Francis Martin院士点评：专注菌根共生数十年，从蘑菇采摘到基因组处理

菌根共生关系的建立是陆地植物进化史上的一个关键事件。权威期刊Nature Communication发表的题为Large-scale genome sequencing of mycorrhizal fungi provides insights into the early evolution of symbiotic traits（Nat. Commun. | 重磅！Francis Martin团队揭示菌根真菌共生特征趋同进化的分子机制！）的论文中，系统发育组学分析比较了135个腐生真菌和菌根真菌的基因组，揭示了与从腐生向共生的多重转变有关的基因组变化。本论文的通讯作者INRAE（Our future begins now！走进法国国家农业食品与环境研究所(INRAE)）的Francis Martin院士（近5年80篇高水平文章！Francis Martin院士团队在林木微生物互作领域取得重大进展！）和马克斯普朗克植物育种研究所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）的Shingo Miyauchi 撰写了以下观点评论。

毒蝇伞（Amanita muscaria），标志性的外生菌根真菌

由雨造成……

在全国各地，秋季的大雨引发了森林中蘑菇的大量涌现，如鸡油菌、黑鹅膏菌、牛肝菌和奶盖菌等。灌木丛中散布着腐叶和枯木，散发着浓浓的腐烂味，从厚厚的腐殖质中冒出的蘑菇，从未卷起的帽子里放出一缕缕孢子。值得跪着看一看，因为近看，这些子实体与广泛而复杂的真菌菌丝网络相连，在林地上覆盖着厚厚的飘落的落叶和垃圾。真菌和树木一样，是森林中的主要角色。它们生活在土壤、腐殖质和所有树木中，有生有死。这些森林中栖息着三种真菌：共生体、分解体和寄生体。它们位于一个复杂的营养链的核心，而树木是这个营养链的节点。菌根的地下网络扎根于树木的根部，探索土壤和腐烂的树叶以寻找矿物质元素，它们将这些元素输送并转移到寄主植物中以换取糖分（Science | 重磅！剑桥大学Giles Oldroyd课题组阐述植物通过共生微生物促进养分吸收！）。通过这种方式，它们刺激了树木的生长（Science | 菌根真菌可以塑造生态系统对环境变化的反应！）。

研究基因组数百个……

过去十年，我们实验室利用比较基因组学揭示了菌根共生体的进化。2010年，我们向美国能源部联合基因组研究所(JGI)的测序计划提交了一份提案，对25种菌根真菌的系统发育和生态多样性进行测序，其中包括与树木和木本灌木相关的主要共生物种门类。十年后，我们正在研究175个菌根真菌的基因组（可在JGI MycoCosm数据库中获得）。研究这些基因组并将其与腐生真菌的基因组进行比较，阐明了腐生和共生生活方式之间转变的功能基础（Nature Reviews Microbiology | 权威综述解读菌根共生中的独特和共同特征；ANNU REV ECOL EVOL S | 详细解读互惠共生关系依赖性的进化！），这在2015年《Nature Genetics》和2020年10月《Nature Communications》上发表的两篇论文中得到了总结。我们最近的论文核心是关于扩展我们对金鸡油菌等外生菌根真菌早期分化支系中共生进化驱动因素的理解。

金黄色的鸡油菌，是一种美味佳肴，也是外生菌根共生体的早期分化门类

本研究中使用的一组非常大的基因组使我们能够对以前没有共生基因组的主要真菌家族进行采样，包括Russulales和Cantharellales。这些共生体非常重要，因为它们在大多数森林生态系统中通常具有生态优势，而且它们代表了早期的分化门类，以前没有可用于此的外生菌根基因组。我们的研究结果表明，从腐生转变为外生菌根共生的主要机制似乎涉及编码作用于植物细胞壁水解酶基因的丢失（无论是通过调节转移还是基因损失），使共生体能够容纳在根中。还表明，每个独立进化的外生菌根谱系都使用物种特异性的新基因，如分泌的类效应蛋白，以及祖先基因家族的成员来发展共生相互作用。

挖掘这些基因组一直是艰巨的努力并且团队合作非常出色，涉及世界各地的数十名合作者......R脚本大师Shingo Miyauchi（见下文），我实验室的Annegret Kohler，Laure Fauchery和Emmanuelle Morin。JGI的Igor Grigoriev和Alan Kuo，匈牙利科学院的Enikö Kiss和László Nagy，克拉克大学的David Hibbett和Marisol Sánchez-García，马赛大学的Elodie Drula和Bernard Henrissat等等。

Laure和Annegret在野外采集蘑菇进行基因组测序

下一步是什么？

大量独立进化的外生菌根菌系产生了这样的疑问：为什么这种真菌行会的出现在森林生态系统中如此普遍。我们目前的研究使释放的外生菌根基因组数量增加了一倍，但需要对生态相关的系谱，特别是早期分化的支系进行更多的采样，以阐明导致>20,000种外生菌根真菌多样化的进化机制。增加测序真菌的系统发育和生态多样性需要野外真菌学家的合作，他们可以提供稀有和濒危物种的收集。

到现在，我们正在充分利用这些巨大的基因组资源，通过使用宏转录组的方法来表征森林土壤中菌种的基因表达。

透过生物信息学家的视角......（Shingo Miyauchi撰写）

对我来说，比较135个基因组的主要挑战是将一大组复杂的基因组数据转化为你可以视觉搜索的东西，以发现隐藏的模式。科学数字需要简单、美观、有禅意，精心选择色彩主题，这样才能让感兴趣的生物学图案脱颖而出。因此，我开发了一套处理和显示庞大的基因组数据集的可视化工作流程--所谓的ShingoTools，包括SHIN+GO、PRINGO、TINGO、SynGO、VINGO、PHINGO。我在自然界、历史建筑和视觉艺术作品中寻找灵感。我喜欢日本的浮世绘艺术和中国的水墨画。作为一个自诩为前卫的数据可视化者，我总是喜欢探索一些新的东西，并将艺术融入到我的基因组数据可视化中。如果您能在品尝一杯法国葡萄酒（或日本清酒）的同时，真正把我们的科学数字作为一件艺术品来欣赏，那将是我最高兴的事。

由ShingoTools R脚本套件制作的"基因组"艺术品

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