裂壳属真菌中与二倍体样生命周期相关的交配型染色体逐步重组抑制演化

《Molecular Biology and Evolution》：Stepwise recombination suppression around the mating-type locus associated with a diploid-like life cycle in Schizothecium fungi

本研究针对真菌性染色体演化的核心问题，探讨了裂壳属(Schizothecium)真菌中交配型(MAT)位点周边重组抑制的演化模式。研究人员通过对16种假同宗配合和3种异宗配合姊妹种的基因组分析，发现所有假同宗配合物种的MAT位点周边均存在600kb-1.6Mb的非重组区域，且呈现多个进化层，支持重组抑制与二倍体样生命周期的严格关联。该研究为理解无性拮抗选择下重组抑制的演化机制提供了新证据，发表于《Molecular Biology and Evolution》。

　　

在真菌王国中，性染色体的演化一直吸引着进化生物学家的目光。特别是在子囊菌门(Ascomycota)真菌中，交配型(MAT)位点周边重组抑制的演化规律及其与生活史策略的关联，仍是未解之谜。传统理论认为，性染色体重组抑制的扩展主要受性拮抗选择驱动，但真菌的交配型染色体并不决定雌雄性别，这一假说显然无法适用。那么，究竟是什么力量推动了真菌交配型染色体重组抑制的演化呢？

以往研究表明，在链孢菌目(Sordariales)中，重组抑制仅发现于具有假同宗配合(pseudo-homothallism)生活史的物种，如四孢脉孢菌(Neurospora tetrasperma)和鹅柄孢壳菌(Podospora anserina)。这些真菌能产生自育的菌体，其细胞中含有两种不同交配型的细胞核，呈现二倍体样特性。与之相反，异宗配合(heterothallism)物种的每个细胞仅携带单一交配型，需要不同菌体间交配才能完成有性生殖。这种生命周期的差异是否必然导致重组抑制的分化，成为本研究关注的核心科学问题。

为了深入解析这一科学问题，研究人员将目光投向了裂壳属(Schizothecium)真菌。这一属类群具有独特的进化地位：不仅包含假同宗配合和异宗配合物种，而且三个物种复合群（S. tetrasporum、S. pseudotetrasporum和S. octosporum）之间的分化时间长达1000-1500万年，为研究重组抑制的多次独立演化提供了理想模型。特别值得注意的是，异宗配合的S. octosporum物种复合群竟然嵌套在两个假同宗配合物种复合群之间，这种特殊的系统发育关系为检验重组抑制与交配系统的关联提供了天然实验材料。

研究人员首先对33个假同宗配合菌株进行全基因组测序，通过计算杂合SNP密度(heterozygosity score)来探测重组抑制区域。结果显示，所有13个假同宗配合物种的MAT位点周边都存在明显的杂合区域（640kb-2.45Mb），与基因组其他区域的高度纯合形成鲜明对比。这一模式强烈暗示这些区域的重组受到抑制。通过连锁不平衡(linkage disequilibrium)分析和基因谱系构建，进一步验证了重组抑制的存在：在MAT近端区域，SNP间呈现高连锁不平衡，且等位基因按交配型聚类而非按物种聚类。

尤为有趣的是，研究人员在不同物种中发现了进化层(evolutionary strata)的存在——这些相邻区域具有不同的分化水平，表明重组抑制是逐步扩展的。进化层的数量（1-3个）、大小和位置在物种间存在显著差异，暗示重组抑制事件可能是多次独立发生的。这一推断得到了跨物种多态性(trans-specific polymorphism)分析的支持：除S. ditetrasporum和S. octatetrasporum两个姊妹种在MAT位点附近的2个基因显示跨物种共享等位基因外，其他物种均缺乏此类证据，表明大多数重组抑制事件发生在物种分化之后。

为验证重组抑制与生活史策略的关联，研究人员对异宗配合物种进行子代分析。结果表明，在S. dioctosporum和S. aff. vesticola中，重组事件可发生在距MAT位点仅86kb的区域，这与假同宗配合物种中至少600kb的非重组区域形成鲜明对比。这一发现强有力地支持了重组抑制与假同宗配合生活史的严格关联。

