四孢霉属真菌生态适应性基因组学研究：揭示水生腐生与植物内生生活方式的代谢潜能差异

《BMC Genomics》：Genomic insights into the ecological versatility of Tetracladium spp.

本研究针对四孢霉属(Tetracladium spp.)真菌生态功能多样性机制不清的问题，通过测序分析根内内生菌T. maxilliforme和水生腐生菌T. marchalianum基因组，结合41个子囊菌比较基因组学分析，发现二者具备完整的植物细胞壁降解酶系统但缺乏木质素降解关键酶，揭示了其通过碳水化合物活性酶(CAZymes)和次级代谢产物基因簇适应不同生态位的分子机制，为理解真菌生态适应性提供了重要基因组学见解。

　　

在淡水生态系统和陆地环境中，有一类形态特殊的真菌——四孢霉属(Tetracladium spp.)，它们以其独特的四放射状分生孢子而闻名。这些真菌不仅在水体中扮演着植物残体分解者的重要角色，近年来通过DNA测序技术发现，它们还广泛存在于土壤环境甚至植物根系内部，成为植物内生真菌群落的重要组成部分。然而，同一个四孢霉属物种如何适应水生腐生和植物内生这两种截然不同的生活方式？它们的基因组中隐藏着怎样的代谢密码使其能够在这两种生态位中自由切换？这些问题一直困扰着真菌生态学家。

以往的研究对四孢霉属真菌的生态功能存在争议。有些研究认为其陆地生活方式为水生生态系统提供了基因库，有利于维持基因型多样性；另一些研究则推测其内生特性可能有助于分解进入淡水环境的植物凋落物，但这一假说尚未得到证实。更为复杂的是，关于四孢霉属内生菌是否对宿主植物有益的研究结果也不一致，有些显示能促进植物生长和磷吸收，有些则未观察到明显效应。还有研究发现四孢霉属与植物病原真菌存在相互排斥关系，某些种类对细菌性植物病原菌具有拮抗作用。尽管四孢霉属在淡水生态系统中具有重要生态意义，但其陆地生活方式的研究仍然缺乏。

为了解决这些科学问题，英国华威大学等机构的研究团队在《BMC Genomics》上发表了最新研究成果。研究人员选择了两株代表性菌株：从欧洲油菜(Brassica napus)根系中分离的T. maxilliforme（代表内生生活方式）和从淡水环境中分离的T. marchalianum（代表腐生生活方式）。虽然这两个物种最初都是在淡水环境中被描述的，但它们也都曾在陆地生境中被发现，特别是T. maxilliforme在油菜根内的丰度显著高于土壤或根际环境。

研究团队采用牛津纳米孔技术(Oxford Nanopore Technologies)进行全基因组测序，结合Illumina平台的RNA测序数据，使用funannotate流程进行基因预测和功能注释。通过与41个不同生态型的子囊菌基因组进行比较分析，重点研究了碳水化合物活性酶(CAZymes)、脂酶、肽酶、转运蛋白和小分子分泌蛋白等基因家族。此外，还利用antiSMASH软件预测了次级代谢产物生物合成基因簇(BGCs)，并通过KEGG数据库分析了几丁质降解通路。

基因组特征分析

测序结果显示，T. maxilliforme基因组大小为35.5 Mbp，预测基因9657个；T. marchalianum基因组大小为33.3 Mbp，预测基因15230个。后者基因数量较多可能是由于基因组组装碎片化造成的。BUSCO评估显示两个基因组的完整性均较高（T. maxilliforme为99.1%，T. marchalianum为91.6%）。功能注释发现，两个基因组在CAZymes、脂酶、肽酶、转运蛋白等基因家族方面均比对照的43个子囊菌基因组更为丰富。

细胞壁降解酶特征

研究发现两个四孢霉属基因组都含有完整的纤维素降解酶系统，包括β-葡萄糖苷酶(EC 3.2.1.21)、内切葡聚糖酶(EC 3.2.1.4)和外切葡聚糖酶(EC 3.2.1.91)。特别值得注意的是，两者都含有丰富的AA9家族（裂解性纤维素单加氧酶）基因，这些酶能够为传统纤维素酶创造新的作用位点，直接氧化纤维素并削弱其超微结构。

