比较基因组分析揭示毛霉亚门细根内生菌丛枝菌根真菌的独特共生特征

《BMC Genomics》：Comparative genomic analysis of a metagenome-assembled genome reveals distinctive symbiotic traits in a Mucoromycotina fine root endophyte arbuscular mycorrhizal fungus

本研究针对细根内生菌(FRE)形成丛枝菌根(AM)的毛霉亚门真菌基因组信息缺乏的问题，通过宏基因组组装基因组(MAG)技术，首次解析了Planticonsortiaceae科真菌的基因组特征。研究发现该MAG与球囊霉亚门(G-AMF)共享脂肪酸营养缺陷型等专性生物营养特征，但具有更完整的纤维素降解能力和维生素B6合成途径，揭示了其独特的生态位分化机制，为理解两种AM真菌的互补生态功能提供了基因组学证据。

　　

在植物与微生物的共生关系中，丛枝菌根(AM)被认为是最普遍且古老的共生形式之一，它能够帮助植物从土壤中获取磷、氮等营养元素，以换取植物光合作用产生的碳源。传统上，形成AM的真菌都被归为球囊霉亚门(G-AMF)。然而，近年来的研究揭示，还有一类形态上被称为"细根内生菌"(FRE)的真菌，虽然也能形成丛枝结构，却属于毛霉亚门(Mucoromycotina)，被称为M-AMF或MFRE。这两类真菌在全球范围内广泛分布，经常在同一根系中共存，但它们的功能差异和生态位分化机制却鲜为人知。由于M-AMF是专性共生菌，难以纯培养，其基因组信息和共生机制一直是个未解之谜。

为了解决这一难题，Joshua Cole等研究人员在《BMC Genomics》上发表了一项创新性研究，他们采用宏基因组组装基因组(MAG)技术，直接从富含FRE的根样本中组装出了首个M-AMF的基因组。这项研究不仅揭示了M-AMF独特的基因组特征，还通过比较基因组学分析，阐明了其与G-AMF在营养获取和生态功能上的差异。

研究人员主要运用了几项关键技术：首先通过选择性土壤筛分技术从澳大利亚西澳大利亚州采集的土壤中培育出富含M-AMF的紫花苜蓿(Trifolium subterraneum)根系样本；接着采用Illumina HiSeq平台进行宏基因组测序，利用SPAdes组装器和CONCOCT分箱软件构建MAG；同时通过18S rRNA基因扩增子测序和纳米孔长读长测序进行系统发育分析；最后运用比较基因组学方法，将MAG与274个真菌基因组进行功能特征比较，重点关注碳水化合物活性酶(CAZymes)、转运蛋白和特定代谢通路。

系统发育定位和基因组特征

通过18S rRNA基因和434个蛋白标记基因的系统发育分析，确认该MAG属于毛霉亚门中的Densosporales目、Planticonsortiaceae科，与已知的细根内生菌Planticonsortium tenue亲缘关系最近。组装出的基因组大小为37.37 Mbp，完整度估计为73.1%，共预测到10,872个蛋白质编码基因。

比较基因组学分析

与G-AMF相比，MAG显示出相似的专性生物营养特征：植物细胞壁降解酶(PCWDE)数量较少(37个)，缺乏脂肪酸和硫胺素合成通路。然而，MAG具有更丰富的微生物细胞壁降解酶(MCWDE)，特别是几丁质酶(38个)和甘露聚糖酶(9个)数量显著高于G-AMF。更重要的是，MAG拥有完整的纤维素降解通路(内切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶和外切葡聚糖酶)，而G-AMF则缺乏这一能力。

转运蛋白特征

在营养转运方面，MAG与G-AMF都含有丰富的钙转运蛋白(50个)，这可能与丛枝生命周期调控有关。但MAG的硝酸盐(2个)、铵(5个)和铜(6个)转运蛋白数量明显低于G-AMF，暗示着两者在氮素和微量元素获取策略上存在差异。

缺失的球囊霉核心基因(MGCG)分析

MAG与G-AMF都缺乏脂肪酸合成酶和硫胺素合成途径，但MAG保留了完整的维生素B₆合成能力，包括关键的吡哆醇激酶，而G-AMF则缺乏这一代谢途径。

研究结论与意义

这项研究首次揭示了M-AMF的基因组蓝图，证实了其与G-AMF在共生生活方式上存在显著功能分化。虽然两者都表现出向专性共生演化的特征(如PCWDE减少、脂肪酸营养缺陷型)，但M-AMF保留了更强的有机质降解能力，特别是对微生物细胞壁成分(几丁质、甘露聚糖)和纤维素的分解潜力。这种差异可能支持它们在自然生态系统中的生态位分化：G-AMF更专注于矿物营养获取，而M-AMF可能通过降解有机物质(如真菌残体)来获取氮素等营养。

研究成果不仅为理解AM真菌的进化提供了新视角(两种AM共生可能独立起源但功能收敛)，也为农业生态系统中菌根真菌的组合应用提供了理论依据。由于M-AMF对维生素B₆的自主合成能力和更强的抗氧化压力耐受性，它们可能在逆境条件下具有特殊生态功能。未来研究需要获取更多M-AMF基因组来验证这些发现，并结合转录组学进一步揭示其基因表达调控机制。

这项研究开发的MAG构建方法也为研究其他不可培养的专性共生微生物提供了技术范例，将有力推动"暗物质"微生物功能的发掘和理解。