906年采集的葡萄藤草标本精确重构了这一植物病原体的完整古基因组，并进行了综合的系统发生分析，最终使潜在的传播时间轴和地理路径得到了校准。研究成果于2025年《Current Biology》发表，为生物地理学、植物病理学、历史基因组学等多学科领域提供了宝贵的科学参考。
研究背景与目标
Xylella fastidiosa是全球范围内引起多种重要经济作物病害的细菌病原体。例如，它不仅引发葡萄藤皮尔斯病，还对橄榄树、柑橘类作物等构成威胁。对于其在北美的“殖民化过程”，长期以来存在两种主要假设：其一是认为Xff起源于美国东南部，其与部分原生葡萄种（Vitis spp.）的抗病性支持了这种假设；其二则认为Xff是在过去几百年中由中美洲传入北美的外来病原。此前缺少足够的古基因组数据，使得支持这两种假设的证据均有局限性。
利用草标本保存的植物样本中的DNA恢复技术，有可能揭示植物病害的历史演化过程。尽管相关技术先前已成功用以研究鼠疫杆菌（Yersinia pestis）和导致爱尔兰马铃薯饥荒的疫病菌（Phytophthora infestans），木质部快速死亡细菌的历史基因组重建却从未完成。本研究通过从1906年保存的葡萄藤标本中提取古DNA并重建基因组，提供了新的时间深度和演化视角，以重新校准Xff在美洲的传播历史。
研究方法
本研究采用分步骤的综合方法，主要如下：
1. 样本采集与DNA提取
研究团队从加州大学戴维斯分校植物多样性中心的草本馆中挑选了10份标记有疾病症状的葡萄藤标本。其中，编号为DAV238006的样本显示了典型的皮尔斯病症状（干缩、无叶的叶柄）。该样本采自1906年，是研究中唯一检测到Xylella fastidiosa的标本。研究人员利用量化PCR的检测方法确认了Xff的存在，随后的Illumina高通量测序生成65百万对双端阅读序列，精确判断其基因组组成。
2. 古DNA的特点与基因组组装
古DNA通常具有高分片化和端基脱氨特性，研究团队针对这些特性进行了去伪和修正处理。通过深度测序和专用工具（如MapDamage2）分析后，该团队从DAV238006样本中成功重建了一个接近完整的古Xff基因组（被称为Herb_1906）。该基因组包含195个scaffold，具有2036倍的平均覆盖率，结果显示其基因组完整性接近现代基因组。此外，基因多位点分型（MLST）分析表明，该古基因组属于现代加州葡萄感染株常见的ST1型。
3. 系统发生与时间校准
为了分析Herb_1906基因组的系统发生，研究人员对包括330个现代Xff基因组在内的数据集进行了核心基因组比对，移除了重组和同根性位点，采用最大似然法构建系统发育树。进一步结合时间校准贝叶斯推断（使用BEAST工具）生成时间要素树，估测该菌株进入美国的时间约为1734年至1741年之间，比之前文献中报道的1960年（最早置信区间至1851年）早了至少70年。
4. 遗传多样性与地理传播路径追踪
研究综合比较了现代和历史菌株的遗传信息，确认Herb_1906与现代加州门多西诺郡的菌株形成一个小型遗传簇，但是并不位于整个加州主要系统发生簇群的基底。通过祖先状态重建技术，该研究还发现，Xff可能是先被引入美国东南部，然后通过多次传播事件传入加州，而非之前认为的单次引入。
研究结果
首个古基因组的精确重建：研究成功揭示了1906年古DNA样本的木质部快速死亡细菌完整基因组，该成果使基因组分析时间轴延展至20世纪早期以前。
美洲传播时间的新校准：新证据显示，Xff早在18世纪即进入美国，比过去的推测提前了约150年，但其在加州的出现可能源自从东南部迁移的多次传播事件，而非单一事件。
遗传多样性解析：尽管Herb_1906与现代门多西诺郡的菌株密切相关，现代菌株发生的多个独立扩散事件表明，Xff在美洲的传播路径或与农业扩展及生物贸易的历史息息相关。
基因增益/缺失事件的演化意义：历史基因组与现代菌株的对比分析发现了17个基因增益或缺失事件，其中一些基因可能在菌株环境适应及宿主选择上扮演关键角色。
研究意义与展望
本研究为通过草本标本解析植物病害传播历史树立了新范式，充分展示了古DNA与现代基因组学结合的强大潜力。不仅明确了木质部快速死亡细菌进入美洲的时间和路径，还挑战了关于其单次引入的传统假说。研究结果对于理解植物病原体的跨国传播、演化机制以及制定更有效的病害防控策略具有重要意义。
此外，研究团队呼吁国际合作，在地理空白区域进一步采样更多的历史样本，补充全球基因组数据库。这一努力将为揭示其他植物病害的传播与进化路径奠定坚实基础。
通过百年标本的基因组学解析，我们正在重新书写植物病害的历史，也为应对现代农业面临的挑战，提供全新视角和数据基础。