文献分享 残存冷杉相关真菌的基因组图谱揭示了内生菌的快速趋同适应
本期分享的文献是2021年12月发表在The ISME Journal上的一篇研究论文，题为“Genomic Landscape of arelict fir-associated fungus Revs rapid融合适应对sendophytism”。
研究背景
百山祖冷杉是第四纪冰河时代遗留下来的极度濒危树种。 在前期研究中，作者发现百山祖冷杉具有高水平的内生真菌物种多样性。 在这些内生真菌中，发现了一个新种，Pezicula neosporulosa（Helotiales，子囊菌门），它在针叶组织中占主导地位。 较年轻的上新世Pezicula属的物种主要是腐生的，而P. neosporulosa已经变成内生的，因此可以认为P. neosporulosa已经从腐生转向内生。 因此，新孢子假单胞菌可用于了解它们如何在个体和群体水平上适应内源生活方式。
在这项研究中，作者假设新孢子假单胞菌的进化导致了一组共同的基因组特征和进化机制，促进其内源生命。 首先，通过比较个体、两种密切相关的腐生 Pezicula 物种和其他对植物有益的 helotialean 真菌（内生菌）的基因组，我们重点描述了这种内生菌的碳水化合物活性酶库 (CAZymes)。 和次级代谢物基因簇 (SMGC) 基因家族（扩展或收缩）。 此外，作者构建了泛基因组数据集，以11个代表性个体为基础，研究了基因家族的变化和泛基因组动态。 基于在进化背景下识别自然选择特征的群体内特异性多态性，作者进一步提出了一个问题：重组事件可能在这个群体中发生吗？ 考虑到有性重组对真菌的遗传变异和适应有很大贡献，作者寻找有性重组并发现了 P. neosporulosa 独特的生殖系统。
研究成果
1. P. neosporulosa 的基因组与不相关的 DSE 或其他植物相关的 helotialean 真菌的基因组相似
首先，作者组装了 P. neosporulosa 的参考基因组。 为了研究进化过程中的关键调控基因家族，作者研究了 Pezicula 谱系中发生的基因家族扩张和收缩事件。 结果表明，Pezicula谱系分支经历了大量超过其他分支的基因家族的收缩和扩张（图1A）。
图 1：时间对齐的系统发育以及基因家族的重建和扩展
图2：显着扩增的基因家族中显着表达的基因的GO术语。
系统发育分析表明，P. neosporulosa 与其他 helotialean 植物共生体有远缘关系，例如 ERM（深色隔膜内生菌）和 DSE（环状菌根真菌）（图 1A）。
作者鉴定了与 CAZome 和次生代谢物生物合成相关的基因谱，指出 SMGC 在 P. neosporulosa 对叶植物的营养适应中的潜在作用。 P. neosporulosa基因组含有丰富的预测CAZymes，其等于或略低于DSE和ERM； 同时，对三个Pezicula物种的比较表明，P. neosporulosa的CAZome比两个腐生物种的CAZome丰富得多（图1C），这也表明了该物种独特的生态适应性。
总之，系统发育分析揭示了 Pezicula 属的遗传分化和最新物种形成以及 P. neosporulosa 独特的基因组特征。 从CAZomes的组成和SMGCs的丰度来看，它们类似于helotialean植物有益真菌。
2. 辅助基因组中基因家族的扩展凸显了 P. neosporulosa 对叶内骺的适应性
作者使用 11 个组装质量足够好的分离株构建了一个泛基因组来研究种内变异（图 3），并发现 P. neosporulosa 泛基因组仍然是开放的。
图 3：11 个 P. neosporulosa 分离株的全基因组组成
在营养适应从腐生向共生转变的背景下，作者想研究共生和腐生是否是由非核心基因驱动的，以及非核心基因是否具有适应性价值。 图3描绘了将KOG功能类别分配给11个新孢子虫分离株的核心基因组、泛基因组和辅助基因组的结果。
