《Journal of Fungi》：Comparative Genomic Insights into the Diversification of Agaricomycotina Within the Phylum Basidiomycota
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担子菌门（Basidiomycota）是一个多样化的真菌门，其主要亚门展现出截然不同的演化历史，其中伞菌亚门（Agaricomycotina）代表了物种最丰富、形态最多样化的谱系。为探究与这些差异相关的基因组模式，研究人员对353个担子菌门（Basidiomy
担子菌门（Basidiomycota）是一个多样化的真菌门，其主要亚门展现出截然不同的演化历史，其中伞菌亚门（Agaricomycotina）代表了物种最丰富、形态最多样化的谱系。为探究与这些差异相关的基因组模式，研究人员对353个担子菌门（Basidiomycota）基因组及8个外群基因组进行了比较系统发育基因组学分析。时间校准树表明，伞菌亚门（Agaricomycotina）是主要担子菌亚门中最年轻的谱系，其起源时间约为2.9532亿年前（Ma），而伞菌纲（Agaricomycetes）的主要多样化发生于侏罗纪和白垩纪。对1123个保守BUSCO直系同源基因树的调和分析揭示了主要亚门间推断的基因复制与丢失模式存在显著差异，其中最大的推断复制事件发生在伞菌纲（Agaricomycetes）内部。比较分析进一步表明，伞菌亚门（Agaricomycotina）拥有的碳水化合物活性酶（CAZymes）和生物合成基因簇（BGCs）库显著大于柄锈菌亚门（Pucciniomycotina）和黑粉菌亚门（Ustilaginomycotina），尤其在具有复杂子实体形态的丝状腐生谱系中表现突出。此外，伞菌亚门（Agaricomycotina）表现出更大的根到端进化距离和基因数量，而柄锈菌亚门（Pucciniomycotina）拥有更大的基因组，黑粉菌亚门（Ustilaginomycotina）则呈现紧凑且富含GC的基因组。综合来看，这些发现表明生态时机、推断的基因组演化模式、扩展的功能库以及独特的基因组特征与伞菌亚门（Agaricomycotina）的多样化及其卓越的物种丰富度相关联。该研究为探究担子菌门（Basidiomycota）主要亚门间的演化多样化提供了一个比较系统发育基因组学框架。
一、研究背景与科学问题
担子菌门是真菌界中多样性最高且功能关键的类群之一。在该门内部，伞菌亚门是物种最丰富、形态最多样化的谱系，涵盖了绝大多数大型真菌，即蘑菇形成真菌，它们是木材分解的主导者、木本植物的关键共生伙伴，也是全球已知真菌多样性的主要贡献者。与之形成鲜明对比的是，其他主要担子菌亚门，即柄锈菌亚门和黑粉菌亚门，主要由植物病原菌和酵母组成，形态较为简单，生态角色较为局限。这些在物种丰富度、生态多样性和形态复杂性方面的显著差异表明，担子菌的主要谱系遵循了截然不同的演化轨迹。
以往研究提出了若干可能促成这些对比演化模式的非互斥因素。第一，时机和生态机会被认为是主要驱动因素，谱系多样化由重大环境变化催化，例如被子植物主导森林的兴起为分解和共生提供了新生态位。第二，通过基因家族动态实现的基因组创新，包括提供遗传原材料的大规模复制以及促进特化的后续丢失，被认为在表型演化和适应性辐射中发挥重要作用。第三，功能代谢工具库的扩展，特别是编码碳水化合物活性酶和用于次级代谢的生物合成基因簇的基因，与生态位宽度和生态策略相关。最后，整体基因组架构往往反映长期生活史策略，从适应性动态到还原性精简。尽管这些因素作为真菌演化的个体贡献者已被充分确立，但它们在担子菌门主要亚门间的组合模式尚未被全面评估。因此，需要更广泛的比较框架来检验系统发育历史、基因内容演化、功能基因库和基因组特征在主要担子菌谱系间的差异。
