种质库在解析冬虫夏草菌的真菌致病性及其高海拔生态适应性上取得重要进展
时间 : 2017-05-15     

冬虫夏草菌 (Ophiocordyceps sinensis) 是一种常年生活在青藏高原高海拔环境下的子囊真菌,隶属于子囊菌门(Ascomycota)、粪壳菌纲 (Sordariomycetes)、肉座菌目 (Hypocreales)、线虫草科 (Ophiocordycipitaceae)之线虫草属 (Ophiocordyceps)。它侵染青藏高原高山草甸土中的蝠蛾昆虫幼虫而形成的菌虫复合体常被称为冬虫夏草,在我国是一种传统的名贵中药材,与人参和鹿茸并称为“中药三宝”,具有较高的药用和科研价值。然而,其人工栽培至今尚未完全取得成功,究其原因是由于人们对冬虫夏草菌在侵染宿主过程中的真菌致病性、高海拔生态环境适应性及其背后的遗传基础认识不足。  

中国科学院昆明植物研究所高立志研究员带领的植物种质资源、基因组学与生物信息学研究团队,联合华南农业大学基因组学与生物信息学研究中心、中科院西双版纳热带植物园、广东省农业科学研究院、中科院北京基因组研究所和华盛顿大学等单位的相关研究团队,整合罗氏454和Illumina Hiseq2000两大测序平台的优势,采用杂合组装的策略,获得了约116.42 Mb的冬虫夏草菌高质量的参考基因组图谱,注释得到了7,939个蛋白编码基因。比较之前发表的冬虫夏草菌基因组草图,本研究所获得的基因组图谱,不管是从组装完整性还是准确度上均得到了较大的提升,为从基因组水平上解析冬虫夏草菌的真菌致病性、高海拔生态适应及其群体遗传学等研究夯实了基础。  

该研究团队研究发现,伴随着青藏高原的抬升冬虫夏草菌基因组中的重复序列(尤其是长末端重复序列反转录转座子家族)大量扩增,使得冬虫夏草菌基因组相比于其它低海拔近缘物种(如蛹虫草等)变得异常之庞大;有趣的是,与其基因组变大形成鲜明反差的是,冬虫夏草菌的蛋白编码基因却发生快速地丢失,致使其蛋白编码基因的编码区在进化过程中被剧烈地压缩。冬虫夏草菌在基因组结构和基因编码区上所表现出来的这种特性,可能是对青藏高原高海拔环境变化的重要响应,也是造成其具有极高宿主专一性的原因或结果。  

比较基因组学的研究结果表明,相比于低海拔的近缘物种,在进化过程中大量与真菌致病性相关的基因或基因家族(例如,过氧化物酶活性基因、丝氨酸水解酶编码基因、重金属蛋白酶基因和细胞色素P450 基因等)在冬虫夏草菌中发生了特异性地显著扩增。有趣的是,该团队的研究结果还发现,与抗低温密切相关的功能基因在冬虫夏草菌中大量扩增,这可能有助于冬虫夏草菌增强自身的抗寒性以便在青藏高原极端复杂的环境下得以生存。进一步的研究表明,达尔文选择强烈地作用于冬虫夏草菌真菌致病性相关的蛋白编码基因,可能与其特殊的宿主侵染机制和生态适应相关。  

真菌的有性生殖类型,主要由其交配型基因的类型决定。真菌的交配型基因在控制其交配亲和性和有性生殖产生子实体上发挥着重要作用,因而与真菌的有性繁殖方式关系密切。高质量的冬虫夏草菌参考基因组的获得与解析以及对来自冬虫夏草菌几乎所有生态地理分布区域的31个群体的重测序数据的分析强烈地支持和证实了冬虫夏草菌是一种同宗交配型真菌。与禾谷镰刀菌类似,冬虫夏草菌交配型基因处于连锁状态,其周边富含有大量的长末端逆转录转座子序列。通过物种进化树的构建进一步发现,在冬虫夏草菌的进化过程中,交配系统曾经历过多次由同宗-异宗-同宗的转换,并最终固定为同宗。众所周知,比起青藏高原之辽阔,生物种类显得十分稀少,冬虫夏草菌的这种同宗交配方式,可能有助于其在青藏高原高海拔环境中快速、低成本地进行有性生殖和繁衍后代,这可能也是造成其有效群体大小变小的原因。  

冬虫夏草菌在中国主要分布于云南、四川、西藏、青海和甘肃等地。近年来,随着冬虫夏草的药用价值不断被发掘和产业化利用,国内和国际市场对其需求量剧增致使其价格也随之急剧攀升。在商业利益的驱动下,过度甚至毁灭性的采挖已经使得冬虫夏草这一珍贵的野生种质资源呈现逐年下降并濒临灭绝。我国已将冬虫夏草菌列为国家二级保护物种。该研究团队选择了代表冬虫夏草菌几乎所有生态地理分布区域的天然群体的31个基因组开展重测序研究,基于业已获得的高质量参考基因组,获得了冬虫夏草菌的基因组变异水平、式样与群体遗传结构的清晰认识。系统进化树、主成分分析和结构分析强烈地支持按纬度梯度将青藏高原冬虫夏草菌群体划分为低、中、高三个很明显的亚群体。进一步的研究显示,低纬度的群体具有较高的群体内基因组多样性和较低的群体间分化水平,低纬度的西藏林芝地区可能是冬虫夏草菌的遗传多样性中心,该物种发生了由低纬度向高纬度进行扩散并发生群体的分化。  

本成果获得了高质量的冬虫夏草菌参考基因组,对其深入的解析和群体基因组学研究结果,不仅阐明了冬虫夏草菌在侵染宿主昆虫过程中真菌致病性的基因组学基础,也为诠释冬虫夏草菌的高海拔生态适应性、交配系统进化、群体的变异与进化等重要问题提供了理论依据,无疑对促进冬虫夏草珍贵野生资源的遗传保护、加快其人工栽培具有非常重要的意义。  

本成果得到中组部“万人计划”领军人才项目、云南省创新团队、中国科学院“百人计划”海外杰出人才择优支持、云南省高端科技人才引进计划、云南省百名海外高层次人才引进计划等项目的支持。  

上述成果标志着国家大科学装置中国西南野生生物种质资源库基因组学、种质资源与生物信息学研究团队与平台建设又取得了重要进展,将对我国丰富的野生生物种质资源的研究、保护与发掘利用产生重要影响;该成果于2017年5月11日以“The caterpillar fungus, Ophiocordyceps sinensis, genome provides insights into highland adaptation of fungal pathogenicity”为题在线发表于Nature 出版集团旗下的Scientific Reports。该研究团队博士生夏恩华、江建军,中国科学院西双版纳热带植物园杨大荣研究员为并列第一作者,高立志研究员为通讯作者。  


   
    
  图1 冬虫夏草菌和蛹虫草菌基因组大小变异

   
  图2 冬虫夏草菌基因和基因家族的进化  
  
  图3 冬虫夏草菌过氧化物酶类编码基因及正选择作用

    
  图4 冬虫夏草菌的群体遗传结构 

(种质库提供)