通过长读长测序技术，研究人员还揭示了MAT近端区域的基因组结构特征。在S. ditetrasporum PSN589菌株中发现了430kb的倒位(inversion)，而在S. pentapseudotetrasporum PSN377中交配型染色体完全共线性。更重要的是，两个假同宗配合物种复合群之间存在一个固定的268kb倒位，而复合群内部基因组结构保守，这为独立重组抑制事件提供了结构证据。转座子元件(transposable element)分析显示，非重组区域并未出现转座子富集，表明这些年轻的重组抑制区域尚未出现明显的基因组退化迹象。

关键技术方法

本研究整合了多种基因组学技术：采用Illumina短读长测序对33个假同宗配合菌株进行全基因组变异检测；利用牛津纳米孔技术(Oxford Nanopore Technologies)完成8个高质量基因组组装；通过子代分析验证异宗配合物种的重组模式；运用连锁不平衡分析和基因谱系重建推断重组抑制历史；结合变化点分析(changepoint analysis)和峰值差异法识别进化层。

重组抑制在假同宗配合谱系中的证据

通过杂合SNP密度分析，在所有13个假同宗配合物种中检测到MAT位点周边存在640kb-2.45Mb的杂合区域，与基因组其他区域的高度纯合形成对比，表明这些区域重组受到抑制。连锁不平衡分析显示，在S. tetrasporum sensu stricto和S. tritetrasporum中，MAT近端区域存在显著的高连锁不平衡块，进一步支持重组抑制的推断。

假同宗配合谱系中的进化层

研究发现假同宗配合物种中存在1-3个不等的进化层，表明重组抑制是逐步扩展的。进化层的数量、大小和位置在物种间存在变异，支持重组抑制多次独立发生的假说。除少数物种外，大多数物种缺乏跨物种多态性证据，表明重组抑制事件主要发生在物种分化之后。

异宗配合物种MAT近端区域的重组

子代分析显示，异宗配合物种在MAT位点附近存在正常重组，重组事件可发生在距MAT位点仅86kb的区域。这与假同宗配合物种中至少600kb的非重组区域形成鲜明对比，支持重组抑制与假同宗配合生活史的关联。

MAT近端区域的基因组重排

长读长基因组组装揭示了物种间和交配型染色体间的结构变异。两个假同宗配合物种复合群之间存在固定的268kb倒位，而复合群内部保守。在S. ditetrasporum PSN589中发现了交配型染色体间430kb倒位，而在S. pentapseudotetrasporum PSN377中完全共线性。

非重组区域无转座元件富集

转座子密度分析表明，MAT近端非重组区域并未出现转座子元件的显著富集，与基因组其他区域相比无统计学差异，提示这些年轻的重组抑制区域尚未出现明显的基因组退化。

本研究系统揭示了裂壳属真菌中交配型染色体重组抑制的演化模式，为理解无性拮抗选择下重组抑制的演化机制提供了重要见解。所有假同宗配合物种均表现出MAT位点周边的重组抑制和进化层形成，而异宗配合物种保持正常重组，强有力地支持了重组抑制与二倍体样生命周期的关联。多次独立的重组抑制事件、物种特异的进化层模式以及缺乏转座子富集等特征，均表明这些重组抑制区域相对年轻，为研究性染色体演化的早期阶段提供了宝贵模型。

研究的创新性在于首次在同一个属内系统比较了不同交配系统物种的重组抑制模式，揭示了生活史策略对基因组演化的深远影响。特别是假同宗配合物种中必须的单一交叉事件与重组抑制扩展方向之间的关联，暗示了发育约束在染色体演化中的作用。这些发现不仅深化了对真菌性染色体演化的理解，也为研究其他生物中超级基因(supergene)的演化提供了重要参考。

该研究建立的裂壳属真菌模型，为后续探讨有害突变庇护(sheltering of deleterious mutations)在重组抑制演化中的驱动作用奠定了基础。未来研究可结合实验进化与群体基因组学方法，直接检验假同宗配合生活史通过庇护有害突变而促进重组抑制的理论假说，从而揭示性染色体演化的普适性规律。