ISME：林科院袁志林等-冷杉优势真菌共生发育的基因家族趋同演化及平衡选择机制

百山祖冷杉相关真菌的基因组概况揭示了对内生菌的快速收敛适应

Genomic landscape of a relict fir-associated fungus reveals rapid convergent adaptation towards endophytism

The ISME Journal [IF: 10.302]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41396-021-01176-6

发表日期：2021-12-16

第一作者: Zhilin Yuan(袁志林)^1,2, Qi Wu(吴琦)³, Liangxiong Xu(徐良雄)⁴, Irina S. Druzhinina^5,6

通讯作者：Zhilin Yuan(袁志林)(yuanzl@caf.ac.cn)^1,2, Francis M. Martin(francis.martin@inrae.fr)¹⁴

合作作者:Eva H. Stukenbrock, Bart P. S. Nieuwenhuis, Zhenhui Zhong, Zhong-Jian Liu, Xinyu Wang, Feng Cai, Christian P. Kubicek, Xiaoliang Shan, Jieyu Wang, Guohui Shi, Long Peng

主要单位：

¹中国林业科学研究院(State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Chinese Academy of Forestry, 100091 Beijing, China)

²中国科学院亚热带林业研究所(Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Hangzhou 311400, China)

³中国科学院微生物研究所(State Key Laboratory of Mycology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, 100101 Beijing, China)

⁴惠州大学(School of Life Sciences, Huizhou University, Huizhou 516007, China)

⁵南京农业大学(Key Laboratory of Plant Immunity, Fungal Genomics Laboratory (FungiG), College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

⁶奥地利维也纳工业大学(Institute of Chemical, Environmental & Bioscience Engineering (ICEBE), TU Wien, Vienna A1060, Austria)

¹⁴法国洛林大学(Université de Lorraine, INRAe, UMR 1136 Interactions Arbres/Microorganismes, INRAe-Grand
Est-Nancy, 54280 Champenoux, France)

写在前面

近日，中国林科院亚热带林业研究所袁志林研究员团队在The ISME Journal期刊发表了题为 “Genomic landscape of a relict fir-associated fungus reveals rapid convergent adaptation towards endophytism”的重要研究成果。该研究成果通过比较和泛基因组分析，研究了百山祖冷杉(Abies beshanzuensis)针叶内生真菌(Pezicula neosporulosa)的碳水化合物代谢和次生代谢产物生物合成基因的扩张特性，揭示了冷杉优势真菌共生发育的基因家族趋同演化和平衡选择的分子机制。

研究内容的博文：https://go.nature.com/3HhoKwL 或者 https://ecoevocommunity.nature.com/users/yuan-zhilin

摘要

来自对百山祖冷杉(Abies beshanzuensis)针叶的内生真菌新孢无柄盘菌Pezicula neosporulosa (柔膜菌目Helotiales，子囊菌门Ascomycota)的比较和泛基因组的分析显示了碳水化合物代谢和次生代谢物生物合成基因的扩张特性，这些基因的特征为不相关与对植物有益的helotialean，如深色有隔内生菌和石蜡菌根真菌。相对年轻的上新世 Pezicula 属中的当前物种主要是腐生的，而 P. neosporulosa 缺乏这些特征。为了了解这种假定的趋同进化的基因组背景，我们对 77 个新孢子菌分离株进行了种群分析。这揭示了十几个非重组和高度遗传多态性亚群的镶嵌结构，具有独特的交配系统结构。我们发现一个可能重复的 mat1-2 基因的独特型在推定的异宗分离物中被发现，而另一个与 mat1-1 基因座同时发生，表明这些菌株的同体繁殖。此外，分别涉及植物细胞壁降解和次生代谢物生物合成的 24 个和 81 个基因显示出平衡选择的特征。这些发现突出了两个基因家族的进化模式，使真菌能够快速适应内生菌并促进多种共生相互作用。

