《Journal of Fungi》：Saccharomycopsis schoenii: A Model Predatory Yeast Provides Insights into Evolution, Genomics and Biocontrol
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真菌菌寄生现象，即一种真菌捕食另一种真菌，为农业中合成化学杀真菌剂和常规抗真菌疗法管理临床病原体提供了一种可持续、生态友好的替代方案。出芽酵母Saccharomycopsis schoenii已成为研究接触依赖性、坏死营养型捕食的典型模型。属于CUG-Ser2
真菌菌寄生现象，即一种真菌捕食另一种真菌，为农业中合成化学杀真菌剂和常规抗真菌疗法管理临床病原体提供了一种可持续、生态友好的替代方案。出芽酵母Saccharomycopsis schoenii已成为研究接触依赖性、坏死营养型捕食的典型模型。属于CUG-Ser2进化枝，其专性捕食生活方式以广泛的基因组重构为特征，包括硫酸盐同化途径的丢失，该丢失将甲硫氨酸饥饿与捕食行为开关偶联起来。在本综述中，我们（研究人员）重点介绍了与S. schoenii捕食相关的最新比较基因组学和功能研究。例如，S. schoenii利用重连的丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路、基于肌动蛋白的穿透钉以及分泌型天冬氨酸蛋白酶（SAPs）的大规模串联扩增来突破猎物细胞壁。对其基因组的分析揭示了结构适应性，包括富含AT的区域性着丝粒和分散的交配型（MAT）基因座。我们对S. schoenii接触依赖性攻击机制了解得越多，将S. schoenii作为一种安全、无真菌毒素的生物防治剂，用于防治多重耐药Candida auris和采后Penicillium霉菌的机会就越大。
1. 引言
农业和临床环境中抗真菌耐药性发生率的上升，要求开发替代性病原体管理策略。传统化学杀真菌剂和临床用抗真菌药物因多重耐药病原体的出现而逐渐失效，例如Candida auris和采后Penicillium霉菌。此类杀真菌剂的持续使用也引发了环境、生态和毒理学方面的担忧。生物防治剂代表了一种可持续的替代方案。木霉属（Trichoderma）等丝状真菌是文献记载充分的生物防治剂，但它们通常依赖次级代谢产物和真菌毒素的分泌，这可能带来细胞毒性和脱靶风险。捕食性酵母提供了一种不同的方法，因为它们依赖接触依赖性的机械和酶学方法来杀死真菌猎物。这避免了传统药物耐药性的出现，且无需广谱化学毒素。
尽管捕食性酵母具有实用性，但与丝状真菌对应物相比，它们在生物防治研究中代表性不足。关于酵母菌寄生现象的分子和进化机制仍存在显著的知识空白。历史上，高度碎片化的草图基因组阻碍了对塑造非模式生物坏死营养型行为的结构适应性和基因家族扩增的分析。从腐生到专性捕食生活方式的进化转变，以及这与替代遗传密码和代谢依赖性（如硫酸盐营养缺陷型）等独特特征的关联，仍需进一步阐明。
本综述通过整合新兴模式捕食性酵母Saccharomycopsis schoenii最近的基因组、转录组和功能数据来解决这些空白。本工作的主要目的是解释酵母中接触依赖性菌寄生的进化和分子基础，并评估其作为安全、有效生物防治剂的可行性。
本综述的主体分为四个部分。首先，我们概述了真菌捕食的一般背景，比较了活体营养型和坏死营养型攻击策略。其次，我们详细介绍了捕食性酵母的进化起源，重点关注进化枝特异性的密码子重分配以及代谢饥饿如何作为捕食生命周期的触发因素。第三，我们研究了使S. schoenii能够物理突破猎物细胞壁的结构基因组适应性和扩增的水解酶 arsenal。最后，我们评估了S. schoenii在控制多重耐药和农业病原体方面的实际应用，并对其生物安全性进行了分析。
