The Innovation Life | 大型真菌功能基因组学研究正迅速涌现

导 读

大型真菌泛指广义上的蘑菇或蕈菌，它们具有大型的肉质或者胶质的子实体，主要包括担子菌中的大部分类群，部分见于子囊菌中。研究者们历来综合发育生物学、遗传学，及真菌代谢等手段对大型真菌进行研究。随着高通量组学技术的出现，该领域迅速采用了基因组、转录组，及蛋白质组学等前沿技术。然而，对于基因及其表达模式与大型真菌形态发生的联系，在研究方法和认识上仍然较为薄弱。最近发表的几项研究改变了这一局面，并预示着大型真菌形态发育生物学这一时代的到来。

图1 功能基因组学在大型真菌研究方面的发展潜力

截止当前，研究者们在大型真菌中已经积累了大量基因组和转录组数据。最近发表的综述文章利用这些数据，对子实体发育和木质纤维素降解方面的基因进行了归纳总结，这一总结覆盖了产业中所涉及的主要物种及相关模式和非模式物种（reviewed recently¹）。然而，无论是基因组学还是转录组学，它们在揭示基因功能方面均存在局限性。由于相当大一部分关于大型真菌的研究重点集中在子实体发育上，而子实体发育是细胞在时间和空间上协调的过程，所以理解基因表达调控的模式并精准揭示基因的功能较为关键。这也就需要利用正/反向遗传学和功能基因组学等方法来进行深入研究，而近期发表的很多论文也都在这一领域取得显著进展。

最近在mBio杂志上发表的一篇论文²鉴定出了担子菌门中第一个与纤维素降解相关的转录因子，即存在于裂褶菌（Schizophyllum commune）中的基因Roc1。其通过比较裂褶菌在木材和纤维素培养基中的转录组学，鉴定出该基因，该基因在伞菌纲物种中是保守的。鉴于Roc1在进化上出现较早，它可能甚至要比3亿年前高效木质纤维素降解系统更古老。敲除Roc1后的突变体在以微晶纤维素，纤维二糖和木聚糖为碳源的基质中的生长明显减缓，但在其他碳源基质中的生长状况则没有影响，这表明Roc1参与调控与这些碳源利用相关的基因。事实上，Roc1突变体在微晶纤维素基质中生长时，一些碳氢水解酶基因不再上调表达，并且通过ChIP-Seq也发现了一些与纤维素降解相关酶（如多糖裂解单加氧酶、GH3和GH5家族的糖水解酶）的信号。

Roc1是首个在担子菌中被研究的参与木质纤维素降解的转录因子。该基因在子囊菌中受到广泛研究³，但相关基因在子囊菌门之外并不保守，且在担子菌中的认识还尚不明晰。毫无疑问，除Roc1之外还应有其他转录因子参与到木质纤维素降解中。因此，运用功能基因组学（RNA测序、反向遗传学、ChIP-Seq及启动子分析等）在裂褶菌中对该基因进行研究，是在大型模式真菌中深入解析基因功能迈出的重要一步。

近年来，研究者综合前沿的组学（-omics）手段，在模式真菌灰盖拟鬼伞（Coprinopsis cinerea）中探究了光响应相关的基因调控网络⁴。研究者综合RNA干扰、基因表达，和ChIP-Seq在灰盖拟鬼伞中研究了与构巢曲霉（Aspergillus nidulans）同源的CcNsdD1和CcNsdD2基因在菌丝纽结，和光形态发生中的作用⁴。其中，单基因突变体并未有明显表型，双基因突变体则不能产生次级菌丝纽结，但其初级菌丝纽结可转变为菌核⁴。该表型与野生型菌株在持续黑暗下生长的表型一致⁴。经研究，先前报道的一些在次级菌丝纽结中受光调控而上调表达的基因，在突变体中受到光照后并未上调表达⁴。该结果为突变体无法形成次级菌丝纽结提供了基因表达水平的证据。然而，突变体无法形成次级菌丝纽结当归因于无法响应光信号、还是由于形态发生受到干扰，尚不清楚。研究者进一步运用ChIP-Seq检测到了CcNsdD2的3741个潜在的靶基因，该数目在GATA基因家族中相对较多，因此也表明了CcNsdD2转录因子与基因组中的大多基因直接相关，其中包括光响应和发育相关的基因⁴。

