Molecular Biology and Evolution | 研究揭示植物生物质降解真菌的生活方式演变！

在过去的几年里，不同的组学研究已经阐明了导致木材腐烂的主要真菌所使用的两种策略，这些真菌属于多孔菌目，使它们能够克服木质素聚合物的障碍，并获得植物多糖（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！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！New Phytologist | Francis Martin团队提出菌根真菌共生互作及其生活方式的新见解! 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）。然而，很少有研究针对来自伞菌目的真菌，尽管它们能够在各种木质纤维素基质上生长，不仅包括不同类型的木材，而且还包括落叶和草屑，以及更特殊的（PNAS | 美国克拉克大学研究揭示子实体形态是伞菌纲真菌多样化的主要驱动力！The ISME Journal：子实体的化学特征决定不同功能和不同种类真菌的细菌群落结构）。

近期，来自西班牙玛格丽塔-萨拉斯生物研究中心(CIB-CSIC)的Francisco Javier Ruiz-Dueñas和Ángel T.Martínez以及阿尔卡拉大学的José M. Barrasa领导的国际合作团队在国际权威学术期刊Molecular Biology and Evolution上发表的一项研究结果，题为Genomic analysis enlightens Agaricales lifestyle evolution andincreasing peroxidase diversity，解释了植物生物量降解的生活方式多样性的演变，这是一组重要的腐生真菌群体的典型特征。该研究是美国能源部联合基因组研究所的合作项目，在上述CIB-CSIC和UAH的协调下，来自欧美不同大学和研究中心的12个小组参与了该项目。

Ruiz-Dueñas等人通过分析52个真菌基因组，对这些真菌的不同生活方式进行了进化研究，其中14个真菌基因组由美国能源部联合基因组研究所为这项工作测序。与其他木质纤维素降解真菌相比，该研究除了证实了伞菌目中存在的木质纤维素分解酶具有巨大的多样性外，还进一步证明了具有相同生活方式的物种也具有相似的木质纤维素分解机制，无论它们之间存在怎样的系统发育关系。考虑到上述信息，基于基因组数据，他们利用计算工具重建了现存物种祖先中负责植物生物质降解的酶组的组成。此外，利用机器学习算法，预测了这些祖先物种的生活方式，作为其酶库存组成的函数。

研究表明，在过去的1.7亿年中，这些机械产生的变化有助于提高祖先物种在不同木质纤维素基质上生长的能力。在此背景下，参与纤维素和木质素降解的几种氧化还原酶，特别是木质素分解过氧化物酶，似乎是不同生活方式的关键独特组成部分，这也表现在它们的高进化率和伞菌目中广泛存在的新型过氧化物酶。事实上，通过祖先序列重建分析过氧化物酶的进化，揭示了多达11种进化途径，导致这些酶在现存物种中的巨大多样性。

这项工作极大地拓展了我们对植物生物质降解真菌进化的认识，这类微生物在全球碳循环中发挥着核心作用，并构成了木质纤维素生物炼制的宝贵生物技术工具，旨在促进可持续生物经济的发展。此外，这项研究超越了经典的"组学"分析，因为首次使用机器学习方法来预测祖先物种的生态学，并重建自然界中与木质纤维素降解相关的生活方式的进化史。

图1. 经典CAZymes、氧化还原酶、CBM1和多功能脂肪酶在52种伞菌纲真菌基因组测序中的分布

图2. 不同过氧化物酶组的伞菌纲真菌的进化

图3. pPCA代表真菌生活方式通过进化时间在6个伞菌纲的52个物种中的变化

图4. CAFE分析揭示了52个物种系统发育过程中进化率较高的基因家族，以及祖先生活方式的预测

图5. 已确定的336个POD序列的ML系统发育树，在树的内部节点上标明了相关的酶残基（通过PAML序列重建推断），表明了11条进化途径

图6. 52个真菌基因组中发现的经典（A-D）和替代（E-H）POD家族中血红素区域的轴线图

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