真菌基因组研究高分策略（一）：比较基因组揭示真菌菌丝和多细胞的起源

       真菌是陆地和水生生态系统的重要组分，在有机质循环和跨营养级养分流通等过程中发挥着重要作用。随着测序技术的发展，高通量测序揭示了真菌群落巨大的系统发育和功能多样性，高质量真菌基因组的组装已经成为研究菌丝和潜在基因的进化起源的有力工具。那么，如何有效应用比较基因组分析分析来重建菌丝和潜在基因的进化起源尚不清楚。

        一篇发表于《Nature communications》上的文章系统研究分析72个完整的真菌基因组，包括4种同源单细胞、41种菌丝和13种二次简化（酵母样）真菌以及14种非真菌亲缘关系的基因组。研究发现，菌丝在真菌进化的早期进化可能是通过多种遗传变化，包括古代真核生物（如吞噬作用相关）基因的选择和扩增、新基因家族的起源、基因复制和基因结构的改变等。我们的研究结果表明，菌丝代表了一种独特的多细胞组织，它是由有限的真菌特异性创新和基因复制进化而来的，但却是对古代真核生物功能的普遍选择和修饰。

发表期刊：Nature communications

发表时间：2019

影响因子：12.121

DOI: 10.1038/s41467-019-12085-w

主要结果

1、菌丝在早期真菌祖先中进化

        为了了解菌丝的起源，作者通过455个单拷贝直向同源物（图1a1）的超矩阵的最大似然和贝叶斯MCMC分析，构建了代表72个物种的物种系统发育。

        研究中物种系统发育得到了有力的支持，并概括了真菌最近基于基因组的系统发育，罗兹菌门(旧称隐真菌门，Rozellomycota)、芽枝霉门(Blastocladiomycota)和壶菌门(Chytridiomycota)分别从主干的第一、第二和第三个分支分裂。

图1 真菌菌丝多细胞化（MC）和潜在基因的进化

2、真菌中激酶、受体和粘合剂库没有扩张

       多细胞谱系中细胞-细胞通讯和粘附途径的复杂性增加通常与编码激酶、受体和粘附蛋白的基因库的扩大有关。结果表明，激酶、受体和粘附蛋白库的进化突出了真菌和其他多细胞谱系之间的重要区别。在丝状真菌中没有观察到这些家族的显著扩增，而激酶和粘附相关基因在复杂的多细胞真菌门中扩增。这可能是由真菌中复杂MC进化的两步性质来解释的。

图2 多细胞真菌中激酶、受体和粘附蛋白的进化

3、菌丝形态发生基因的进化

        作者建立了菌丝形态发生基因的数据集，以确定这些基因家族的变化是否与菌丝的进化相关。研究鉴定了651个菌丝多细胞相关基因，属于362个家族（来自519篇文献），这些基因大多来源于经过充分研究的模型系统，如烟曲霉、巢状芽孢杆菌、粗糙乳杆菌、酿酒酵母和白色念珠菌。

        菌丝形态发生基因家族的九个功能类别的基因复制/缺失史的重建如图1C所示。由此产生的一个普遍模式是，大多数基因家族在真菌中都是保守的，它们的起源早于菌丝（181个家族，50%，图3），表明真菌为菌丝生长选择了几种保守的真核功能。

        共选择可能是菌丝形态发生招募基因的主要机制，而基因复制显然不太普遍，除了转录调节因子和细胞壁相关基因。

图3 菌丝形态发生基因的系统发育年龄分布

4、吞噬细胞基因用于菌丝形态发生

       研究中发现一组菌丝形态发生基因包括几个与非真菌真核生物吞噬作用相关的功能基因，真菌中几个吞噬基因的保守性，尽管吞噬作用本身已经丧失。这突出表明，吞噬作用是菌丝生长基因募集的另一种机制。

图4 吞噬作用相关基因家族的进化史

5、全基因组筛选发现与菌丝相关的新基因家族

       作者推断菌丝MC的基因家族应该起源于BCZ节点或多样化，并在后代丝状真菌中保守。对符合这些标准的基因家族的系统搜索产生414个家族，其中114个起源于BCZ节点，这些家族在BCZ节点中的起源使它们成为菌丝MC进化的候选关键贡献者。

图5 方差分析鉴定了414个可能与菌丝MC进化有关的基因家族的起源（P < 0.05）

6、酵母保留菌丝形态发生所需的基因

       酵母是次级简化的生物，形成菌丝的能力降低，其生命周期的大部分时间都是单细胞。祖先特征状态重建意味着酵母来源于丝状祖先（图1a），因此它们代表了复杂性降低的经典例子。假设它们已经失去了MC，尽管大多数物种都存在菌丝生长的基本形式（称为假菌丝）。我们仔细研究了五个主要是酵母样谱系82中MC相关基因进化（图6）。分析表明，与具有其他功能的基因相比，菌丝形态发生基因通常对酵母来说不那么可有可无。这与大多数酵母样真菌在某些条件下能够转变为菌丝或假菌丝生长相一致。然而，推断出的基因损失确实表明菌丝生长减少，但这种减少比基因组中其他功能的减少要小。这反过来意味着，多细胞生长的能力是酵母样真菌优先保留的功能之一。

图6 二级简化的酵母样真菌保留了菌丝MC的基因

总结

        与其他多细胞谱系相比，多细胞真菌的进化表现出几种独特的模式。真菌中的多细胞性与其他谱系有很大不同，并提出了一种可能性，即除了进化MC的聚集和克隆模式外，真菌菌丝应被视为进化多细胞性的第三种质量不同的途径。菌丝代表着对陆地生命的高度成功适应性，而比较基因组学为剖析其出现的遗传基础提供了有力工具，也为讨论这些重大表型创新在遗传新颖性方面是代表重大还是微小转变打开了大门。

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参考文献

Comparative genomics reveals the origin of fungal hyphae and multicellularity. Nature communications, 2019.