在半纤维素降解方面，T. maxilliforme含有更多的半纤维素降解CAZyme家族（总计53个），而T. marchalianum则含有更多的果胶降解域（总计57个）。两个基因组都含有丰富的GH28和GH78家族果胶降解酶，这些酶在植物病原真菌侵染过程中起着关键作用，通过降解果胶暴露细胞壁其他成分，为纤维素酶和半纤维素酶的作用创造条件。

一个重要的发现是，两个基因组都缺乏木质素降解或修饰的关键酶，如漆酶(EC 1.10.3.2)、木质素过氧化物酶(EC 1.11.1.14)和锰过氧化物酶(EC 1.11.1.13)等，但都含有乙二醛氧化酶(EC 1.2.3.15)，这种酶可作为木质素降解氧化酶的辅助酶提供H₂O₂，也可能在防御其他真菌物种中发挥作用。

真菌细胞壁降解潜力

研究还发现两个四孢霉属基因组含有丰富的真菌细胞壁降解酶。T. maxilliforme含有更多的几丁质和葡聚糖降解相关基因，而T. marchalianum则含有更多的甘露聚糖降解基因。通过KEGG氨基酸糖和核苷酸糖代谢途径(map00520)分析，发现两个基因组都含有几乎所有已知真菌几丁质降解途径所需的酶，仅缺少细菌特有的脱乙酰基酶(EC 3.5.1.33)和激酶(EC 2.7.1.59)。

此外，T. maxilliforme基因组还编码肽聚糖降解酶，表明其具有降解细菌细胞壁的潜力，可能参与细菌-真菌相互作用。这一发现与之前报道的T. marchalianum对多种植物病原细菌的拮抗作用相呼应。

次级代谢产物生物合成基因簇

通过antiSMASH分析，研究人员在T. maxilliforme中预测到51个次级代谢产物生物合成基因簇(BGCs)，在T. marchalianum中预测到22个。这些基因簇中包括非核糖体肽合成酶(NRPS)、聚酮合酶(PKS)以及它们的杂合系统等。特别值得注意的是，一些基因簇与已知生物活性物质高度同源，如T. maxilliforme中的环酯肽aureobasidin A1（抗真菌抗生素）和enniatins（霉菌毒素），以及T. marchalianum中的xenortide A（抗微生物活性）。大多数BGCs与已知基因簇相似度较低或没有同源性，表明这两个菌株具有产生新型次级代谢产物的潜力。

生态适应性分析

通过比较脂酶和肽酶组成谱，发现四孢霉属基因组与内生菌或具有多种生态功能的基因组聚集在一起。转运蛋白分析显示，四孢霉属与其他内生或生态多样性基因组形成明显聚类，进一步支持了其生态多样性。此外，对脂肪酸合成(FAS)和硫胺素生物合成途径基因的分析表明，四孢霉属具有完整的胞质FAS通路，不同于从宿主植物获取脂肪酸的从枝菌根真菌，显示出一定的代谢独立性。

研究结论与意义

这项研究首次提供了四孢霉属真菌的高质量基因组资源，揭示了它们通过特定的酶系统适应不同生态位的分子机制。研究发现四孢霉属真菌具有完整的植物细胞壁降解能力（除木质素外），丰富的真菌细胞壁降解酶系统，以及多样的次级代谢产物合成潜力，这些特征共同支持了它们在淡水腐生和植物内生等多种生态环境中的生存和适应。

该研究不仅增进了我们对真菌生态适应性的理解，还为开发基于四孢霉属的生物技术应用（如生物防治、生物降解等）提供了理论基础。基因组中预测的新型次级代谢产物生物合成基因簇也为发现新的生物活性物质提供了线索。未来研究可通过实验验证这些基因组预测的功能，进一步揭示四孢霉属真菌在生态系统中的具体作用机制。