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合作文章|真菌基因组和比较基因组学分析揭示青霉菌-Euops象鼻虫共生的分子机制
近日，广西大学林学院李晓琼研究团队及广西壮族自治区农业科学院相关科研人员在国际学术期刊《Frontiers in Microbiology》（IF=6.0644/Q1）上在线发表“Genome analysis and genomic comparison of a fungal cultivar of the nonsocial weevil Euops chinensis reveals its plant decomposition and protective roles in fungus-farming mutualism”研究论文，该研究为Penicillium herquei在植菌共生体系中的作用提供了分子证据，三种青霉在属水平显示的基因特征也为Euops象鼻虫将多种青霉作为培植真菌提供新见解。龙8总区基因承担了该研究中的真菌全基因组的测序和部分分析工作。龙8总区基因技术支持李田雨为共同作者，参与基因组的数据分析工作。
研究背景
植菌共生(fungus-farming mutualisms)是一种非常独特却有趣的昆虫-真菌共生现象，昆虫通过培植共生真菌，然后共生真菌为昆虫提供营养、保护等。但与社会性植菌昆虫（如白蚁、切叶蚁、食菌甲虫）相比，非社会性昆虫植菌共生研究却很少。Euops属象鼻虫是非社会性植菌昆虫的典型代表。其中，Euops chinensis Voss（鞘翅目：卷象亚科）是日本虎杖(Fallopia japonica)上的一种专食性昆虫，其与Penicillium herquei真菌进化出了一种植菌共生关系：雌虫通过菌囊携带P. herquei，并在产卵前将真菌孢子接种到叶苞（幼虫在其中完成发育）上。本研究首次详细描述了P. herquei的基因组。然后将基因组结构、代谢能力、次级代谢产物基因簇和重要的致病特性与另外两个研究充分的青霉物种P. chrsogenum和P. decumbens进行了全面比较。
材料与方法
1.真菌分离和培养
2. 真菌基因组测序
DNA提取和文库构建
使用Illumina NovaSeq和Nanopore PromethION平台测序
3. 生物信息学分析
基因组组装和注释
同源基因和系统发育分析
三种青霉菌的基因组特征和功能比较分析
主要研究结果
1. P. herquei的基因组结构和功能注释
将两个平台的组合序列组装成65个scaffolds，N50值为414225 bp，总基因组大小为40.25Mb。预测了14532个基因，平均长度为2275 bp, 96.12%的蛋白编码基因与先前记录的真菌序列具有显著的序列相似性。在P. herquei基因组中鉴定出185个tRNA, 41个RNA和40个snRNA基因。COG注释结果显示，1227个基因被分为24个基因类型，占P. herquei基因总数的8.44%，如图1所示。KEGG通路分析结果显示，6638个(45.67%)基因被分类为与338个已知代谢通路相关。
图1 Penicillium herquei全基因组编码序列的COG功能注释
2. 同源基因和系统发育分析
OrthoFinder鉴定出2852个基因簇，包括48701个同源基因，其中有23220个单拷贝同源基因。值得注意的是，与其他14种真菌的基因组相比，P. herquei基因组拥有更多的多拷贝直系同源体，但单拷贝直系同源体较少。系统发育分析显示，P. herquei与其他青霉菌物种聚在一起，与植物致病性真菌P. decumbens最接近(图2)。此外，P. herquei基因组中有49个基因和419个基因家族显著收缩，但有4878个基因和1900个基因家族显著扩张。与其他真菌种类相比，P. herquei的扩张基因家族与收缩基因家族的比例最高(图2)。
图2 Penicillium herquei的系统发育树
3. 三种青霉菌的比较基因组学
三种青霉菌共有5309个基因家族(图3A)。除了核心基因家族均存在于3个物种外，P. herquei与P. chrysogenum共享的基因家族比与P. decumbens共享的基因家族多。通过GO分析，将三种青霉菌的共有基因家族和特有基因家族根据其相关生物学过程进行分类(图3B)。在5309个核心家族中，大多数被划分到细胞和代谢过程的功能类别中。COG注释结果显示，P. herquei有更多的基因参与物质运输和代谢，包括聚集在“脂质运输和代谢”组下的基因，“碳水化合物的运输和代谢”，“氨基酸的运输和代谢”，以及“次生代谢物的生物合成、运输和分解代谢”(图3C)。
图3 三种青霉菌P. herquei、P. chrysogenum、P. decumbens间共有和特有基因家族比较分析
4. 三种青霉菌基因组中特有基因的注释
在P. herquei基因组中鉴定出608个CAZymes，与其他两种青霉菌相比，P. herquei青霉菌具有更多编码GHs、CEs和AAs的基因(图4A)。特别是与纤维素降解相关的GH6和GH7基因以及与半纤维素降解相关的GH35、GH67、CE16和CE1基因比其他两种青霉菌物种更多(图4B,C)。在P. herquei基因组中鉴定出2346个转运蛋白，比其他两种青霉菌物种更多。在这些转运蛋白中，54个基因编码主要促进超家族(MFS)蛋白，22个基因编码ABC蛋白(图4D)。AntiSMASH分析显示，在P. herquei基因组中预测的次级代谢产物基因数量与P. chrysogenum基因组中的这些基因数量相当，但高于P. decumbens基因组中的次级代谢产物基因数量(图4E)。特别是，P. herquei基因组含有42个萜烯合酶基因，这比其他两种青霉菌中的这种酶的数量要多(图4E)。
在三种青霉菌的基因组中鉴定出四种抗生素耐药基因，包括βeta内酰胺酶、转移酶、保护和耐药蛋白，以及一个糖肽耐药基因簇。P. herquei中这些基因的数量均高于其他两种青霉菌(图4F)。在P. herquei基因组中总共预测到99031个PHI基因，PHI基因中与“毒力降低”相关的基因比例最高(图5A)。尽管P. herquei比P. chrsogenum和P. decumbens拥有更多的PHI基因，但在P. herquei基因组中与毒力降低、致病性不受影响和致病性丧失相关的PHI基因都比其他两种青霉菌物种更丰富(图5B)。
图 4 三种青霉菌的碳水化合物活性酶和次生代谢产物基因的比较
图 5 假定的病原体-宿主相互作用(PHI)基因
结论
综上所述，本研究的结果为植物底物降解及其在寄主E. chinensis中的保护作用提供了分子证据。青霉属所共有的酶和次级代谢潜力可能是一些青霉真菌被Euops培植真菌的象鼻虫招募为真菌作物的重要特性。
参考文献：
Wenfeng Guo, et al. Genome analysis and genomic comparison of a fungal cultivar of the nonsocial weevil Euops chinensis reveals its plant decomposition and protective roles in fungus-farming mutualism, Frontiers in Microbiology (2023).
