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Science:谱写真菌基因组百科全书

来源:生物通 作者: 2012-7-2
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摘要: 由包括美国能源部联合基因组研究所(DOEJGI)在内的20多家机构的研究人员组成的一个国际研究小组近日完成了对数十种真菌(fungi)完整基因组比较的综合性研究,从而谱写出了真菌基因组百科全书第一章。研究数据表明能够分解木质素多聚体(维持植物细胞壁刚性)的真菌的进化可能在终止煤层形成中发挥了关键性的作用。随着......


由包括美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)在内的20多家机构的研究人员组成的一个国际研究小组近日完成了对数十种真菌(fungi)完整基因组比较的综合性研究,从而谱写出了真菌基因组百科全书第一章。相关论文发布在最新一期(6月29日)的《科学》(Science)杂志上。

研究数据表明能够分解木质素多聚体(维持植物细胞壁刚性)的真菌的进化可能在终止煤层形成中发挥了关键性的作用。随着新真菌的出现,死亡植物物质可以被完全分解成基本化学成分。不再累积为可最终变为煤炭的泥煤,大量的植物生物质腐烂并以二氧化碳的形式释放到大气中。

文章的资深作者、克拉克大学生物学家David Hibbett 说:“我们希望这将进入到生物学和地质学教科书中。当你读到关于煤炭形成的书籍时,通常是就物理过程对其进行解释,并且煤沉积的速度在石炭一二叠系(Permo-Carboniferous)末期降下来。那原因为何呢?有各种不同的解释。白腐真菌(white rot fungi)的进化可能是一个因素,或许还是一个重要因素。一旦你拥有白腐菌,你就可以分解煤炭的主要前体木质素。因此白腐菌的进化是在碳循环演变过程中的一个非常重要的事件。

南加州大学地球科学和生物科学教授、环境研究负责人Kenneth Nealson说:“创造一种能够破坏‘坚不可摧’物质的酶的想法真是伟大。其理念就是使稳定(不可食用)形式的有机碳变成可以食用,它不仅改变了我们对于过去全球能源储存的看法,从这个意义上说这种想法还将对思考过去和现在产生重大的影响。”

在他们的研究中,Hibbett和同事们将焦点放在了担子菌(Basidiomycetes)上。担子菌包括了大部分人联想到真菌即想到的熟悉的蘑菇种类。此外,还包括褐腐真菌(Brown-rot fungi),可以通过分解建筑中的纤维素而残留木质素导致房屋破坏,以及纸浆造纸工业感兴趣可以分解两种类型多聚物的白腐菌。本研究对31种褐腐菌和白腐菌基因组进行了比较,其中26种的测序工作在DOE JGI完成。

DOE JGI真菌基因组计划负责人Igor Grigoriev指出比较真菌基因组研究强调持久的兴趣支持能源部的使命,利用真菌酶将诸如纤维素等生物聚合物转变为单糖以优化生物燃料生产。在此追求下,Grigoriev和同事们促成了越来越多第一的清单。他说:“DOE JGI曾经测序第一种真菌,也是白腐真菌第一个基因组。几年后,我们测序了首个褐腐真菌。在第一个真菌基因组后不到10年的时间,我们提供了首个大规模朽木菌(wood-decaying fungi)的比较。”

有多个真菌基因组在手,研究小组比较了DNA序列以寻找与木材腐朽相关的酶的编码基因家族。他们特别侧重了称之为II类真菌过氧化物酶的酶类,研究结果证实这类酶存在于白腐真菌,而不存在于褐腐真菌中,表明它们在分解植物木质素中发挥了作用。

研究人员随后利用分子钟分析追踪了这类酶在整个真菌谱系的进化。就像钟指针以确定的速度绕着刻度盘移动,基因以大致不变的速度累积了突变。这一改变速率使得研究人员能够回溯,基于分歧量估计两种谱系最后共享共同祖先的时间 比较分析表明大约在2.9亿年前,恰好在石炭纪的末期,能够分解木质素的白腐真菌祖先出现了。在此之前,真菌不具备这一能力,因此植物物质中的木质素不会被降解,从而这些富含木质素的残余物随时间在土壤内累积。因为分子钟分析有大量的错误,真菌“化石”还需要校准。在这一研究中,分子钟分析对照三种真菌化石进行了校准。Hibbett说越多的化石有助于改善时期评估。他补充说:“不幸的是,真菌化石非常罕见,且容易被忽视。”他说他的研究团队正在有兴趣尝试重建祖先白腐真菌的基因组。“我们的动机是了解负责木质素降解的这一代谢信号是何时出现的。这就是为何在这项研究中我们需要有如此多真菌基因组的原因。直到最近,都还需要大量的工作才能一次得到一种基因组。现在我们有了比较真菌基因组计划,我们正过渡到一个拥有数以百计的真菌基因组的冷却期。”

研究的共同作者、俄勒冈州立大学教授Joseph Spatafora同意Hibbett的评价,认为研究小组的这些发现可能会改变生物学和地质学教科书。“当你看到煤沉积减少这一特殊现象时,绝大多数解释是非生物的,这看起来不像是完整的故事,”他说。

Grigoriev说这篇论文是真菌基因组百科全书第一个产品。DOE JGI伞形物计划将真菌基因组测序的努力侧重在DOE有关的能源和环境任务上。Grigoriev说:“该论文是百科全书的第一章。产生的数据生成了工业感兴趣的木质纤维素酶最全面的目录。我们现在得到了跨越非常不同系统发生的所有基因的蓝图,我们还将获得更多。这是一个巨大的进步。下一个里程碑是1000真菌基因组计划完成担子菌整个多样性研究。” 

(生物通:何嫱)


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