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本文通过整合新的染色体水平组装、高质量基因预测及广泛的基因表达谱数据，对灰盖鬼伞（Coprinopsis cinerea）进行研究。改进了其基因注释，明确了饥饿、光响应和菌丝分化相关基因集，为研究蘑菇生命历程、光与应激反应及多细胞发育提供重要依据。
研究背景
蘑菇形成真菌（Agaricomycetes）在科学和工业领域作用关键，其基因组数据不断积累，但基因注释质量欠佳，基因功能了解不足。真菌基因组紧凑，基因间隔短、内含子少，存在 UTR 重叠、多顺反子转录等复杂情况，使得基因注释困难重重。灰盖鬼伞（Coprinopsis cinerea）作为重要的模式蘑菇物种，在研究蘑菇发育、减数分裂、有丝分裂和光生物学等方面具有重要意义，然而其在光和营养信号响应的分子机制方面仍不清楚。
实验方法
- 基因组组装：对灰盖鬼伞 Amut1Bmut1 #326 菌株的 13 条染色体进行测序和组装，利用 PacBio reads 将其组装成 23 个 scaffolds，通过与已有的基因组组装对比，并结合之前的 Nanopore - based assembly，使用 1000 个未知核苷酸（N1000）的连接序列对部分染色体进行连接，得到新的组装版本 CopciAB V2。
- 基因注释：运用 Nanopore 和 PacBio IsoSeq cDNA 测序（cDNA - seq）数据集，结合已有的两个注释信息，并进行手动检查和修正，预测基因模型。同时，对基因的 UTR、uORF、微外显子、保守序列元件等进行注释和分析。
- 转录组分析：采用 QuantSeq 技术对 67 种不同条件下的灰盖鬼伞进行基因表达谱分析，包括担子孢子和粉孢子萌发、菌丝在黑暗和光照诱导下的生长、菌丝结、菌核和子实体发育、碳饥饿以及 11 种胁迫条件等，以探究基因在不同条件下的表达变化。
实验结果
- 新的基因组组装：新组装的 CopciAB V2 基因组在结构和序列上与之前的组装版本存在差异，与其他版本相比，其含有更少的插入或缺失（indels）和单核苷酸多态性（SNPs）。在 13 条染色体中，12 条染色体至少有一端识别出端粒重复序列，平均长度为 150 bp，与其他丝状真菌和人类的端粒序列相似。
- 基因注释结果：预测出 13,617 个基因模型和 14,750 个转录本，其中 11,583 个有至少一个长读数据集支持。新注释在基因完整性、CDS、外显子和内含子的数量及长度等方面优于之前的注释。发现了大量的微外显子，部分基因模型中微外显子的缺失会导致提前终止密码子的产生。此外，还鉴定出了多种保守的基因组元件，如 Inr、TATA 盒、Kozak 序列等，以及 uORFs 和 UTR 的相关特征。
- 转录组分析结果
- 替代多聚腺苷酸化（APA）：通过 QuantSeq 分析，鉴定出大量的多聚腺苷酸化位点（PASs）和 PAS 簇（PACs）。PACs 在基因模型的 3′ UTR 和 CDS 区域富集，多数基因尤其是高表达基因倾向于使用一个 PAC，且该 PAC 通常导致最短的 3′ UTR。
- 基因表达与功能：在 67 种条件下，共鉴定出 12,569 个差异表达基因（DEGs）。通过对光诱导、形态发生和饥饿的时间进程数据进行分析，得到了核心饥饿响应基因、核心光响应基因和核心菌丝分化基因的共识基因列表。
- 碳饥饿：在碳饥饿实验中，确定了 1,759 个核心饥饿响应基因。这些基因涉及植物细胞壁降解酶（PCWDEs）、转运蛋白、转录因子等的编码，同时还发现了与自噬和真菌细胞壁重塑相关的基因，表明灰盖鬼伞在饥饿时可能进行碳源探索和细胞重塑。
- 光诱导：鉴定出 2,340 个核心光诱导基因，这些基因在光照后呈现出两个明显的上调波。早期基因与染色质重塑、DNA 修复和脂质代谢等相关，晚期基因则与转录调控、真菌细胞壁形成和 G 蛋白信号传导等有关，可能参与菌丝结的发育。
- 菌丝类型相关基因：分析了气生菌丝和附着菌丝的基因表达差异，发现两者在代谢过程、转录调控和细胞结构相关基因的表达上存在差异。气生菌丝中与疏水蛋白、细胞壁合成和重塑酶以及转录因子相关的基因表达更强，并且鉴定出了一些在气生菌丝和附着菌丝中持续上调的核心基因。
研究意义与展望
本研究产生了高质量的灰盖鬼伞基因注释，通过转录组分析揭示了其在饥饿、光响应和菌丝分化过程中的基因表达变化，为理解蘑菇的发育机制提供了重要信息。然而，研究也存在一定的局限性，如部分基因或特征的注释可能需要进一步完善。未来可通过功能实验和对非模式担子菌的研究，深入探究基因的调控机制和功能，以及不同物种间的差异。本研究为进一步研究蘑菇形成真菌和木质纤维素降解真菌的功能基因组学提供了重要的基础资源。