2. 真菌捕食：从一般背景到活体营养型和坏死营养型策略
2.1. 真菌捕食的更广泛背景
真菌估计有220万至380万种，普遍存在并 thrive 于多种生态环境中。传统上，它们被认为是腐生分解者或与植物形成有益菌根关系的共生体。真菌学中一个较少探索但重要的方面是真菌菌寄生现象，即一种真菌主动捕食另一种真菌以获取食物或栖息地。这些拮抗相互作用驱动微生物种群动态和生态系统中的养分循环。它们还塑造真菌群落，通过高度调控的超寄生、营养竞争和抗生机制，抑制致病真菌种群的无节制增殖，充当天然生物防治剂。菌寄生菌因此代表了有价值的、相对未开发的潜在生物防治剂库。例如，木霉属物种已被用于防治土传病原体，Ampelomyces quisqualis用于防治白粉病，为传统化学杀真菌剂提供了可持续且生态友好的替代方案。
菌寄生真菌采用多种策略来检测、攻击和吸取猎物资源。这些机制包括粘附到宿主菌丝、缠绕宿主、形成钩子和穿透钉以突破宿主壁、发展内部取食结构、在宿主上或附近产孢，以及分泌抗真菌代谢物。
2.2. 活体营养型与坏死营养型菌寄生
功能上，菌寄生被分类为活体营养型或坏死营养型。活体营养型菌寄生菌形成特化结构以与宿主建立持久附着。它们利用吸器或胞内菌丝等结构逐渐提取养分，确保宿主细胞保持存活和代谢活跃，以作为持续的营养来源。在分子水平上，活体营养型捕食的特征是细胞壁降解酶（CWDEs）的局部分泌，这允许靶向穿透而不会激活大规模宿主损伤反应。为了逃避检测，活体营养型菌使用小分泌蛋白（SSPs）主动抑制宿主免疫信号并阻止超敏反应。
坏死营养型菌寄生菌则作为攻击性捕食者。它们迅速杀死猎物，然后利用定向机械压力、强效细胞壁降解酶和活性氧（ROS）的组合来清除和消耗细胞物质。坏死营养型菌通常表现出比活体营养型菌更广的宿主范围。它们的攻击仍需要检测宿主的存在，但其主要捕食策略依赖于对真菌结构成分（如几丁质和β-葡聚糖）的快速酶促降解。坏死营养型菌通常形成独特的侵染结构，包括菌丝缠绕、附着胞样侵染垫或穿透钉。
为了进行捕食，坏死营养型菌依赖分泌的水解酶，其中几丁质酶分解真菌细胞壁中的几丁质，葡聚糖酶靶向结构多糖，蛋白酶降解宿主蛋白。坏死营养型菌的基因组经常显示基因家族扩增的证据，以及水平基因转移和其他与其捕食生活方式直接相关的调控适应的迹象。机制研究表明，在坏死营养型菌寄生菌中，环境线索通过表面识别系统处理，随后通过MAPK信号框架传递，使坏死营养型菌能够检测宿主衍生信号并启动定殖。
3. 捕食性酵母的进化起源
3.1. Saccharomycopsis属内的生态多样性
Saccharomycopsis是Saccharomycopsidaceae科中的唯一属，包含19-24个公认物种，跨越广泛的代谢和生态位。该属是出芽酵母中进化和功能多样化的显著例子。物种存在于从腐烂植物材料到发酵食品的各种生态背景中。例如，Saccharomycopsis fibuligera和Saccharomycopsis capsularis是非捕食性、淀粉分解酵母。S. fibuligera广泛用于传统亚洲米酒和啤酒发酵，而S. capsularis主要被认为是降解发酵产品的产膜腐败剂。
相比之下，有机硫营养缺陷型Saccharomycopsis schoenii依赖捕食作为生存策略。由于它靶向广泛的真菌猎物，是医学、农业和酿酒领域生物防治应用的有前景候选者。属内其他物种也适应了有利于拮抗的特化、营养匮乏环境。
3.2. CUG-Ser2进化枝与密码子重分配
Saccharomycopsis属属于Ascoideales目。该目的一个标志是其非标准遗传密码。编码标准真核生物中亮氨酸的CUG密码子被翻译为丝氨酸。因此，该谱系被称为CUG-Ser2进化枝。这种亮氨酸到丝氨酸的改变是通过祖先tRNA-Ser基因的复制，随后其反密码子突变实现的。这种密码子重分配与Serinales目共享，后者包括众所周知的CUG-Ser1进化枝病原体，如Candida albicans、Candida tropicalis和多重耐药Candida auris。
