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中國科學(xué)院微生物研究所趙瑞琳課題組通過組學(xué)研究揭示中華美味蘑菇對偏堿環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化及可能導(dǎo)致的營養(yǎng)變
中華美味蘑菇Agaricus sinodeliciosus Z.R. Wang & R.L. Zhao，僅生長于我國西北地區(qū)湖邊的蘆葦與紅柳根際土壤中的中國特有種，當(dāng)?shù)胤Q“蘆葦菇”、“葦菇”、“紅柳菇”。其子實(shí)體巨大，菌肉肥厚，味道鮮美，營養(yǎng)豐富，是當(dāng)?shù)刂囊吧秤镁?。由于其只生長在生態(tài)脆弱的西北干旱區(qū)域長有蘆葦與紅柳的鹽堿地，而且?guī)缀跽麄€生長期都在沙土下完成（圖1），所以對中華美味蘑菇為對象開展相關(guān)適應(yīng)機(jī)理和生理過程研究具有重要的學(xué)術(shù)價值。此外，中華美味蘑菇作為著名的食用菌，鹽堿環(huán)境如何影響它的營養(yǎng)和風(fēng)味同樣值得關(guān)注。
圖1 中華美味蘑菇分布生境
近日，中國科學(xué)院微生物研究所趙瑞琳課題組在Microbial Genomics在線發(fā)表了題為“Insights into the genomic evolution and the alkali tolerance mechanisms of Agaricus sinodeliciosus by comparative genomic and transcriptomic analyses”的研究論文。該研究利用中華美味蘑菇單倍體菌株的二代和三代測序數(shù)據(jù)，組裝獲得高質(zhì)量基因組，通過比較基因組和轉(zhuǎn)錄組分析，系統(tǒng)研究中華美味蘑菇長期在鹽堿環(huán)境的基因組適應(yīng)性進(jìn)化和適應(yīng)機(jī)制。
比較基因組分析表明，中華美味蘑菇在鹽堿環(huán)境條件下經(jīng)歷了漫長的進(jìn)化歷史，其基因組結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大改變，主要體現(xiàn)為大量基因家族收縮，但長末端重復(fù)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（LTR-RTs）顯著擴(kuò)張，轉(zhuǎn)錄因子HMGA2、Nrd1/Seb1、cys-3快速進(jìn)化，即在鹽堿環(huán)境條件下該物種可能通過大量LTR-RTs和轉(zhuǎn)錄因子，增強(qiáng)基因表達(dá)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)多種生理功能（圖2）。通過對中性和堿性條件下生長的菌絲進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，差異表達(dá)基因功能分析、基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析和重要功能基因分析，發(fā)現(xiàn)堿性條件下碳、氮、脂肪代謝和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、子實(shí)體形成相關(guān)的基因表達(dá)量顯著上調(diào)，表明中華美味蘑菇通過增強(qiáng)碳氮利用、提高細(xì)胞膜穩(wěn)定性來適應(yīng)堿性環(huán)境，并且堿性環(huán)境能促進(jìn)子實(shí)體形成。根據(jù)差異表達(dá)基因KEGG富集，構(gòu)建中華美味蘑菇“淀粉和蔗糖代謝”和“氨基酸合成”和“苯丙烷類生物合成”途徑，發(fā)現(xiàn)堿性條件下中華美味蘑菇可能通過積累胞內(nèi)的葡萄糖、海藻糖、氨基酸等小分子物質(zhì)來對抗?jié)B透壓脅迫和氧化脅迫；同時發(fā)現(xiàn)堿性條件下中華美味蘑菇減少木質(zhì)素單體的合成，降低木質(zhì)素的積累能減少菌肉的韌性和皮革質(zhì)口感（圖3）。
圖2 中華美味蘑菇基因組適應(yīng)性進(jìn)化
總之，中華美味蘑菇在偏堿性條件下，發(fā)生了與植物和叢枝菌根真菌類似的進(jìn)化策略來適用環(huán)境，即通過增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)小分子的生物合成來對抗?jié)B透和氧化應(yīng)激，同時抑制木質(zhì)素單體的生物合成來增加細(xì)胞壁滲透性（圖3）。在適應(yīng)堿性環(huán)境過程中，中華美味蘑菇增加多糖、多酚、氨基酸、凝集素和萜類的合成，減少木質(zhì)素單體的合成，這些都有利于作為食用菌的中華美味蘑菇的營養(yǎng)物質(zhì)積累和保持口感鮮美，這也為其栽培技術(shù)開發(fā)和分子育種提供了理論基礎(chǔ)。
圖3 中華美味蘑菇耐偏堿性重要代謝途徑
趙瑞琳組博士后凌志琳為論文第一作者，趙瑞琳研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、北京市食用菌創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、生態(tài)環(huán)境部生物多樣性調(diào)查與評價等項(xiàng)目的支持。
原文鏈接
https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/mgen/10.1099/mgen.0.000928
此文為翻譯精簡版，如有不妥，以文章原文為準(zhǔn)。
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