灰肉红菇多组学共生特性研究
灰肉红菇（Russula griseocarnosa）是产自广东、福建和云南等地的名贵外生菌根食药用菌，营养丰富、保健功效显著，深受市场欢迎，但由于其菌丝体和子实体严格依赖宿主植物才能生长，目前尚未实现人工驯化栽培，且由于研究所需菌丝材料的获得极为困难，相关生物学基础研究停滞不前，严重制约了灰肉红菇的科学研究和产业化应用。本研究以灰肉红菇子实体、菌根及其生境土壤微生物为对象，采用现代分子生物学和高通量组学测序的手段，围绕灰肉红菇的共生特性开展了以下研究： 1.采用Illumina和PacBio平台测序技术得到了更为精细的灰肉红菇基因组，该基因组50.67Mbp，包含230个scaffolds，14229个编码基因；基于内转录间隔区（ITS）序列比较分析发现灰肉红菇产地存在着大量与灰肉红菇ITS序列不一致的样品，表明灰肉红菇的相近物种较多且肉眼难以区分。遗传多样性的研究表明：来自广东和福建的灰肉红菇存在着明显的遗传分化，群体单倍型网络分析显示广东、福建和云南三地的灰肉红菇明显分为2个聚类群，揭示了各地理群之间存在着基因交流；变异显著性分析显示各地理群体的灰肉红菇遗传变异主要来自种群内部。 2.针对新鲜灰肉红菇子实体开展ITS扩增子测序研究，共鉴定得到18个属的真菌，除红菇属外，相对丰度较高的真菌有菌寄生菌属（Hypomyces）、曲霉菌属（Aspergillus）、枝孢菌属（Cladosporium）等。连续四年的分离鉴定发现，同时存在于子实体和菌根组织中的淡紫拟青霉属（Purpureocillium）、拟盘多毛孢属（Neopestalotiopsis）、青霉属（Penicillium）及伞状霉属（Umbelopsis）真菌可能为灰肉红菇的生长和代谢起到促进作用。 3.基于比较基因组学研究，挖掘灰肉红菇的共生基因和碳水化合物酶特性，但未见具有共生效应的小型分泌蛋白以及具有共生调节和转运功能的小 RNA，推测灰肉红菇可能具有更为特殊的共生调节机制。相比于腐生真菌而言，灰肉红菇涉及到糖基键等水解酶活性、催化活性、丝氨酸类肽酶活性、跨膜转运蛋白活性，跨膜运输以及胞外组分等功能显著下调，同时灰肉红菇丢失了包括葡萄糖激酶、磷酸核糖焦磷酸激酶、半乳糖醛酸还原酶、半乳糖激酶、α-半乳糖苷酶等在内的关键糖代谢酶，揭示其难以在人工培养基上生长的原因。系统发育树揭示了各真菌的营养生态型与其亲缘及进化之间并未有明确的相关性。 4.土壤微生物群落分析表明灰肉红菇与非灰肉红菇生境微生物存在显著的结构差异，大豆慢生根瘤菌类（Bradyrhizobium japonicum、B. elkanii）、Chthoniobacter flavus、绿弯菌（Ktedonobacter racemifer）以及纤线杆菌（Ktedonobacter sp.）在灰肉红菇生境土壤中的相对丰度显著高于其他红菇以及对照土壤；土壤微生物功能分析表明灰肉红菇生境中具有几丁质结合功能的Carbohydrate-Binding Module 19显著升高，并且糖苷水解酶、糖基转移酶、碳水化合物脂酶、谷氨酰胺合成酶、NitT/TauT家族转运系统底物结合蛋白、DNA 导向的 RNA 聚合酶、麦芽糖α-D-葡萄糖基转移酶/α-淀粉酶显著增加，代谢通路分析显示涉及到能量代谢的丙酸代谢、细胞周期以及RNA聚合酶相关通路显著增加，或许为灰肉红菇的快速生长提供了能量支撑。 5.子实体的营养及微量元素检测结果表明，灰肉红菇富含蛋白质、脂肪、人体必需氨基酸及微量元素，其中砷元素含量高于常见的食用菌，需要进一步明确其砷元素存在的化合物形式以及其对灰肉红菇的生长和共生关系的建立所可能起到的作用。灰肉红菇菌根代谢组学的研究累计检测和注释到1422个代谢物，功能分析揭示这些代谢物主要富集到涉及能量、激素信号传导及免疫防御的代谢通路，为揭示共生机制指明了方向。 本研究获得了较为精细的灰肉红菇的全基因组序列，为后续灰肉红菇的共生基因挖掘以及驯化研究奠定数据基础。明确了灰肉红菇的内生真菌种类，为灰肉红菇的分离和鉴定提供依据。大规模的比较基因组学研究揭示了灰肉红菇缺乏糖代谢相关的关键基因，为菌丝体的分离提供了参考。灰肉红菇菌根及生境微生物的研究揭示了宿主植物和潜在的促生菌可能为灰肉红菇的生长提供糖代谢相关酶，从而起到共生和促生的作用，为下一步灰肉红菇的人工扩繁和仿野生栽培提供理论基础。
灰肉红菇;外生菌根真菌;微生物群落;共生特性
华南理工大学
博士
微生物学
吴清平
2022
中文
S646;S601
2023-07-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）