最大的“神奇蘑菇”多样性研究调查了精神活性裸盖菇素的进化

对52个裸盖菇标本的基因组分析包括39个从未被测序的物种。裸盖菇出现的时间比之前认为的要早得多——大约6500万年前，作者发现裸盖菇素最早是在裸盖菇属的蘑菇中合成的。他们的分析揭示了在产生裸盖菇素的基因簇中有两个不同的基因序列。这两种基因模式对应于裸盖菇属的古代分裂，表明裸盖菇素在其进化史上有两次独立的获得。这项研究首次揭示了支撑精神活性蛋白合成的基因序列中如此强烈的进化模式。

　　

裸盖菇，俗称“神奇蘑菇”，几个世纪以来在中美洲的土著文化中有着深远的意义。在60年代和70年代，它们作为迷幻药的主要成分吸引了更广泛的世界关注。现在，这些臭名昭著的生物站在了精神健康革命的最前沿。裸盖菇素和裸盖菇素是在几乎所有种类的裸盖菇中发现的精神活性化合物，有望用于治疗创伤后应激障碍、抑郁症和缓解临终关怀等疾病。

为了利用裸盖菇素作为一种治疗药物，科学家们需要一个化合物潜在的遗传和进化的广泛路线图，这些信息并不存在。我们有限的知识来自于对大约165种已知裸盖菇中的一小部分的研究。大多数产生裸盖菇素的蘑菇自首次被发现以来一直没有被研究过——直到现在。

由犹他大学和犹他自然历史博物馆(NHMU)领导的一组研究人员完成了对裸盖菇属的最大基因组多样性研究。他们对52个裸盖菇标本进行了基因组分析，其中包括39个从未被测序的物种。

作者发现，裸盖菇的出现时间比之前认为的要早得多——大约在6500万年前，就在导致恐龙灭绝的小行星造成大灭绝的时候。他们确定，裸盖菇素最初是在裸盖菇属的蘑菇中合成的，从4000万到900万年前，有四到五种可能的水平基因转移到其他蘑菇中。

他们的分析揭示了在产生裸盖菇素的基因簇中有两个不同的基因序列。这两种基因模式对应于裸盖菇属的古代分裂，表明裸盖菇素在其进化史上有两次独立的获得。这项研究首次揭示了支撑精神活性蛋白合成的基因序列中如此强烈的进化模式。

“如果裸盖菇素确实是一种神奇的药物，那么就需要开发治疗方法来提高其疗效。如果它已经存在于自然界中呢?NHMU真菌学馆长、该研究的资深作者布林·丹丁格说。“这些化合物种类繁多。为了了解它们在哪里以及它们是如何形成的，我们需要做这种分子工作，利用生物多样性来发挥我们的优势。”

这项研究的所有裸盖菇DNA都来自世界各地博物馆收藏的标本。52个标本中有23个是“模式标本”，这是一种黄金标准，指的是一个物种，所有其他样本都是根据它来测量的。例如，假设你认为一种野生蘑菇是某种鸡油菌——你打赌你摘的蘑菇和博物馆里盒子里的实物是一样的。作者对模式物种的分子工作是真菌学的主要贡献，因为它为所有未来的裸盖菇多样性分类工作奠定了权威基础。

“这些模式标本代表了数百年来数千名科学家的集体努力，以记录多样性，早在人们考虑DNA之前，”亚历山大·布拉德肖(Alexander Bradshaw)说，他是大学的博士后研究员，也是这项研究的主要作者。“这就是它的美妙之处——没有人真正在这种规模上对类型标本进行测序，现在我们可以根据裸盖菇类型的黄金标准产生分子和基因组数据，供人们进行比较。”

这项研究发表在2024年1月9日的《美国国家科学院院刊》上。

一次穿越时空的旅行

先前的研究基于对三种裸盖菇的基因组分析，确定了产生裸盖菇素的四个核心基因簇。这些物种彼此密切相关，并且在产生裸盖菇素的基因簇中都有匹配的基因模式。这项研究扩大了52个裸盖菇标本的基因组学，揭示了第二种不同的模式。

瓜达拉哈拉大学(Universidad de Guadalajara)的真菌学家、该研究的共同主要作者弗吉尼亚Ramírez-Cruz说:“这项工作代表了对裸盖菇进化关系的理解迈出了一大步，因为它是第一次包括广泛的物种样本，并以类型标本为基础。”作者发现，17个标本具有原始顺序，35个标本具有新模式。

“我们已经证明，随着时间的推移，基因顺序发生了很多变化，这为生物技术提供了一些新的工具。如果你正在寻找一种表达基因的方法来产生裸盖菇素和相关化合物，你不再需要依赖于一组基因序列来做到这一点。现在有了巨大的多样性，科学家们可以研究许多不同的特性或效率，”丹丁格说，他也是犹他大学的生物学副教授。

对这群人的年代测定表明，大约在5700万年前，这两个基因簇模式发生了古老的分裂，这也与生态的转变相对应。第一个产生裸盖菇素的蘑菇可能是作为一个分解木材的群体出现的，然后在分裂后过渡到土壤中，一些物种，如裸盖菇(Psilocybe cubensis)，过渡到食草动物的粪便上生长。在它们的进化史上，向粪便的生态转变似乎至少独立发生过两次。

裸盖菇素对蘑菇有什么作用?

作者希望裸盖菇素的进化史能够澄清一个最基本的问题——裸盖菇素对蘑菇有什么作用?产生裸盖菇素的基因簇可能有一些好处，但没有人知道它是什么。

裸盖菇素的分子结构与5-羟色胺相似，并与5-羟色胺受体紧密结合，尤其是在5-HT2A上，这是一种著名的受体，许多致幻剂都与之结合。当一种化学物质与哺乳动物的这些受体以及昆虫和蛛形纲动物的类似受体结合时，它们会产生不自然的和改变的行为。一些人提出，这种精神状态的改变可能是对捕食的直接威慑。也有可能裸盖菇素起到泻药的作用，或者在孢子被完全消化之前诱导呕吐来传播孢子。然而，裸盖菇素蘑菇在野外很少出现，这使得动物不太可能学会识别它们。另一种理论是裸盖菇素是一种抵御昆虫的化学物质。然而，缺乏实证研究，作者的个人观察证实，含有裸盖菇素的蘑菇经常寄生健康、茁壮成长的昆虫幼虫。

作者们正在准备实验来检验另一种他们称之为腹足动物假说的理论。裸盖菇的时间和分化日期与KPg边界一致，KPg边界是小行星的地质标志，它使地球陷入了一个残酷而漫长的冬季，并杀死了80%的生命。在黑暗和腐烂中茁壮成长的两种生命形式是真菌和陆生腹足动物。包括化石记录在内的证据表明，在小行星撞击地球后，腹足类动物出现了大规模的多样化和繁殖，而且众所周知，陆生蛞蝓是蘑菇的主要捕食者。根据这项研究，裸盖菇素的分子年代大约在6500万年前，有可能裸盖菇素是作为一种鼻涕虫威慑物进化而来的。他们希望他们的喂食实验能够阐明他们的假设。

在2020年，作者设定了一个目标，为每个裸盖菇类型的标本获得基因组序列。到目前为止，他们已经生成了71个类型标本的基因组，并继续与世界各地的收藏合作。

“藏品对于这样的研究的重要性怎么强调都不为过。我们站在巨人的肩膀上，他们花费了成千上万的人力和精力来收集这些标本，所以我可以写一封电子邮件，要求获得稀有标本，其中许多只收集过一次，可能永远不会再收集了，”布拉德肖说。