以上论文在大型真菌的功能基因组学方面取得了重要进展。然而，关于大型真菌的基因功能研究，尤其是关于子实体发育相关基因功能的认识仍然严重匮乏。截至上世纪90年代，传统发育生物学已有着很深的研究背景（尤其在动植物方面），而大型真菌的发育生物学研究则直接跳入了21世纪高通量组学的快车道，其在运用正向遗传学和反向遗传学对基因功能进行探究方面的工作比较零散，这种现象可能是由于缺乏成熟的遗传操作系统造成的。相比之下，一些丝状真菌如粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）、曲霉属（Aspergillus spp.）中真菌的遗传发育学和基因功能的研究已经相对深入，数十年系统性的基因敲除工作为揭示基因功能和关键生物过程的组学研究提供了巨大支持。为了弥补大型真菌基因功能研究的短板，研究人员正在系统地利用比较转录组学⁵、群体基因组学、表观遗传学对子实体发育相关基因的功能进行探究¹。但是这些研究所提出的假设，还需要功能基因组学和反向遗传学的实验验证。目前，CRISPR/Cas9基因编辑系统的应用已经在一些和产业相关如平菇（Pleurotus ostreatus）和灵芝（Ganoderma lucidum）以及模型物种如灰盖鬼伞和裂褶菌中实现了突破。未来大型真菌的研究可能将向着全局化、规模化发展，例如高通量的CRISPR筛选、大规模的网络构建、多组学资源整合（如蛋白组学和代谢组学）以及单细胞组生物学方向发展。这些技术已经广泛应用在了畜牧和作物的研究中，但在大型真菌的研究中还有待进一步发展。

本文作者认为现阶段虽然存在大量的组学数据资源，但大型真菌的生物学基础研究和应用的瓶颈在于缺乏对基因功能的注释和了解。功能基因组学和反向遗传学是目前阐明基因功能的理想方法。另一方面，组学研究是否能够直接生成基因功能信息还有疑问。基因功能的信息来源根据作者对当前状态的主观评估进行了标色。图中绿色和黄色分别代表信息丰富和信息匮乏。

总结与展望

大型真菌研究未来将何去何从？在所有真菌的功能基因组学和基因编辑技术中，大型真菌仍然是最难研究的对象之一，在这些领域的深耕将突破传统组学研究中仅能够产生假设而无法对其机理进行探究的局限性。无论如何，遗传操作领域（如对于模式物种的基因编辑技术和ChIP-Seq的应用）的发展，结合多组学关键数据的产生，无疑会使得大型真菌的研究领域像蘑菇生长一样快速蓬勃地发展。

参考文献

1. Nagy, L. G., Vonk, P. J., Künzler, M., et al. (2023). Lessons on fruiting body morphogenesis from genomes and transcriptomes of Agaricomycetes. Studies in Mycology 104, 1−85.

2. Marian, I. M., Vonk, P. J., Valdes, I. D.,et al. (2022). The Transcription Factor Roc1 Is a Key Regulator of Cellulose Degradation in the Wood-Decaying Mushroom Schizophyllum commune. MBio 13, e00628−22.

3. de Vries, R. P., and Mäkelä, M. R. (2020). Genomic and Postgenomic Diversity of Fungal Plant Biomass Degradation Approaches. Trends in Microbiology 28, 487−499.

4. Liu, C., Kang, L., Lin, M., et al. (2022). Molecular Mechanism by Which the GATA Transcription Factor CcNsdD2 Regulates the Developmental Fate of Coprinopsis cinerea under Dark or Light Conditions. MBio 13, e03626−21.

5. Krizsán, K., Almási, É., Merényi, Z., et al. (2019). Transcriptomic atlas of mushroom development reveals conserved genes behind complex multicellularity in fungi. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 116, 7409−7418.

责任编辑

鞠  峰   西湖大学

刘  洋   陕西师范大学

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原文链接：http://www.the-innovation.org/life/article/10.59717/j.xinn-life.2023.100005

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第1卷第1期以Commentary发表的“Mushroom functional genomics springs up” (投稿: 2023-03-01；接收: 2023-05-06；在线刊出: 2023-06-05)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2023.100005

引用格式：Nagy LG. (2023). Mushroom functional genomics springs up. The Innovation Life 1(1), 100005.

作者简介

Laszlo G. Nagy，匈牙利科学院生物研究中心研究员，真菌遗传与进化实验室组长, 在Nature Microbiology, Nature Ecology & Evolution, PNAS, Studies in Mycology, Microbiology and Molecular Biology Reviews, Elife等杂志上发表论文80余篇。

e-mail: [e-mail]; 

twitter: laszlognagy

web: http://group.szbk.u-szeged.hu/sysbiol/nagy-laszlo-lab-index.html

感谢来自作者团队的吴红丽博士，刘晓斌博士，侯志浩博士生对原文的翻译。

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