正文

树木叶围内生真菌一般具有极高的遗传和功能多样性，能产生丰富的次生代谢活性物质并具有较强的腐生能力，这些性状为提升林木抗病虫害抗性及加快凋落物分解提供了关键物质基础。隶属于子囊菌门(Ascomycota)的柔膜菌目(Helotiales)通常是针叶树种的优势内生真菌，研究表明这些真菌可能与宿主协同进化了至少3亿年，但是维持这种互惠共生关系的遗传基础和演化机制仍是值得探索的一个重要基础性科学问题。研究团队很早就发现属于柔膜菌目的新孢无柄盘菌(P. neosporulosa)是极端濒危树种百山祖冷杉(仅分布在浙江庆元)的针叶优势内生真菌(Yuan et al., 2010, Fungal Biology)，将其鉴定为新种(Yuan and Verkley, 2014, Mycoscience)。为了揭示P. neosporulosa 是如何与冷杉建立互惠共生关系的，研究团队首先对新孢无柄盘菌基因组进行测序和系统基因组学分析，发现该菌位于进化树基部，是柔膜菌目中一个较古老的物种。比较基因组学分析表明，P. neosporulosa 与同一个目的其他已知共生真菌(如杜鹃花类菌根真菌、根系深色有隔内生真菌)遗传关系较远，而拥有类似的碳水化合物酶代谢家族(CAZymes)和次生代谢合成基因簇(SMBCs)成员，反而与分化~3.4个百万年的近缘种(腐生或弱毒性)P. sporulosa和P. cinnamomea差异较大。表明为了建立内生或菌根等共生关系，柔膜菌目不同真菌类群表现出明显的趋同进化机制；特别是某些基因家族如GH5(木葡聚糖酶)、AA9(纤维素降解辅助活性酶)和T1PKS(I型聚酮化合物合酶）可能是决定P. neosporulosa能否与宿主建立互惠共生的核心遗传要素。

图1 新孢无柄盘菌系统基因组学及CAZymes、SMBCs家族的比较基因组分析

研究还发现P. neosporulosa种群具有极其丰富的遗传多样性和表型可塑性，主要表现在木质纤维素降解酶和抑菌活性等方面的种内变异；77个菌株的核苷酸θpi多样性达到0.0093，遗传变异方式以SNPs和Indel为主。基于基因组重测序SNPs数据及群体基因组扫描方法，检测到CAZymes和SMBCs家族中很多基因的θpi, 中性检验Tajima’s D等数值以及pN/pS参数均明显高于基因组平均值，表明这些基因组区域存在平衡选择作用的信号，从而产生了多样化的互作共生方式，为提高P. neosporulosa的环境适应性提供了保障。

图2 新孢无柄盘菌活体营养和腐生型生活方式的循环以及种内表型与生理变异

图3 新孢无柄盘菌种群CAZymes、SMBCs家族中基因平衡选择信号检测

亚林所袁志林博士、中科院微生物研究所吴琦研究员、惠州学院徐良雄副教授以及南京农业大学Irina Druzhinina博士为共同第一作者。亚林所袁志林博士与法国农业科学院院士(中国林科院亚林所客座教授)Francis Martin博士为共同通讯作者。马普进化生物学研究所Eva Stukenbrock博士、慕尼黑大学Bart Nieuwenhuis博士、福建农林大学刘仲健教授和钟振晖博士等参与了部分工作。本研究获得中国林业科学研究院基本科研业务费(CAFYBB2019ZA001-3)和国家自然科学基金优秀青年项目(31722014)的资助。研究结果获得授权国家发明专利1件(ZL201910704502.5)。

Reference

Zhilin Yuan,Qi Wu,Liangxiong Xu,Irina S. Druzhinina,Eva H. Stukenbrock,Bart P. S. Nieuwenhuis, Zhenhui Zhong, Zhong-Jian Liu, Xinyu Wang, Feng Cai, Christian P. Kubicek, Xiaoliang Shan, Jieyu Wang, Guohui Shi,Long Peng,Francis M. Martin.Genomic landscape of a relict fir-associated fungus reveals rapid convergent adaptation towards endophytism. The ISME Journal,(2021). https://doi.org/10.1038/s41396-021-01176-6