Science里程碑：譜寫真菌基因組百科全書

日期：2012-07-02 08:40:43

由包括美國能源部聯合基因組研究所（DOE JGI）在內的20多家機構的研究人員組成的一個國際研究小組近日完成了對數十種真菌（fungi）完整基因組比較的綜合性研究，從而譜寫出了真菌基因組百科全書第一章。相關論文發布在最新一期（6月29日）的《科學》（Science）雜志上。

研究數據表明能夠分解木質素多聚體（維持植物細胞壁剛性）的真菌的進化可能在終止煤層形成中發揮了關鍵性的作用。隨著新真菌的出現，死亡植物物質可以被完全分解成基本化學成分。不再累積為可最終變為煤炭的泥煤，大量的植物生物質腐爛并以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

文章的資深作者、克拉克大學生物學家David Hibbett 說：“我們希望這將進入到生物學和地質學教科書中。當你讀到關于煤炭形成的書籍時，通常是就物理過程對其進行解釋，并且煤沉積的速度在石炭一二疊系（Permo-Carboniferous）末期降下來。那原因為何呢？有各種不同的解釋。白腐真菌（white rot fungi）的進化可能是一個因素，或許還是一個重要因素。一旦你擁有白腐菌，你就可以分解煤炭的主要前體木質素。因此白腐菌的進化是在碳循環演變過程中的一個非常重要的事件。

南加州大學地球科學和生物科學教授、環境研究負責人Kenneth Nealson說：“創造一種能夠破壞‘堅不可摧’物質的酶的想法真是偉大。其理念就是使穩定（不可食用）形式的有機碳變成可以食用，它不僅改變了我們對于過去全球能源儲存的看法，從這個意義上說這種想法還將對思考過去和現在產生重大的影響。”

在他們的研究中，Hibbett和同事們將焦點放在了擔子菌（Basidiomycetes）上。擔子菌包括了大部分人聯想到真菌即想到的熟悉的蘑菇種類。此外，還包括褐腐真菌(Brown-rot fungi)，可以通過分解建筑中的纖維素而殘留木質素導致房屋破壞，以及紙漿造紙工業感興趣可以分解兩種類型多聚物的白腐菌。本研究對31種褐腐菌和白腐菌基因組進行了比較，其中26種的測序工作在DOE JGI完成。

DOE JGI真菌基因組計劃負責人Igor Grigoriev指出比較真菌基因組研究強調持久的興趣支持能源部的使命，利用真菌酶將諸如纖維素等生物聚合物轉變為單糖以優化生物燃料生產。在此追求下，Grigoriev和同事們促成了越來越多第一的清單。他說：“DOE JGI曾經測序第一種真菌，也是白腐真菌第一個基因組。幾年后，我們測序了首個褐腐真菌。在第一個真菌基因組后不到10年的時間，我們提供了首個大規模朽木菌（wood-decaying fungi）的比較。”

有多個真菌基因組在手，研究小組比較了DNA序列以尋找與木材腐朽相關的酶的編碼基因家族。他們特別側重了稱之為II類真菌過氧化物酶的酶類，研究結果證實這類酶存在于白腐真菌，而不存在于褐腐真菌中，表明它們在分解植物木質素中發揮了作用。

研究人員隨后利用分子鐘分析追蹤了這類酶在整個真菌譜系的進化。就像鐘指針以確定的速度繞著刻度盤移動，基因以大致不變的速度累積了突變。這一改變速率使得研究人員能夠回溯，基于分歧量估計兩種譜系最后共享共同祖先的時間

比較分析表明大約在2.9億年前，恰好在石炭紀的末期，能夠分解木質素的白腐真菌祖先出現了。在此之前，真菌不具備這一能力，因此植物物質中的木質素不會被降解，從而這些富含木質素的殘余物隨時間在土壤內累積。因為分子鐘分析有大量的錯誤，真菌“化石”還需要校準。在這一研究中，分子鐘分析對照三種真菌化石進行了校準。Hibbett說越多的化石有助于改善時期評估。他補充說：“不幸的是，真菌化石非常罕見，且容易被忽視。”他說他的研究團隊正在有興趣嘗試重建祖先白腐真菌的基因組。“我們的動機是了解負責木質素降解的這一代謝信號是何時出現的。這就是為何在這項研究中我們需要有如此多真菌基因組的原因。直到最近，都還需要大量的工作才能一次得到一種基因組。現在我們有了比較真菌基因組計劃，我們正過渡到一個擁有數以百計的真菌基因組的冷卻期。”

研究的共同作者、俄勒岡州立大學教授Joseph Spatafora同意Hibbett的評價，認為研究小組的這些發現可能會改變生物學和地質學教科書。“當你看到煤沉積減少這一特殊現象時，絕大多數解釋是非生物的，這看起來不像是完整的故事，”他說。

Grigoriev說這篇論文是真菌基因組百科全書第一個產品。DOE JGI傘形物計劃將真菌基因組測序的努力側重在DOE有關的能源和環境任務上。Grigoriev說：“該論文是百科全書的第一章。產生的數據生成了工業感興趣的木質纖維素酶最全面的目錄。我們現在得到了跨越非常不同系統發生的所有基因的藍圖，我們還將獲得更多。這是一個巨大的進步。下一個里程碑是1000真菌基因組計劃完成擔子菌整個多樣性研究。”