《Microorganisms》：Comparative Genomics Identifies Putative Non-Canonical CYP51F1-Associated Clusters in Mycorrhizal Fungi
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菌根伞菌纲（mycorrhizal agaricomycetes）代表了一类与植物根系形成互惠共生关系的关键进化与生态真菌类群，对森林生态系统功能和全球养分循环具有重要贡献。尽管对这些真菌已开展广泛的基因组研究，但细胞色素P450单加氧酶（cytochrome
菌根伞菌纲（mycorrhizal agaricomycetes）代表了一类与植物根系形成互惠共生关系的关键进化与生态真菌类群，对森林生态系统功能和全球养分循环具有重要贡献。尽管对这些真菌已开展广泛的基因组研究，但细胞色素P450单加氧酶（cytochrome P450 monooxygenases, CYPs/P450s），即参与初级代谢和次级代谢的关键酶，在该谱系中仍未得到充分解析。在本研究中，研究人员对十个菌根伞菌纲物种进行了全基因组范围的P450综合分析，以探究其多样性、进化及其在次级代谢中的潜在作用。共鉴定出1031个P450，归属于74个家族和269个亚家族。值得注意的是，五个P450家族（CYP5144、CYP512、CYP5340、CYP5037和CYP63）表现出显著扩张（blooming），提示其在生态适应中的潜在重要性。此外，在菌根伞菌纲中鉴定出26个此前未报道的P450家族，表明其在谱系特异性或共生特异性功能中的潜在作用。比较分析显示，菌根伞菌纲与菌根盘菌纲（mycorrhizal pezizomycetes）之间的P450组成存在显著差异：菌根伞菌纲每物种平均P450数量约为菌根盘菌纲的三倍（103对33），尽管两者P450家族平均数量相当（25对24），而菌根伞菌纲的亚家族平均数量更高（45对28）。两组之间仅共享五个P450家族（CYP51、CYP53、CYP61、CYP505和CYP512），且这些家族主要代表真菌中保守的P450家族，而非菌根特异性趋同家族。生物合成基因簇（biosynthetic gene cluster, BGC）分析鉴定出25个与次级代谢相关的P450，以及两个推定的非经典CYP51F1相关BGC，预测其将脂质或甾醇代谢与细胞信号传导和氧化还原过程相整合。总体而言，本研究为菌根伞菌纲中P450的多样性、进化及生物合成潜力提供了系统性见解。
**研究背景与存在问题**
菌根伞菌纲（mycorrhizal agaricomycetes）真菌能与植物根系形成互惠共生关系，在森林生态系统功能和全球养分循环中发挥关键作用。细胞色素P450单加氧酶（cytochrome P450 monooxygenase, CYP/P450，含血红素并催化多种氧化反应的关键酶类）广泛参与初级代谢和次级代谢，但该酶类在菌根伞菌纲中的组成与进化尚未被系统解析。已有研究发现，菌根盘菌纲（mycorrhizal pezizomycetes）向共生生活方式转变时伴随P450家族的多样化与丢失，而菌根伞菌纲中P450家族扩张、谱系特异性家族以及次级代谢相关P450的贡献仍不清楚。因此，研究人员开展了本项全基因组比较研究，旨在阐明菌根伞菌纲P450的多样性、进化格局及其代谢适应潜力。
**研究内容与总体结论**
研究人员对十个菌根伞菌纲物种进行全基因组P450注释与比较分析，共鉴定1031个P450，归属74个家族和269个亚家族；发现五个扩张家族、26个新P450家族、25个与次级代谢生物合成基因簇（biosynthetic gene cluster, BGC）相关的P450，以及两个推定非经典CYP51F1相关BGC。与菌根盘菌纲的比较显示两类菌根真菌的P450库差异显著，共享家族仅为真菌保守家族。该研究为理解菌根真菌P450多样性、进化及生物合成潜力提供了系统框架。