二、研究内容与核心结论
研究人员提出假设：担子菌门主要谱系间对比鲜明的多样化模式与谱系特异的基因组演化差异相关，包括基因复制和丢失模式、功能库扩展以及基因组架构变异。为验证该假设，研究人员利用353个基因组的数据集开展了比较系统发育基因组学分析。具体而言，研究人员建立了稳健的时间校准系统发育树以确定多样化时间线；通过保守BUSCO直系同源基因树调和重建了基因复制和丢失模式；比较了与生态和形态性状相关的CAZyme和BGC库；并评估了主要谱系间的基本基因组特性。
研究得出以下核心结论：伞菌亚门起源于晚石炭世约2.9532亿年前，是主要担子菌亚门中最年轻的谱系，但随后多样化为担子菌门内物种最丰富的谱系，伞菌纲的冠部分化始于晚三叠世约2.0658亿年前，主要多样化发生在侏罗纪和白垩纪，与针叶林扩张和被子植物主导生态系统的兴起时间大致吻合。基因调和分析显示，伞菌纲核心节点处存在最大的推断复制事件，约1.3122亿年前，随后伴随大量谱系特异的基因丢失。比较分析表明，伞菌亚门拥有的CAZyme和BGC库显著大于其他主要亚门，且这种扩展与丝状生长形式、腐生生活方式和复杂子实体形态持续相关。在基因组特性方面，伞菌亚门表现出更大的根到端进化距离和更高的基因数量，柄锈菌亚门拥有最大的基因组但基因数量未成比例增加，黑粉菌亚门则呈现紧凑且富含GC的基因组。这些发现表明，生态时机、基因组演化模式、扩展的功能库和独特的基因组特征共同与伞菌亚门的多样化及其卓越物种丰富度相关联。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法：基因组数据收集方面，系统检索了NCBI Genome Browser，截至2023年5月18日，最终数据集包含353个基因组，其中伞菌亚门281个、瓦勒米亚亚门3个、柄锈菌亚门27个、黑粉菌亚门34个，外加6个子囊菌门和2个壶菌门基因组作为外群。基因组评估使用BUSCO v5.2.2蛋白模式，以担子菌门_odb10谱系数据集为参考。系统发育基因组学分析采用IQ-TREE进行串联最大似然分析和基因树推断，ASTRAL进行溯祖分析。分化时间估计使用r8s的惩罚似然法，结合三个化石校准点。基因复制和丢失推断使用NOTUNG进行基因树与物种树的调和。CAZyme注释使用dbCAN流程，BGC预测使用antiSMASH v7.0真菌版本。统计分析和可视化使用Python、R和OriginPro完成。
四、研究结果
4.1 伞菌亚门：相对近期起源但异常多样化的谱系
基于353个高质量基因组的系统发育基因组分析恢复了四个公认亚门并获得强支持。担子菌门起源于古生代约4.5137亿年前，柄锈菌亚门是最早分化的谱系约4亿年前，随后依次分化出黑粉菌亚门约3.6513亿年前和瓦勒米亚亚门约3.319亿年前。值得注意的是，伞菌亚门是最后出现的亚门，其干群年龄约2.9532亿年前。尽管起源相对较晚，伞菌亚门随后多样化为担子菌门内物种最丰富的亚门，伞菌纲的冠部年龄估计为约2.0658亿年前，主要目的辐射发生在三叠纪-侏罗纪边界附近，主要多样化时期为侏罗纪和白垩纪。
4.2 从保守BUSCO直系同源基因推断的基因复制和丢失模式
