基于泛基因组与群体遗传学的葡萄座腔菌目基因组进化与多样性研究：揭示植物病原真菌的适应性进化与毒力机制

《Fungal Diversity》：Genomic evolution and diversity in Botryosphaeriales: insights from pan-genomic and population genetic analyses of representative species

为解决Botryosphaeriales真菌基因组多样性及进化机制不清的问题，研究人员开展了泛基因组与群体遗传学分析。研究揭示了病原菌通过基因家族扩张、水平基因转移(HGT)及效应蛋白结构变异等机制驱动宿主适应性进化，为理解植物-真菌互作提供了新视角。

　　

在真菌王国中，有一类名为葡萄座腔菌目(Botryosphaeriales)的成员，它们既是森林和农业生态系统中重要的内生菌，也是导致植物溃疡病和枯梢病等严重病害的病原菌。这类真菌分布广泛，寄主范围极广，从裸子植物到被子植物都能发现它们的踪迹。然而，尽管其生态和经济重要性日益凸显，我们对它们的基因组多样性、进化机制以及致病性的遗传基础仍知之甚少。传统的分类学主要依赖形态特征和少数几个基因的序列分析，难以全面揭示其复杂的进化历史和适应性策略。随着高通量测序技术的发展，泛基因组(Pan-genome)分析已成为揭示物种内和物种间基因组变异、识别谱系特异性基因以及阐明适应性进化过程的有力工具。为了填补这一知识空白，研究人员对葡萄座腔菌目的代表性物种进行了系统性的基因组学研究，旨在解码其基因组进化轨迹和宿主适应策略。

为了回答上述问题，研究人员整合了多种前沿的生物信息学与基因组学技术。首先，他们利用Illumina和Oxford Nanopore双平台测序技术，对三种代表性物种——Botryosphaeria dothidea、Neofusicoccum parvum和Phyllosticta capitalensis——进行了高质量从头基因组组装。随后，通过比较基因组学、泛基因组分析、群体遗传学以及蛋白质语言模型(ESM-2)和结构预测(AlphaFold3)等方法，系统解析了该目真菌的基因组结构、基因家族进化、水平基因转移(HGT)事件以及效应蛋白的结构与功能多样性。研究还通过重测序技术分析了46株N. parvum和52株B. dothidea的群体遗传结构，并利用选择性清除分析(Selective sweep)鉴定了与适应性进化相关的基因位点。

Genomic diversity of Botryosphaeriales and the assembly of three high-quality reference genomes

研究人员首先构建了葡萄座腔菌目的系统发育树，并对其基因组特征进行了比较分析。结果显示，该目真菌的基因组大小、Contig N50和基因注释数量在不同科属间存在显著差异。为了获得高质量的参考基因组，研究团队利用混合组装策略，成功获得了B. dothidea、N. parvum和P. capitalensis的染色体级别基因组。这些基因组不仅组装质量高，而且BUSCO完整性评估得分均超过93%，为后续的深入分析奠定了坚实基础。功能注释发现，与内生菌P. capitalensis相比，病原菌B. dothidea和N. parvum在碳水化合物活性酶(CAZymes)、病原-宿主互作(PHI)数据库相关基因、细胞色素P450(P450s)以及真菌毒力因子(DFVF)等基因家族中表现出显著富集，暗示了这些基因在致病性中的潜在作用。

Genomic evolutionary analyses reveal genetic variation and selection pressures among different pathogenic Neofusicoccum parvum strains

为了探究种内基因组变异，研究人员对5株N. parvum进行了泛基因组分析。结果显示，N. parvum的泛基因组结构趋于闭合，表明其菌株间基因组相似度较高。然而，在群体水平上，对46株N. parvum的重测序分析却揭示了清晰的亚群分化。选择性清除分析发现，其中一个亚群在脂肪酸降解相关基因上受到了强烈的正向选择。结合致病性接种实验，研究人员发现该亚群的菌株表现出更强的致病性，提示脂肪酸降解途径可能在N. parvum的宿主定殖和致病过程中扮演了重要角色。

Genomic diversity and evolutionary insights into Botryosphaeria dothidea

对B. dothidea的研究则揭示了其高度的基因组可塑性。与N. parvum不同，B. dothidea的泛基因组分析显示其核心基因比例较低，而可变基因比例较高，表明其基因组具有更强的灵活性。对52株B. dothidea的群体遗传学分析将其划分为4个亚群，其中两个亚群之间存在明显的基因交流。选择性清除分析发现，不同亚群受到了不同的选择压力，例如一个亚群在硫代谢和谷胱甘肽代谢通路上受到选择，这可能与其应对宿主氧化胁迫的能力有关；而另一个亚群则在与萜类化合物生物合成相关的通路上受到选择，暗示了其在次级代谢方面的适应性进化。

Exploring cross-species pan-genomes: insights into genomic diversity and evolutionary dynamics

为了在属水平上探究基因组多样性，研究人员构建了叶点霉属(Phyllosticta)6个物种的超级泛基因组。结果显示，尽管这些物种地理分布广泛，但其泛基因组结构仍趋于闭合，核心基因家族占比较高，表明该属具有相对保守的基因组骨架。然而，基因家族扩张与收缩分析以及水平基因转移(HGT)检测揭示了其基因组动态进化的一面。研究发现了大量来自细菌甚至古菌的HGT候选基因，这些外源基因的引入极大地丰富了叶点霉属的基因组功能库，可能在其生态适应中发挥了关键作用。

Genomic synteny and effector protein evolution reveal structural plasticity and functional diversification across Botryosphaeriales

全基因组共线性分析表明，葡萄座腔菌目不同属间在宏观尺度上保持了高度的染色体结构保守性，这为功能基因的稳定遗传提供了基础。然而，与这种结构保守性形成鲜明对比的是，效应蛋白(Effector proteins)表现出了惊人的进化动态性。泛基因组分析显示，效应蛋白基因在核心基因组中的比例极低，具有高度的可塑性。利用蛋白质语言模型ESM-2对胞外效应蛋白进行聚类分析，成功将其划分为三个功能不同的簇，分别富集了果胶裂解酶、多糖裂解酶和甘露聚糖水解酶等植物细胞壁降解酶。进一步利用AlphaFold3进行结构预测发现，不同属的果胶裂解酶在底物结合区域存在显著的构象差异，这可能是其实现宿主特异性的结构基础。

本研究通过整合泛基因组、群体遗传学和结构生物学等多组学手段，系统揭示了葡萄座腔菌目真菌的基因组进化与多样性。研究发现，该目真菌在保持核心基因组结构相对稳定的同时，通过基因家族扩张与收缩、水平基因转移以及效应蛋白的快速进化等机制，实现了对多样化生态位的适应。特别是效应蛋白的结构多样性，为理解其宿主特异性提供了新的分子视角。这项研究不仅为葡萄座腔菌目的分类学和进化生物学研究提供了高质量的基因组资源，也为深入解析植物病原真菌的致病机制和开发新型病害防控策略奠定了坚实的理论基础。