CUG翻译为丝氨酸从根本上改变了蛋白质组。这种密码子改变也作为水平基因转移的强健遗传屏障。这种强制性的遗传隔离可能促进了该属独特的进化轨迹，使特化性状得以分化。S. schoenii独特的遗传密码既是分类学标志，也是其高度特化、坏死营养型生活方式的催化剂。
3.3. 硫酸盐营养缺陷型驱动捕食
除了密码子重分配，Saccharomycopsis属表现出显著的代谢精简，最显著的是无法同化无机硫酸盐。比较基因组分析证实该属丢失了该途径所需的多个关键生物合成基因，使其完全依赖环境或猎物来源的有机硫化合物，如甲硫氨酸。这种缺陷通过捕食得到补偿，Saccharomycopsis物种直接从裂解猎物的细胞质中提取硫。这种硫酸盐同化途径的丢失突显了从腐生到捕食者的更广泛转变。
这种基因脱落表明了一种特化的饮食转变。此外，在氮代谢中也观察到类似的基因组可塑性。总之，这些捕食物种在失去合成自身营养物所需的基因后，倾向于发展特化的营养输入途径，并进化出额外的转运蛋白以从猎物细胞质中吸收氨基酸和简单碳水化合物。
3.4. S. schoenii的捕食生命周期
S. schoenii已成为研究接触依赖性菌寄生的强健实验系统。其机制直接而高效：在识别并与猎物密切接触后，S. schoenii形成穿透钉以突破猎物细胞壁，导致猎物快速死亡并随后消耗释放的营养物。
捕食诱导分泌型天冬氨酸蛋白酶、碳水化合物活性酶（CAZymes）以及多种氧化还原缓冲和应激反应蛋白的上调。环境线索如有机硫限制触发其向捕食状态的转变。MAP激酶信号通路的重连是穿透钉形成和成功捕食所必需的。
S. schoenii捕食依赖三个重要的生理和分子步骤：饥饿触发捕食；猎物检测和MAPK信号重连；形态发生和穿透钉形成。在猎物细胞裂解后，S. schoenii通过其扩增的通透酶迅速吸收释放的胞内代谢物。这种必需有机硫营养物的流入恢复代谢稳态，进而抑制最初触发捕食开关的饥饿信号。
4. 基因组学
对于像S. schoenii这样的非模式生物，连续、准确注释的参考基因组对于解释复杂结构变异和基因家族扩增/收缩很重要。
4.1. 高分辨率基因组组装
历史上，真菌基因组学依赖短读长测序技术。短读长组装经常 collapse 重复区域、扩展着丝粒和大型转座元件，导致高度碎片化的参考基因组。S. schoenii的第一个已发表基因组说明了这一瓶颈。为克服这些结构限制，最近的研究使用了混合基因组方法。长读长测序与高通量染色体构象捕获（Hi-C）支架搭建相结合，将14.3兆碱基（Mb）的S. schoenii基因组解析为七个染色体级支架：六条核染色体和一条环状线粒体染色体。
4.2. 比较基因组学与基因家族进化
基因组研究表明，酶促分泌系统提供了捕食物种共用来分泌宿主降解水解酶的基因组框架。直系同源分析鉴定了5685个直系同源基因簇。S. schoenii拥有独特的遗传特征，并与S. fibuligera共享一个独特的直系同源子集。与S. fibuligera相比，S. schoenii基因组表现出显著的多样化，其特征是25个主要基因家族扩增和109个收缩，最显著的扩增是54个SAPs的串联重复阵列。扩增的粘附素家族介导初始细胞间接触。基因组收缩突显了捕食生活方式使 traits 变得多余，包括转座子相关基因的显著减少和O-连接蛋白糖基化途径的减少。
4.3. 分泌型天冬氨酸蛋白酶（SAPs）的扩增
S. schoenii染色体级组装揭示了54个SAPs的大规模串联重复。这些SAPs属于胃蛋白酶样内肽酶家族。与使用十个SAPs作为主要毒力因子的C. albicans相比，S. schoenii的54基因SAP扩增靶向一个根本不同的结构屏障：真菌细胞壁。在捕食过程中，穿透钉尖端的局部SAP分泌有助于刺穿宿主糖蛋白和甘露糖蛋白的致密外层基质。随后，扩增的CAZymes阵列结合并降解底层的刚性1,3-葡聚糖、1,6-葡聚糖和几丁质基质，导致宿主细胞壁完整性丧失和细胞溶解。
