地衣共生体染色体水平宏基因组揭示石蕊属真菌-藻类-细菌三方互作机制

《BMC Biology》：A reference metagenome sequence of the lichen Cladonia rangiformis

本研究通过对石蕊属地衣Cladonia rangiformis进行染色体水平的宏基因组组装，首次解析了地衣共生系统中真菌、藻类和细菌的完整基因组特征。研究人员采用PacBio长读长测序与多重分箱策略，成功组装出真菌(14条染色体/80.2 Mb)和共生藻Asterochloris mediterranea(18条染色体/65.7 Mb)的染色体水平基因组，并重建了18个细菌物种的基因组。研究发现地衣微生物组具有特异性富集特征，鉴定出潜在的水平基因转移事件和丰富的次级代谢产物基因簇，为理解地衣共生系统的演化与适应性提供了新视角。

　　

在崎岖的岩石表面和古老的树皮上，地衣以其独特的生存智慧顽强生长着。这些看似简单的生物，实则是真菌、藻类或蓝细菌组成的复杂共生体，被誉为生物共生现象的典范。然而，地衣共生系统的内部运作机制一直是个谜团，特别是其中微生物组的组成和功能至今未被完全揭示。传统上，地衣被认为是真菌与光合伙伴的双边共生关系，但越来越多的证据表明，细菌可能作为不可或缺的"第三方伙伴"参与其中，共同构成了一个完整的"全生物"系统。

为了深入解析这一复杂的共生系统，研究人员选择石蕊属地衣Cladonia rangiformis作为研究对象，在《BMC Biology》上发表了其染色体水平的宏基因组研究成果。地衣共生系统研究面临的主要挑战在于难以分离培养其中的各个共生伙伴，而宏基因组技术为直接在自然环境样本中解析多物种基因组提供了可能。

研究团队采用PacBio长读长测序技术结合Illumina短读长校正，对C. rangiformis地衣体进行深度测序，获得了高质量的宏基因组数据。通过创新的k-mer频率分析和转座子特征识别策略，成功将混合序列分离为真菌、藻类和细菌三大类群。特别值得关注的是，研究人员利用已发表的近缘物种染色体作为参考，成功将真菌和藻类的序列锚定到染色体水平，这是地衣研究领域的重大突破。

关键技术方法包括：PacBio长读长测序与Illumina校正的宏基因组测序技术；基于k-mer频率和转座子特征的多物种序列分离策略；使用MetaBAT2、CONCOCT等多重分箱方法重建细菌基因组；染色体水平支架构建采用近缘物种参考基因组比对；功能注释采用MAKER、RAST和antiSMASH流程；微生物组分析基于DIAMOND+MEGAN分类流程。样本来源于欧洲多个地区的29个石蕊属地衣样本。

基因组特征分析揭示独特进化适应

研究人员成功组装出C. rangiformis真菌的14条染色体，总大小为80.2 Mb，以及其共生藻A. mediterranea的18条染色体，总大小为65.7 Mb。基因组完整性评估显示，真菌和藻类的BUSCO完整性分别达到97.5%和97.1%，表明组装质量极高。

转座子分析揭示了两个基因组的显著特征。在藻类基因组中，研究人员发现了一对类似于禾本科植物着丝粒的特异性反转录转座子RLG_Beelzebufo和RLG_Quinta，这种独立进化出的着丝粒系统令人惊讶。而在真菌基因组中，检测到异常强烈的重复序列诱导点突变(RIP)特征，这种表观遗传修饰通常与有性生殖相关，提示这种地衣真菌可能比预期更频繁地进行有性重组。

微生物组分析揭示地衣特异性细菌群落

通过多重分箱策略，研究团队成功重建了18个细菌物种的基因组，这些细菌在地衣体中的丰度显著高于周围土壤样本，表明它们与地衣环境具有特异性关联。

微生物组分析显示，地衣体中富集了Acidobacteriaceae、Acetobacteraceae和Caulobacteraceae等细菌家族，而在土壤样本中则以Actinobacteria和Bradyrhizobiaceae为主。特别值得注意的是，Lichenibacteriaceae、Lichenihabitantaceae和Halomonadaceae等家族仅存在于地衣样本中，提示它们可能是地衣生态系统的专性共生菌。

水平基因转移事件揭示跨域遗传交流

研究发现了一个强有力的水平基因转移(HGT)证据：藻类A. mediterranea中的一个谷胱甘肽S-转移酶(GST)基因与细菌蛋白的相似性(93%)远高于藻类同源物(约50%)。系统发育网络分析进一步证实该基因与细菌同源物聚为一类，而藻类中祖先型的GST基因则与其他植物同源物聚集。

次级代谢产物基因簇展示生物活性潜力

研究团队在地衣全生物系统中鉴定了22类生物合成基因簇(BGC)，其中萜类类BGC最为丰富。在真菌C. rangiformis中发现了与地衣酸灰酸(grayanic acid)和6-羟基梅勒因(6-hydroxymellein)生物合成相关的基因簇，以及具有药理潜力的基因簇，如编码FR901512(他汀类HMG-CoA还原酶抑制剂)和克拉瓦酸(clavaric acid，Ras蛋白抑制剂)的基因簇。

研究结论强调，地衣共生系统是一个由真菌、藻类和特异性细菌群落组成的复杂全生物系统。染色体水平的宏基因组组装为理解这一独特共生系统的进化与功能提供了前所未有的视角。细菌微生物组可能在地衣生态适应中发挥重要作用，而水平基因转移和丰富的次级代谢产物基因簇则揭示了共生伙伴间深层次的遗传和代谢整合。

这项研究的意义在于建立了地衣研究的基因组学新标准，为解析复杂共生系统提供了方法论框架。研究结果不仅深化了对地衣生物学的理解，也为开发地衣来源的生物活性化合物提供了遗传基础。随着更多地衣宏基因组数据的产生，这一领域有望揭示更多共生系统运作的基本规律，为生态适应和共生进化研究开辟新的方向。