对1123个保守BUSCO直系同源基因树与物种树的调和分析揭示了主要亚门间不同的推断基因复制和丢失模式。早分化亚门的干系谱系以显著扩张或显著丢失为特征。伞菌亚门的干系也表现出初始净丢失。在伞菌纲内部观察到了不同的模式，核心伞菌纲目的深节点处推断出最大的复制事件，约2414次复制，时间约为1.3122亿年前。随后主要目的起源处发生大规模复制，包括多孔菌目1821次、鸡油菌目1597次、红菇目1509次复制。相比之下，伞菌纲内较近期的演化历史以大量谱系特异的基因丢失为特征，如侧耳科3745次丢失、光柄菇科3698次丢失等。
4.3 CAZyme库在担子菌亚门、生活方式和形态间的差异
伞菌亚门拥有的CAZyme库显著大于柄锈菌亚门和黑粉菌亚门。丝状菌丝体属在辅助活性、碳水化合物结合模块和糖苷水解酶类拥有显著更大的库。最大的CAZyme库出现在若干丝状腐生属中，如Sphaerobolus、Exidia、Mycena、Dendrothele和Tetrapyrgos等，总数约900至1000种酶。系统发育广义最小二乘分析表明，腐生生活方式在考虑系统发育协方差后仍是CAZyme丰度的显著预测因子。宏观子实体类型如伞菌状、皮壳状和多孔菌状真菌拥有更高的AA、CBM和GH计数。
4.4 生物合成基因簇库在担子菌亚门、生活方式和形态间的差异
伞菌亚门拥有的BGC库显著大于黑粉菌亚门和柄锈菌亚门。凋落物和木材腐生菌在关键BGC类别上拥有显著更丰富的库，包括NRPS/NRPS-like和萜烯簇。丝状菌丝体属拥有的NRPS/NRPS-like、真菌RiPP和萜烯BGC显著多于酵母和双态酵母形式。PGLS分析确认腐生生活方式是BGC库大小的显著预测因子。锈菌和黑粉菌拥有的萜烯BGC显著少于伞菌状、皮壳状和腹菌状真菌。敏感性分析确认了这些关联的稳健性。
4.5 担子菌亚门基因组特性的比较分析
伞菌亚门表现出更大的根到端进化距离和更高的总基因数量，显著超过柄锈菌亚门和黑粉菌亚门。柄锈菌亚门拥有最大的基因组，常超过300Mb，但基因数量未成比例增加。黑粉菌亚门拥有最高的GC含量，同时基因组最小、基因数量最低。三个主要亚门在进化距离、GC含量、基因组大小和基因数量方面展现出截然不同的组合。
五、讨论与结论
讨论部分指出，伞菌亚门起源于晚石炭世，尽管相对年轻，但随后多样化为担子菌门内最丰富的谱系，其多样化时间与针叶林和被子植物森林的扩张相吻合，这可能提供了生态机会。伞菌纲辐射与推断的基因复制模式相关，最大的复制脉冲发生在核心伞菌纲基部，随后伴随大量谱系特异的基因丢失。伞菌亚门拥有更大的CAZyme和BGC库，这与丝状生长形式、腐生生活方式和复杂子实体形态相关。三个亚门在基因组特性方面展现出截然不同的组合模式。研究局限性包括各谱系基因组代表性不均，伞菌亚门的基因组代表性远优于其他亚门。
研究结论部分翻译如下：总之，研究人员的综合比较系统发育基因组学分析揭示了与担子菌门主要亚门多样化相关的不同基因组和功能模式。分化时间分析表明，伞菌纲的主要多样化发生在侏罗纪和白垩纪，与森林生态系统的重大变化在时间上吻合。保守BUSCO直系同源基因的调和揭示了谱系特异的推断基因复制和丢失模式，而比较分析表明，与其他主要亚门相比，伞菌亚门拥有更大的CAZyme和BGC库，以及更高的基因数量和根到端进化距离。这些发现表明，生态背景、基因组演化、功能库和基因组特征与伞菌亚门观察到的多样化模式相关。更广泛地说，该研究通过整合系统发育历史、推断的基因组演化、功能基因库和基因组特征，为探究担子菌门的演化多样化提供了一个比较系统发育基因组学框架。