4.4. 基因组组织与MAT基因座结构
S. schoenii基因组具有扩展的、富含AT的区域性着丝粒。MAT基因座结构被显著重组。SLA2-MAT盒分布在所有六条染色体上，形成43 kb的足迹。这些盒主要位于着丝粒周围或亚端粒区域。染色体IV包含一个活性MAT基因座，位于一个宏回文结构内，这可能通过染色体内同源重组促进转录转换。
5. 生物防治应用
由于S. schoenii的捕食攻击依赖物理和广谱酶学方法，它对传统药物耐药性的敏感性显著降低，使其成为医学和农业领域有前景的生物防治剂。
5.1. 医学和农业中的病原体控制
C. auris是一种新兴真菌病原体，经常表现出对主要抗真菌类别的多重耐药性。由于S. schoenii依赖直接物理穿透和快速酶促降解，它绕过了这些传统的分子逃避策略。体外共培养实验已成功证明S. schoenii能快速攻击并杀死多重耐药临床分离株。
农业应用代表了生物防治真菌的另一个潜在应用。S. schoenii已证明对Penicillium属的植物病原霉菌有效，这些霉菌是商业柑橘类水果和苹果毁灭性采后腐烂的主要致病因素。当直接施用于人工接种Penicillium孢子的成熟橙子表面时，S. schoenii成功存活、定殖并在果实表面增殖长达21天，实现了持续的病原体抑制，且未对植物组织造成坏死性病变。
5.2. 商业制剂与监管挑战
将S. schoenii从受控实验室环境转化为商业可行产品需要克服重大的开发、制剂和监管挑战。商业可行性取决于冻干或喷雾干燥等保存技术。生物加工策略可以利用酵母的内在分子防御，如通过亚致死预处理积累渗透保护剂海藻糖。商业制剂可能还需要紫外线阻断剂和表面活性剂。基因组工程和实验室进化可能有助于优化这些表型。
获得EPA和EFSA等监管机构的批准需要严格的风险评估。尽管基因组缺乏已知的真菌毒素簇，但需要代谢组学分析和细胞毒性测定来最终排除新型毒素的产生。S. schoenii作为CUG-Ser2进化枝成员，与含有多重耐药人类病原体的CUG-Ser1进化枝有遥远的进化关系，因此证明该菌株完全安全将是严格的监管要求。S. schoenii缺乏哺乳动物体温热耐受性和专性甲硫氨酸营养缺陷型，作为天然生物遏制机制。
5.3. 生物安全概况
捕食性酵母拥有几种作为强健天然生物遏制机制的固有生物学特征。人类致病通常需要热耐受性。许多环境酵母分离株无法在37°C下增殖。S. schoenii的甲硫氨酸营养缺陷型作为一种生态约束，确保一旦猎物种群被消耗，捕食者种群将自然崩溃。与Trichoderma相比，S. schoenii主要使用高度局部的机械和酶学方法，而非化学战，显著简化了毒理学风险评估。
6. 结论
由于完全丧失典型硫酸盐同化途径，Saccharomycopsis schoenii在进化上被锁定为捕食生活方式，依赖扩增的分泌型天冬氨酸蛋白酶基因组工具包、结构独特的区域性着丝粒和重连的MAPK信号网络来捕猎、穿透和消化宿主。S. schoenii通过物理捕食绕过传统药物耐药机制的能力，使其成为管理Candida auris等临床超级细菌和减少Penicillium物种引起的农业采后疾病的有前景的生物防治剂。
尽管具有潜力，关键知识空白仍然存在。S. schoenii用于猎物识别的精确分子机制和表面受体目前未知。此外，尚不清楚酵母是否根据遇到的特定猎物物种定制酶混合物。长期生态研究必须验证其在复杂天然微生物组中的环境持久性、宿主特异性和非靶标效应。通过利用新兴转录组学、基于CRISPR的基因组编辑和功能适应性分析扩展这些基因组基础，科学界可以加速数据驱动的、靶向的、生态友好型生物防治策略的设计，以应对日益严重的多重耐药真菌病原体全球危机。
