要点
菌根真菌是陆地生态系统中营养物质获取的共生体。菌根共生体在毛霉属、子囊菌纲和担子菌纲的多个谱系中反复出现。菌根真菌从土壤有机质中获取碳的能力存在很大差异。来自Nature Communications的一项研究综合分析了73个腐生,内生和致病真菌物种以及62个菌根物种(包括29个新的菌根基因组),共计135个真菌基因组。这项研究以生态优势真菌群落为样本,它们以前没有共生基因组,包括外生菌根红菇、白粉菌和伞菌。本项分析表明,从腐生向共生的转变涉及(1)作用于木质素和纤维素的降解酶的广泛损失,(2)腐殖质祖先中存在的基因共同选择以实现新的共生功能,(3)新的、谱系特异的共生诱导基因的多样化,(4) 转座因子的增殖和(5)外生菌根趋同起源的趋异遗传创新。
主要分析
菌根真菌是陆地植物进化、生物学和生理学的核心,因为它们能促进植物生长,促进植物获得稀缺的必需营养物质,如磷和氮。它们也是碳吸收的主要驱动力,它们对微生物和植物群落的组成有充分的影响。菌根共生体中最普遍的种类是外生菌根、丛枝菌根、兰花菌根和ericoid菌根。根据寄主植物和特有的共生结构进行分类。尽管菌根真菌在进化史上具有高度的多样性,但在不同真菌类群中相似共生形态结构和生理特性的独立进化提供了一个显著的趋同进化范例。
尽管菌根共生体在生态上很突出,但关于菌根共生体的进化和功能多样性,以及允许植物定殖和与植物进行养分交换的关键获得物,仍未获得充分的理解。本研究对73种腐生、内生和致病真菌以及62种菌根真菌的135个基因组进行了综合分析,其中包括29个新的菌根基因组。这项研究使已发表的菌根真菌基因组数量增加了一倍,并对以前没有共生基因组的主要类群进行了采样,其中包括Russulales,Thelephorales,Phallomycetidae和Cantharellales。这些类群很重要,因为它们(1)通常在生态上占主导地位,(2)代表早期分化的分支,以前没有外生菌根的基因组可供利用,和(3)包括在白轮虫中的木质素分解过氧化物酶(II类POD)起源之前或之后出现的群体。
Figure 1 135个真菌基因组的特征展示
Figure 2基因组大小和重复区占比分布
主要分析
基因组的一般特征,包括基因组大小,基因数目,组装metrics等;
转座子的分析;
系统发育树,直系同源基因和旁系同源基因分析;
功能基因分析;
分泌蛋白分析;
植物细胞壁降解酶(PCWDEs)家族分析;
微生物细胞壁降解酶(MCWDEs)家族分析;
基因选择分析等。
Figure 3 Phylostratigraphy for ectomycorrhiza-specific upregulated genes
小结
总体而言,本研究结果表明,每个独立进化的外生菌根家族谱系都使用物种特异性的新基因,以及祖先的基因家族成员来发展共生相互作用,这表明不同的遗传创新是外生菌根趋同的共同起源。因此,外生菌根真菌共生相关基因网络中的功能异质性不仅存在于MiSSPs等物种特异性基因中,而且存在于保守基因(例如疏水蛋白)中。
本研究使已发表的根外菌根基因组的数量增加了一倍。为了阐明导致外生菌根真菌多样化的宏观和微观进化机制,还需要对主要谱系,尤其是早期发散进化枝进行更大的采样。
文献来源
Miyauchi, S., Kiss, E., Kuo,A. et al. Large-scale genome sequencing of mycorrhizal fungi provides insightsinto the early evolution of symbiotic traits. Nat Commun 11, 5125(2020).
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