Nature Commun | 中國(guó)農(nóng)科院李培武/張奇團(tuán)隊(duì)全球千余株真菌基因組研究揭示真菌進(jìn)化密碼

真菌，這個(gè)在地球上繁衍了數(shù)億年的龐大生物類(lèi)群，不僅是生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的分解者，也是威脅糧食安全和人類(lèi)健康的“隱形殺手”。它們能夠產(chǎn)生種類(lèi)繁多的特殊代謝物，這些化合物是真菌在復(fù)雜環(huán)境中用于競(jìng)爭(zhēng)、防御和信號(hào)傳遞的“化學(xué)武器”。然而，其中一些被稱為真菌毒素的代謝物，如黃曲霉毒素B1，被世界衛(wèi)生組織列為Ⅰ類(lèi)致癌物，每年導(dǎo)致全球約25%的農(nóng)作物受到污染，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著全球氣候變化的加劇，真菌的分布和進(jìn)化正在加速，新的致病菌株不斷涌現(xiàn)，但環(huán)境究竟如何塑造真菌的代謝多樣性，長(zhǎng)期以來(lái)一直是未解之謎。

2026年3月18日，Nature Communications在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所李培武院士、張奇研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合荷蘭瓦赫寧根大學(xué)Marnix H. Medema和Justin J.J. van der Hooft團(tuán)隊(duì)等國(guó)內(nèi)外多家單位合作完成的研究論文，題為“Large-scale multi-omics profiling reveals environmental and evolutionary drivers of fungal phylogeographic and metabolic diversity”。這項(xiàng)研究通過(guò)對(duì)橫跨四大洲的1052株黃曲霉菌進(jìn)行大規(guī)模基因組和代謝組測(cè)序，構(gòu)建了迄今為止最全面的黃曲霉種群多組學(xué)圖譜。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)采集自中國(guó)不同氣候區(qū)的544株黃曲霉進(jìn)行了深度測(cè)序，并結(jié)合公開(kāi)的508株來(lái)自全球九個(gè)國(guó)家的菌株數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育分析將黃曲霉種群劃分為八個(gè)亞群。他們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)高產(chǎn)黃曲霉毒素的亞群主要分布在中國(guó)南方和中部地區(qū)，呈現(xiàn)出明顯的緯度梯度分布規(guī)律——產(chǎn)毒菌株更偏愛(ài)低緯度的高溫高濕環(huán)境，而非產(chǎn)毒菌株則更多分布在高緯度地區(qū)。

進(jìn)一步的泛代謝組分析顯示，不同地理種群的代謝譜存在顯著差異。低產(chǎn)黃曲霉毒素的支系雖然黃曲霉毒素合成較少，卻富集了其他類(lèi)型的真菌毒素，如環(huán)匹阿尼酸。通過(guò)構(gòu)建包含15628個(gè)基因家族的泛基因組，研究人員發(fā)現(xiàn)核心基因組占比61.3%，而可變的輔助基因組和獨(dú)特基因則占38.7%，這些輔助基因主要富集在初級(jí)代謝和特殊代謝通路中。

令人意外的是，盡管共預(yù)測(cè)出52511個(gè)生物合成基因簇并歸并為103個(gè)獨(dú)特的基因簇家族，但分析表明，基因簇本身的缺失或變異僅能部分解釋代謝物的差異。例如，在黃曲霉毒素合成基因簇完整的菌株中，仍有44%的菌株不產(chǎn)毒或低產(chǎn)毒。通過(guò)代謝物全基因組關(guān)聯(lián)分析和基因-環(huán)境關(guān)聯(lián)分析，研究發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子和初級(jí)代謝相關(guān)基因的變異才是驅(qū)動(dòng)代謝分化的主要因素。環(huán)境因子如土壤容重、溫度、濕度和pH值等，通過(guò)作用于這些基因驅(qū)動(dòng)了種群的分化。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)基因敲除實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了16個(gè)與黃曲霉毒素合成相關(guān)的調(diào)控基因。結(jié)果顯示，敲除這些基因后，突變株的生長(zhǎng)表型和代謝譜發(fā)生顯著改變，不僅黃曲霉毒素產(chǎn)量下降，其代謝輪廓也更接近于天然的低產(chǎn)毒支系。特別是敲除nsdD、apsA等調(diào)控基因后，菌株的初級(jí)代謝通路如苯丙氨酸和色氨酸生物合成也受到明顯擾動(dòng)，印證了初級(jí)代謝與特殊代謝之間的緊密耦聯(lián)。

該研究首次系統(tǒng)揭示了環(huán)境選擇壓力如何通過(guò)重塑調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和初級(jí)代謝，驅(qū)動(dòng)真菌特殊代謝的地理分化。這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解真菌在全球氣候變化背景下的進(jìn)化趨勢(shì)提供了新視角，也為未來(lái)針對(duì)不同地理種群的黃曲霉精準(zhǔn)防控策略設(shè)計(jì)，以及篩選關(guān)鍵的基因編輯靶點(diǎn)奠定了重要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)資源。

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