**主要技术方法**
研究人员使用来自美国能源部联合基因组研究所（JGI）MycoCosm数据库的10个已发表菌根伞菌纲基因组。P450鉴定采用InterPro代码IPR001128与Pfam登录号PF00067搜索，结合EXXR和CXG特征基序筛查及MEME基序分析。家族与亚家族归属依据P450Atlas数据库的隐马尔可夫模型搜索，按国际P450命名委员会规则划分，序列一致性大于40%归为家族、大于55%归为亚家族。系统发育分析采用MAFFT比对和T-REX最大似然法，并使用iTOL可视化。BGC分析基于MycoCosm预测结果人工核查，CYP51F1簇蛋白经NCBI保守结构域数据库分析。菌根盘菌纲P450数据引自研究人员实验室已发表文章。
**研究结果**
3.1 菌根伞菌纲P450多样性的全基因组特征分析
10个物种共获得1397个初始P450命中，其中1031个为完整P450，345个为片段，2个为部分P450，1个为假基因，18个为假阳性。每物种P450数介于80至154个，P. involutus ATCC 200175最多，L. amethystina LaAM-08-1最少。菌根伞菌纲平均P450数（103）约为菌根盘菌纲（33）的三倍，平均家族数相近（25对24），亚家族数更高（45对28），表明两者P450库差异主要源于家族内亚家族的扩张与多样化。
3.2 特定P450家族的扩张
CYP5144、CYP512、CYP5340、CYP5037和CYP63五个家族成员数均不少于50个，显示显著扩张，可能在生态适应中发挥作用。H. cylindrosporum h7具有最多的P450家族和亚家族。系统发育分析显示CYP5144成员未形成单系群，这可能反映扩张家族复杂的进化历史，而非家族归属错误。
3.3 新鉴定和保守的P450家族
共发现26个此前未报道的P450家族，占家族总数的35%，可能参与谱系或共生特异功能。菌根伞菌纲与菌根盘菌纲仅共享CYP51、CYP53、CYP61、CYP505和CYP512五个家族，且均为真菌中广泛分布的保守家族，而非菌根特异性趋同家族。CYP63、CYP51、CYP5037、CYP61、CYP5144和CYP6005六个家族在十个物种中均保守存在。
3.4 次级代谢中的P450
10个物种共预测185个BGC，S. vermifera MAFF 305830最少（3个），T. calospora AL13/4D最多（31个），萜烯类BGC最丰富。8个物种的BGC中含有P450，共27个，其中25个为完整P450，分属10个家族，CYP5144占主导。在L. amethystina LaAM-08-1中鉴定到CYP51F1-聚酮合酶（polyketide synthase, PKS）BGC，与盘菌纲S. brunnea的CYP51F1 BGC共同构成非经典BGC；两者均不含典型PKS/非核糖体肽合成酶（nonribosomal peptide synthetase, NRPS）骨架酶，但与脂肪酸或甾醇/脂质代谢关联，并整合细胞信号、能量代谢和核酸加工组分。
3.5 P450功能预测
CYP51F1和CYP61A1参与麦角甾醇生物合成；CYP53家族参与芳香族有毒化合物解毒；CYP505氧化脂肪酸和酚类化合物；CYP63等家族底物谱广泛，可氧化多环芳烃等外源化合物，并参与生态位适应与定殖。
**讨论与结论**
讨论部分指出，两个CYP51F1相关BGC为高度整合的非经典基因簇，可能将代谢产物生成与细胞信号传导、环境响应及宿主相关过程相协调，但其功能贡献仍属计算预测。研究结论总结如下：本研究表征了十个菌根伞菌纲中P450的多样性、分布和进化模式，鉴定出1031个P450、74个家族和269个亚家族；其中五个家族显著扩张，26个家族为此前未报道。与菌根盘菌纲的比较显示两组P450家族重叠有限，表明尽管共享菌根生活方式，两类真菌的P450进化轨迹不同。分析还鉴定出25个与预测次级代谢BGC相关的P450和两个此前未报道的CYP51F1相关候选非经典BGC；这些基因簇含有可能将甾醇或脂质代谢与细胞过程相连接的基因，但其功能贡献仍为计算预测。未来研究应通过基因表达分析、相关蛋白生化活性表征和代谢物谱分析加以验证，以明确其功能组织和生物学意义。