作者使用来自 6 个分离株的直接化学和分子证据来研究可变次生代谢产物产生和分化的 SMGC 簇组织（图 4）。 尽管有几个峰相同，但大多数峰的峰面积不同，并且某些峰在 HPLC 谱图中是唯一的。 这些基因内容多态性很可能是通过删除或插入产生的。
图 4：P. neosporulosa 中不完全的腐生生物营养转化和种内生理变异。
3. 新孢子虫种群中高度且持久的遗传变异
作者对 77 个 P. neosporulosa 菌株进行了测序，研究了全基因组遗传变异模式，并生成了用于可视化的 Circos 图（图 5A）。 总共获得了1,912,822个经过质量过滤的SNP，平均SNP密度为35个SNP/kbp，对应的多样性θW和θπ分别为0.0073和0.0093。 这表明整体遗传多样性水平相对较高。 各种功能性SNP类别的位点谱显示，非同义和同义多态性都偏向较低频率，表明它们富含轻度有害突变（图5D）。
图 5：P. neosporulosa 群体中单核苷酸多态性和插入缺失的总结
4. P. neosporulosa 中的限制性重组和性别丧失
为了研究频繁的有性重组是否会导致种内遗传多样性增加，作者在 P. neosporulosa 群体中寻找重组迹象，并评估了分支结构之间的网络结构程度。 没有地理结构的星形拓扑没有显示出重组的迹象，表明新孢子虫发生了适应性辐射。
极低水平的重组是克隆、强近交或自交种群结构的标志。 作者研究了 P. neosporulosa 是否以异源（自体不育）或同宗（自体受精）方式进行有性繁殖，并确定了一种假定的独特生殖系统。
图 6：P.neosporulosa 交配型结构、基因组多态性和 mat1-2-1 系统发育。
5. CAZymes 和 SMGC 显示选定的功能
SMGC 周围的高密度 SNP（图 5A）表明真菌可能选择性地维持特定区域的多样性以维持平衡的多态性。 作者发现，参与植物细胞壁降解和次生代谢物生物合成的 24 个和 81 个基因显示出平衡选择的特征，突出了两个基因家族的进化模式，使真菌能够快速适应内生菌并促进多种共生相互作用。
图 7：CAZome 和 SMGC 的选择性标记。
讨论
这项研究揭示了残存冷杉叶内生真菌的基因组特征，并揭示了其在个体和群体水平上的进化。 Helotialean菌根和内生真菌具有丰富的编码用于碳水化合物代谢的木质纤维素水解酶的基因库，反映了它们的兼性生物营养或不完全的腐生生物营养转变。 这种模式表明它们与植物致病或腐生物种具有相似的遗传库。
Helotialean FE 最有可能通过充当病原体或害虫的拮抗剂来充当树木的防御性共生者。 这一过程主要是由一系列具有生物活性的次生代谢产物的产生驱动的。 P. neosporulosa 基因组中鉴定出的 SMGC 数量远高于其他 helotialean 真菌，表明其具有巨大且尚未发现的代谢潜力。 P. neosporulosa 基因组与其他两个物种不同，并且与无关的植物有益真菌 helotialean 真菌的基因组相似，这是通过对几个 SMGC 的基因内容进行微妙但高度特异性的改变来实现的。 CAZome 和与次生代谢物生物合成相关的辅助基因的富集可能参与维持内源性。
新孢子假单胞菌种群中明显的长期多样性表明，这种真菌具有足够的变异来进化以响应其环境。 SNP 和插入缺失均导致 P. neosporulosa 基因组广泛的基因组内变异，其平均 SNP 密度 (35 SNP/kbp) 远高于其他报道的真菌物种。 这表明克隆主导的种群结构并没有削弱基因型多样性。
在与T1PKS、NRPS、PLs和GHs家族相关的基因中，十多个异常位点显示出广泛的选择信号，表明这些基因经历了快速的进化变化。
作者还发现了一种独特的交配系统，记录了具有同源和异源 mat 基因座排列的群体中同时出现两个不同的 mat1-2 等位基因。
综上所述
我们的结果揭示了一个新的例子，即新孢子假单胞菌对内生菌的基因组趋同适应主要是由参与碳水化合物代谢和次生代谢物生物合成的酶决定的。 新孢子假单胞菌的一个特点是其高度的基因组内多态性。
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DYX编辑器
由 Y Sen 校对
