生菜叶际真菌的生物合成潜力：系统基因组学揭示代谢多样性及其农业应用价值

本研究针对生菜叶际真菌的生物合成潜力未充分探索的问题，通过比较基因组学分析了9株从干旱环境下生长的生菜叶片中分离的真菌菌株。研究人员利用antiSMASH和dbCAN3等工具预测了生物合成基因簇(BGCs)和碳水化合物活性酶(CAZymes)，并与不同来源的同种菌株进行比较。结果表明，真菌物种身份而非生态位是BGC含量的主要决定因素，同时检测到包括交链孢酚(alternariol)和1,3,6,8-四羟基萘(T4HN)在内的多种次级代谢产物基因簇。该研究为叶用作物微生物组工程提供了基因组学基础，对作物保护和食品安全具有重要意义。

　　

在现代农业体系中，作物叶片表面的微生物群落扮演着至关重要的生态角色，尤其是那些能够产生特殊代谢产物的真菌。这些微生物通过其生物合成基因簇(BGCs)编码的次级代谢产物，不仅影响植物健康，还可能关系到食品安全和作物抗逆性。然而，对于生菜这类生食叶用作物，其叶际真菌的功能潜力特别是生物合成能力，至今仍缺乏系统性的基因组学研究。

生菜(Lactuca sativa L.)作为全球广泛种植的叶用蔬菜，其叶际微生物组尤其是真菌群落的研究相对滞后。以往研究多集中于细菌群落，而对非病原真菌的关注较少。在干旱农业环境下，生菜叶际真菌面临着紫外线辐射、水分胁迫和温度波动等多重压力，这些环境因素可能塑造其代谢特征和生态功能。此外，由于生菜通常生食，其叶际真菌产生的代谢产物可能直接影响消费者健康，这使得相关研究更具紧迫性。

为了解决这一知识空白，研究人员开展了针对干旱环境下田间生长生菜叶际真菌的生物合成潜力研究。通过对9株代表性真菌分离株进行全基因组测序和分析，研究人员系统评估了这些真菌的生物合成基因簇多样性和功能特征，并与来自其他环境和宿主的同种菌株进行了比较。

研究采用了多项关键技术方法：从美国亚利桑那州田间生长的生菜叶片中分离培养真菌菌株；通过Illumina NovaSeq平台进行全基因组测序（覆盖度≥50×）；使用antiSMASH v7.1.0预测生物合成基因簇；采用BiG-SCAPE v2.0.0b5进行基因簇家族分析；通过dbCAN3进行碳水化合物活性酶注释；并利用线性回归模型分析BGC数量的影响因素。

研究结果从多个角度揭示了生菜叶际真菌的生物合成特征：

基因组基本特征显示，9株生菜叶际真菌的基因组大小在33-67Mb之间，GC含量为49-53%，基因数量差异显著，其中Fulvia fulva基因数量最少(7,494个)，而Alternaria alternata strain AEH-2440基因数量超过21,000个。

BGC预测和分布方面，研究人员共鉴定到28种不同类型的BGCs，总计473个基因簇。这些包括非核糖体肽合成酶(NRPS)、I型聚酮合酶(T1PKS)、萜烯类、真菌核糖体合成和翻译后修饰肽(RiPP-like)以及各种混合类型。每个菌株的BGC数量在39-95个之间，即使在同种菌株内也存在显著变异。

比较分析结果表明，真菌物种身份是BGC数量的显著预测因子(p=0.0027)，而宿主类型（生菜叶际与非生菜叶际）、分离来源（叶、根、茎或土壤）和生活方式（附生、内生或病原）均无显著影响。这一发现挑战了生态过滤导致生物合成基因减少的传统假设。

特定BGC分析揭示了两个与生态功能和食品安全密切相关的基因簇：交链孢酚(alternariol)和1,3,6,8-四羟基萘(T4HN)生物合成基因簇。交链孢酚簇在16个分离株中被检测到，包括10个A. alternata和6个A. postmessia菌株，与MIBiG数据库中的参考簇BGC0001284显示100%相似性。T4HN簇在14个分离株中发现，包括8个A. alternata、5个A. postmessia和1个F. fulva，与参考簇BGC0001258高度相似。

BiG-SCAPE聚类分析将1,146个BGCs归类为175个基因簇家族(GCFs)，没有单例簇。不同类别的GCF数量分别为：54个NRPS、32个RiPP、36个PKS、26个萜烯类以及17个NRPS+PKS混合型等。

CAZyme分析以Fulvia fulva为重点研究对象，发现生菜来源的分离株(AEH-2362)含有1,946个CAZyme相关基因，高于番茄来源菌株(1,688-1,698个)。生菜分离株在糖苷水解酶(GH, 342个基因)和辅助活性酶(AA, 113个)方面尤其丰富。

研究结论强调，生菜叶际真菌拥有丰富的生物合成潜力，其BGC含量主要受系统发育背景而非生态位的影响。这一发现对理解植物-微生物互作和开发微生物组工程策略具有重要意义。研究人员检测到的交链孢酚和T4HN等基因簇的存在，提示需要进一步研究这些代谢产物在植物体内的表达情况及其对食品安全的影响。

讨论部分指出，研究结果不支持 domestication 导致微生物基因组精简的假设，相反，表明功能影响可能更加微妙，通过调节动态或关键生物合成途径的选择性保留来实现。研究还揭示了antiSMASH和BiG-SCAPE在BGC分类中的方法论差异，强调了使用多种互补方法全面解析真菌基因组BGC多样性的重要性。

该研究的发现为叶用作物的微生物组工程提供了重要见解，强调了在设计和实施微生物群落时考虑系统发育背景的重要性。通过基因信息指导真菌分离株的选择，可以开发出针对生菜生产的靶向生物刺激剂或生物防治剂，减少化学投入品使用，同时增强作物抗逆性。此外，认识到生物合成能力的系统发育约束，可能有助于预测未来微生物组组装或合成群落中真菌成员的功能潜力。