黑真菌：生物技术领域的潜力 “多面手”，解锁基因奥秘开拓应用新篇

《BIOspektrum》：Schwarze Pilze: robuste Multitalente für die Biotechnologie

为探索黑真菌遗传多样性及应用潜力，研究人员以 Knufia petricola 为对象，建立基因编辑技术，为生物技术应用提供新方向。

　　

黑真菌的奥秘探索：从极端生存到生物技术新希望

在神秘的微生物世界里，黑真菌（black fungi）宛如一群隐匿的 “超级英雄”，默默在各种极端环境中顽强生存。从酷热干旱的沙漠，到冰冷刺骨的极地，再到高盐的盐碱地，都有它们的踪迹。这些环境对于大多数生物而言，是难以生存的 “绝境”，但黑真菌却能悠然自得，这背后隐藏着怎样的秘密呢？

长期以来，由于黑真菌缺乏明显的形态特征，人们很容易低估它们的多样性。而且，受限于培养难度和分子生物学研究方法的缺失，科学界对黑真菌的了解少之又少。然而，它们在生态系统中却扮演着不可忽视的角色，比如参与土壤形成、作为初级生产者等。同时，一些黑真菌还与其他生物存在着复杂的相互作用，部分甚至是动物病原体。如此重要却又神秘的黑真菌，吸引着科研人员不断探索，试图揭开它们的神秘面纱，挖掘其潜在价值，这也成为了开展这项研究的重要契机。

来自德国联邦材料研究与测试机构（Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung，BAM）和柏林自由大学（Freie Universit?t Berlin）的研究人员，将目光聚焦在了黑真菌身上。他们围绕黑真菌的多样性、遗传特性以及在生物技术领域的应用潜力展开了深入研究，成果发表在了《BIOspektrum》杂志上，为我们认识和利用黑真菌打开了新的大门。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。其中，分子遗传学方法用于揭示黑真菌的亲缘关系；CRISPR/Cas9 基因编辑技术则是核心技术之一，通过对目标基因的编辑，探究黑真菌的基因功能。此外，借助国际合作项目 STRES（https://stresblackfungi.org/），对大量黑真菌基因组进行测序，开展比较基因组分析，以识别新基因和基因变体。

下面让我们走进具体的研究结果。

1. 黑真菌：遗传多样性的宝藏库：黑真菌属于子囊菌门（Ascomycota），分布在不同的纲中，如 Eurotiomycetes、Dothideomycetes 和 Arthoniomycetes，它们有的是单倍体，有的是二倍体，还存在基因组复制和部分基因缺失现象。这些差异表明黑真菌在长期进化过程中，为适应不同的生存环境，发生了多样化的遗传变异，成为了一座巨大的遗传资源宝库12。
2. Knufia petricola：理想的细胞工厂：Knufia petricola 是一种广泛分布、能在岩石上生长的真菌，属于 Chaetothyriales 目 Trichomeriaceae 科，具备黑真菌的典型特征。它对极端环境耐受性强，易于培养，生长速度适中，细胞单核，基因组为单倍体，编码约 10,000 个基因。研究人员选定 pks1 和 phs1 作为目标基因，利用 CRISPR/Cas9 技术进行基因编辑。结果发现，pks1 基因突变会使菌落变成粉色，因为原本被掩盖的类胡萝卜素显现出来；而 phs1 基因突变则会产生白化突变体。这个颜色系统优化了 CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑34。
3. 强大的基因编辑能力：Knufia petricola 的基因组编辑非常容易，无论是体外合成还是细胞内基于质粒表达的 sgRNA - Cas9 复合物都能发挥作用。重组供体 DNA 几乎都通过同源重组（HR）整合到基因组的目标位置，很少出现非同源末端连接（NHEJ）导致的意外整合。这使得同源重组率高达 100%，同时编辑多个基因组片段的效率也很高，例如四个片段同时缺失的编辑效率可达 44%5。
4. 作为真核表达系统的优势：Knufia petricola 拥有多种遗传工具，包括五种选择标记、两个带有颜色选择的插入位点、五个用于表达构建体中性插入的有效基因间区域，以及多种可用于异源基因表达的启动子和诱导系统。此外，白化的 Knufia petricola 细胞具有类似酵母的生长特性，且习惯合成昂贵的次生代谢物和分泌含铜酶（MCO）。其自身还含有 4'- 磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶（PPT），可激活聚酮合酶（PKS）和非核糖体肽合成酶（NRPS）。在营养缺乏的情况下，它会将乙酰辅酶 A 和还原当量用于合成 DHN - 黑色素和类胡萝卜素。而白化突变体则可利用这些原料进行其他合成，成为一个优秀的真核表达系统67。

综合来看，这项研究揭示了黑真菌丰富的遗传多样性，为进一步了解这类神秘微生物奠定了基础。以 Knufia petricola 为代表，建立了高效的基因编辑技术，使其成为了生物技术应用的潜在 “明星” 细胞工厂。这不仅为开发新的生物合成途径、生产特殊代谢产物提供了可能，也为解决生物技术领域的一些难题提供了新的思路和方法。未来，研究人员还将继续探索黑真菌更多未被发现的特性，如生物量增长缓慢、细胞衰老缓慢、营养物质高效循环等对产物形成和发酵培养的影响，有望在生物技术领域实现更多突破，让这些在极端环境中生存的微生物为人类社会带来更多福祉。