研究新知|松杉灵芝的演化过程、针叶树基质利用和萜类合成的基因家族研究成果发表于SCI期刊

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发布时间：2021-12-16
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近日，寿仙谷与吉林农业大学食用菌新种质资源创制国际联合研究中心李玉院士团队付永平教授等合作，对灵芝属物种的基因组进行了系统研究，通过构建高质量的松杉灵芝基因组，比较分析了松杉灵芝（G. tsugae）、赤芝（G. lingzhi）、紫芝（G. sinense）、狭长孢灵芝（G. boninense）的基因组，获取不同灵芝特有的基因家族，揭示了松杉灵芝的演化过程以及针叶树基质利用相关的功能基因。此外，本研究还对萜类合成相关的基因家族进行了鉴定。该研究为灵芝的分子育种提供了数据支撑，对于松杉灵芝利用针叶树基质这一特质的研究也具有重要意义。研究成果发表于SCI期刊《Frontiers in Microbiology》。

01 研究背景

松杉灵芝是我国东北地区珍贵的药用真菌，与其他灵芝栽培种相比，松杉灵芝主要以针叶林树木作为营养基质，这一特质有其独特的遗传背景。然而，这些重要的生物过程背后的遗传机制尚不清楚。此外，关于松杉灵芝的分子标记和遗传多样性分析也鲜有报道。松杉灵芝中针叶林基质利用和药用成分合成相关基因的鉴定，将有助于进一步了解其对针叶林环境的适应机制。

02 研究内容

本研究通过原生质体单核化产生用于基因组测序的单核体材料，通过高通量测序生成10.48 Gb PacBio的Reads，组装成一个43.26 Mb大小的基因组，基因组特征如表1。鉴定了10946个蛋白编码基因，2508个SSR位点（图 1C）。这些SSR位点对于松杉灵芝的进一步研究有重要意义，如研究松杉灵芝重要农艺性状的数量性状基因座（QTL）定位。

表 1 松杉灵芝、赤芝、紫芝、狭长孢灵芝的基因组特征

图1 松杉灵芝子实体形态、基因组Circos图和SSR信息

通过CAZy和antiSMASH数据库，对松杉灵芝、赤芝、紫芝和狭长孢灵芝中碳水化合物活性酶（CAZymes）和次级代谢产物合成基因进行注释，注释结果相似（图 2A、B）。4种灵芝的全基因组蛋白编码基因的共线性分析如图2C。四种灵芝中基因家族分布情况如图2D，松杉灵芝独有237个基因家族，包含379个基因，这些基因可能是松杉灵芝对针叶林生境适应的关键基因。松杉灵芝系统发育分析表明，约2100万年前，松杉灵芝与其余3种灵芝发生分离；约3800万年前，灵芝属与叉丝孔菌属（Dichomitus）分离（图2E）。

图 2 基因组比较和系统进化分析

基于松杉灵芝和赤芝重测序结果，对两者间差异基因进行聚类分析。结果显示，松杉灵芝和赤芝在系统发育和PCA分析中相互独立（图 3A、B）。基于样本中的全基因组差异，我们发现松杉灵芝和赤芝样品表现出明显不同的遗传背景，野生松杉灵芝和栽培松杉灵芝的遗传背景相似（图 3C）。

图 3 使用全基因组重测序数据进行的种群分析

本研究从松杉灵芝中鉴定了214161个的高质量SNP位点，其均匀分布在18个Contigs上（图 4A）。位于外显子、基因上游、基因下游、内含子和基因间隔区（图 4B）的SNP占比分别为27.7、12.2、13.0、11.6和31.5%。而外显子区显示出最低的SNP密度，其次是基因上游区域（图 4C），提示负选择的突变限制发生在外显子和调控区域。SNP密度最高的前1000个基因的功能富集分析结果如图 4D、E。主要涉及到的GO term 有转运蛋白活性（transporter activity）、转移酶活性（transferase activity）和膜定位（membrane location）。主要涉及到的KEGG通路有核糖体（Ribosomea）、转运蛋白（transporter）和膜蛋白（membrane proteins），这与GO富集结果一致。

图 4 松杉灵芝基因组SNP

本研究在松杉灵芝基因组中鉴定了10个编码萜烯合酶的基因。基于萜烯合酶家族的系统发育（图5A）和基因结构（图5B）分析，结果发现10个基因中有6个编码了3种萜烯合酶，其余4个基因编码单端孢霉烯合成酶。这10个基因分布在松杉灵芝基因组的5个contigs中（图 5C）。我们发现这10个基因来自7个基因簇（图 5D）。