比较基因组学揭示欧石楠根菌 Oidiodendron maius 耐金属与金属敏感菌株的显著差异

《Mycorrhiza》：Comparative genomics reveals substantial divergence in metal sensitive and metal tolerant isolates of the ericoid mycorrhizal fungus Oidiodendron maius

为探究欧石楠根菌（Oidiodendron maius）耐金属机制，研究人员对比其耐金属与敏感菌株基因组，发现差异广泛，意义重大。

　　在神秘的土壤世界里，欧石楠根菌（Oidiodendron maius）与植物根系携手构建起奇妙的共生关系，尤其是在富含重金属的 “恶劣” 环境中，它们的存在对植物的生存起着关键作用。一些能够形成欧石楠根菌（Ericoid mycorrhiza，ErM）的真菌菌株，不仅自身具备耐重金属的能力，还能赋予宿主植物更强的耐金属性。然而，目前对于 ErM 真菌耐金属的机制，人类的了解还十分有限。此前，虽有研究发现了 O. maius Zn 等菌株的部分耐金属机制，但从基因组层面全面探究其耐金属机制的研究尚未开展。为了揭开这一神秘面纱，来自意大利可持续植物保护研究所、法国洛林大学等机构的研究人员踏上了探索之旅，相关研究成果发表在《Mycorrhiza》上。

研究人员为了深入了解 O. maius 耐金属的遗传基础，开展了一系列实验。他们选用了 18 株 O. maius 菌株，其中 8 株耐金属，10 株对金属敏感。这些菌株分别从不同污染程度的土壤中分离获得，涵盖了未污染、自然含重金属以及人工添加重金属的土壤环境。在实验中，研究人员主要运用了系统发育分析、基因组重测序、生物信息学分析等关键技术。

在菌株表型特征研究中，研究人员对 18 株 O. maius 菌株在不同重金属（Zn、Cd、Cr、Ni）培养基中的生长情况进行了测试。通过计算耐受性指数（Tolerance Index，TI），他们将菌株分为耐金属和敏感两组。PCA 分析结果显示，敏感菌株聚集在一起，而耐金属菌株则根据耐受的金属种类分为两个亚组，这表明不同菌株对重金属的耐受性存在明显差异。

在基因组重测序方面，研究人员对这些菌株进行基因组重测序后发现，平均有 55%（CLC 法）或 68%（BWA/SAMtools 法）的 reads 能比对到参考基因组 O. maius Zn 上。在敏感菌株中，有 357 个参考基因组中的基因模型未被 reads 覆盖，这些基因模型主要富集在防御机制相关的 KOG 类别中；而在耐金属菌株中，有 912 个基因模型未被部分耐金属菌株的 reads 覆盖，但能被敏感菌株覆盖，这些基因模型主要与次生代谢物生物合成等相关。

对于单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms，SNPs）的研究，研究人员通过与参考基因组对比，在 46.43 Mb 的基因组中发现了 1.8×10⁶个非冗余 SNPs。系统发育树分析显示，耐金属菌株聚为一个分支，与敏感菌株明显区分开来。此外，研究人员计算了 F_st值和 Tajima's D 值，以评估遗传分化和选择压力。结果发现，约三分之一的基因模型显示出较高的遗传分化，部分基因模型的 D 值异常，表明它们可能受到了选择压力的影响。

研究人员还对最具多态性的基因组区域进行了分析，计算了 10 Kb 窗口的 F_st值和 D 值。结果发现，有 745 个窗口的 F_st>0.5，这些窗口中的基因也大多具有较高的多态性。同时，部分窗口的 D 值异常，暗示着这些区域可能经历了平衡选择或正选择。

综合研究结果与讨论，研究人员发现 O. maius 菌株的金属耐受性与遗传差异密切相关。从系统发育分析来看，基于 SNPs 的聚类反映了菌株的金属耐受性，耐金属菌株根据耐受金属种类分组，且该菌遗传多样性较高，可能与土壤中重金属促使其突变率增加有关。在基因层面，参考菌株 OmZn 存在一些其他菌株未检测到的基因模型，基因的缺失或高多态性涉及多种功能，如转录和表观遗传调控、线粒体功能、氮代谢、水解酶活性、氨基酸转运和代谢等，这些功能均与重金属耐受性相关。此外，研究还发现一些基因在敏感菌株中缺失或高度多态，而在耐金属菌株中发挥重要作用，例如参与抗氧化防御、细胞内运输和跨膜转运的基因。

这项研究意义非凡，它揭示了 O. maius 耐金属的遗传基础，表明其耐金属表型并非由单一机制导致，而是涉及多个基因的变化以及基因组的广泛差异。这为深入理解 ErM 真菌耐金属机制提供了重要依据，也为后续研究真菌与植物在重金属污染环境中的共生关系奠定了基础。后续可对多态性区域基因功能深入探究，开展突变实验验证其作用，同时对敏感菌株进行从头组装和注释，挖掘更多遗传差异，助力揭示真菌耐金属分子机制，为修复重金属污染土壤等实际应用提供理论支撑。