冬蟲夏草菌的真菌致病性及其高海拔生態適應性研究獲進展

圖1 冬蟲夏草菌和蛹蟲草菌基因組大小變異

冬蟲夏草菌 (Ophiocordyceps sinensis) 是一種常年生活在青藏高原高海拔環境下的子囊真菌，隸屬於子囊菌門 (Ascomycota)、糞殼菌綱 (Sordariomycetes)、肉座菌目 (Hypocreales)、線蟲草科 (Ophiocordycipitaceae)之線蟲草屬 (Ophiocordyceps)。它侵染青藏高原高山草甸土中的蝠蛾昆蟲幼蟲而形成的菌蟲複合體常被稱為冬蟲夏草，在我國是一種傳統的名貴中藥材，與人蔘和鹿茸並稱為「中藥三寶」，具有較高的藥用和科研價值。然而，其人工栽培至今尚未完全取得成功，究其原因是由於人們對冬蟲夏草菌在侵染宿主過程中的真菌致病性、高海拔生態環境適應性及其背後的遺傳基礎認識不足。

中國科學院昆明植物研究所研究員高立志帶領的植物種質資源、基因組學與生物信息學研究團隊，聯合華南農業大學基因組學與生物信息學研究中心、中科院西雙版納熱帶植物園、廣東省農業科學研究院、中科院北京基因組研究所和華盛頓大學等單位的相關研究團隊，整合羅氏454和Illumina Hiseq2000兩大測序平台的優勢，採用雜合組裝的策略，獲得了約116.42 Mb的冬蟲夏草菌高質量的參考基因組圖譜，注釋得到了7,939個蛋白編碼基因。比較之前發表的冬蟲夏草菌基因組草圖，該研究所獲得的基因組圖譜，不管是從組裝完整性還是準確度上均得到了較大的提升，為從基因組水平上解析冬蟲夏草菌的真菌致病性、高海拔生態適應及其群體遺傳學等研究夯實了基礎。

該團隊研究發現，伴隨著青藏高原的抬升，冬蟲夏草菌基因組中的重複序列（尤其是長末端重複序列反轉錄轉座子家族）大量擴增，使得冬蟲夏草菌基因組相比於其它低海拔近緣物種（如蛹蟲草等）變得異常之龐大；有趣的是，與其基因組變大形成鮮明反差的是，冬蟲夏草菌的蛋白編碼基因卻發生快速的丟失，致使其蛋白編碼基因的編碼區在進化過程中被劇烈地壓縮。冬蟲夏草菌在基因組結構和基因編碼區上所表現出來的這種特性，可能是對青藏高原高海拔環境變化的重要響應，也是造成其具有極高宿主專一性的原因或結果。

比較基因組學的研究結果表明，相比於低海拔的近緣物種，在進化過程中大量與真菌致病性相關的基因或基因家族（例如，過氧化物酶活性基因、絲氨酸水解酶編碼基因、重金屬蛋白酶基因和細胞色素P450 基因等）在冬蟲夏草菌中發生了特異性的顯著擴增。有趣的是，該團隊的研究結果還發現，與抗低溫密切相關的功能基因在冬蟲夏草菌中大量擴增，這可能有助於冬蟲夏草菌增強自身的抗寒性以便在青藏高原極端複雜的環境下得以生存。進一步的研究表明，達爾文選擇強烈地作用於冬蟲夏草菌真菌致病性相關的蛋白編碼基因，可能與其特殊的宿主侵染機制和生態適應相關。

真菌的有性生殖類型，主要由其交配型基因的類型決定。真菌的交配型基因在控制其交配親和性和有性生殖產生子實體上發揮著重要作用，因而與真菌的有性繁殖方式關係密切。高質量的冬蟲夏草菌參考基因組的獲得與解析以及對來自冬蟲夏草菌幾乎所有生態地理分布區域的31個群體的重測序數據的分析強烈地支持和證實了冬蟲夏草菌是一種同宗交配型真菌。與禾穀鐮刀菌類似，冬蟲夏草菌交配型基因處於連鎖狀態，其周邊富含有大量的長末端逆轉錄轉座子序列。通過物種進化樹的構建進一步發現，在冬蟲夏草菌的進化過程中，交配系統曾經歷過多次由同宗-異宗-同宗的轉換，並最終固定為同宗。眾所周知，比起青藏高原之遼闊，生物種類顯得十分稀少，冬蟲夏草菌的這種同宗交配方式，可能有助於其在青藏高原高海拔環境中快速、低成本地進行有性生殖和繁衍後代，這可能也是造成其有效群體大小變小的原因。

冬蟲夏草菌在中國主要分布於雲南、四川、西藏、青海和甘肅等地。近年來，隨著冬蟲夏草的藥用價值不斷被發掘和產業化利用，國內和國際市場對其需求量劇增致使其價格也隨之急劇攀升。在商業利益的驅動下，過度甚至毀滅性的採挖已經使得冬蟲夏草這一珍貴的野生種質資源呈現逐年下降並瀕臨滅絕。我國已將冬蟲夏草菌列為國家二級保護物種。該研究團隊選擇了代表冬蟲夏草菌幾乎所有生態地理分布區域的天然群體的31個基因組開展重測序研究，基於業已獲得的高質量參考基因組，獲得了冬蟲夏草菌的基因組變異水平、式樣與群體遺傳結構的清晰認識。系統進化樹、主成分分析和結構分析強烈地支持按緯度梯度將青藏高原冬蟲夏草菌群體劃分為低、中、高三個很明顯的亞群體。進一步的研究顯示，低緯度的群體具有較高的群體內基因組多樣性和較低的群體間分化水平，低緯度的西藏林芝地區可能是冬蟲夏草菌的遺傳多樣性中心，該物種發生了由低緯度向高緯度進行擴散並發生群體的分化。

該成果獲得了高質量的冬蟲夏草菌參考基因組，對其深入的解析和群體基因組學研究結果，不僅闡明了冬蟲夏草菌在侵染宿主昆蟲過程中真菌致病性的基因組學基礎，也為詮釋冬蟲夏草菌的高海拔生態適應性、交配系統進化、群體的變異與進化等重要問題提供了理論依據，無疑對促進冬蟲夏草珍貴野生資源的遺傳保護、加快其人工栽培具有非常重要的意義。

該成果得到中組部「萬人計劃」領軍人才項目、雲南省創新團隊、中科院「百人計劃」海外傑出人才擇優支持、雲南省高端科技人才引進計劃、雲南省百名海外高層次人才引進計劃等項目的支持。

上述成果標誌著國家大科學裝置中國西南野生生物種質資源庫基因組學、種質資源與生物信息學研究團隊與平台建設又取得了重要進展，將對我國豐富的野生生物種質資源的研究、保護與發掘利用產生重要影響。該成果於5月11日以The caterpillar fungus, Ophiocordyceps sinensis, genome provides insights into highland adaptation of fungal pathogenicity 為題在線發表於《科學報告》（Scientific Reports）。該研究團隊博士生夏恩華、江建軍，中科院版納植物園研究員楊大榮為並列第一作者，高立志為通訊作者。

圖2 冬蟲夏草菌基因和基因家族的進化

圖3 冬蟲夏草菌過氧化物酶類編碼基因及正選擇作用

圖4 冬蟲夏草菌的群體遺傳結構

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