共生天麻蜜环菌 M3 全基因组测序与分析：解锁共生奥秘，助力中药发展

《BMC Genomics》：Whole genome sequencing and analysis of the symbiotic Armillaria gallica M3 with Gastrodia elata

为探究蜜环菌（Armillaria）与天麻（Gastrodia elata）的共生机制，昆明理工大学等机构的研究人员对蜜环菌 M3 菌株进行全基因组测序及分析。结果获得 83.33 M 基因组，明确基因特征等。该研究为理解二者共生机制提供依据，助力相关研究。

　　天麻（Gastrodia elata BI.），兰科天麻属的多年生草本植物，在中国作为传统名贵中药材已有 2000 多年历史。它能发挥如抗惊厥、催眠、镇静等药理作用，其主要药用成分天麻素就来自干燥后的根茎。然而，天麻没有根、叶，也不存在叶绿体，无法进行光合作用，在生长过程中，它只能依赖蜜环菌（Armillaria）作为唯一的营养来源，通过消化蜜环菌侵入的菌索获取养分。但当蜜环菌营养不足时，又会反过来利用天麻体内的养分，二者由此建立了一种特殊的共生关系。

蜜环菌在生态系统中扮演着复杂的角色，它既是许多树木的致病菌，会引发严重的根腐病，同时也是天麻生长不可或缺的共生伙伴。目前已知的蜜环菌种类超过 70 种，可真正能与天麻共生的却寥寥无几。不同蜜环菌菌株形成菌索以及侵染天麻皮层组织的能力有所差异，这直接影响着天麻的产量和质量。而且，当前对蜜环菌与天麻共生关系的研究多集中在表型、生理生化检测和转录组分析层面，从全基因组水平深入探究二者共生关系的研究较少。为了填补这一空白，进一步明晰蜜环菌在与天麻等植物共生关系中的作用，昆明理工大学等机构的研究人员开展了对蜜环菌 M3 菌株的全基因组测序与分析研究，相关成果发表在《BMC Genomics》上。

研究人员开展研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是 DNA 提取，采用 CTAB 法获取蜜环菌 M3 的基因组 DNA；接着利用 Illumina NovaSeq 6000 平台和 PromethION P48 测序仪进行全基因组测序；之后使用 NECAT、Racon、Pilon 等软件进行基因组组装和校正；最后通过多种数据库，如 KEGG、GO、Pfam、NR 等对基因进行功能注释 。

下面来详细看看研究结果：

1. 基因组特征：研究获得了大小为 83.33 M 的蜜环菌 M3 基因组，由 38 个重叠群组成，N50 为 6,065,498 bp ，GC 含量达 47.43%。经 BUSCO 评估，基因组完整性为 95.4%。此外，还预测出 281 个 tRNA、60 个 rRNA 操纵子和 25 个 snRNA。通过基因预测，共识别出 12,557 个基因，且重复序列约占基因组的 44.36%。
2. 基因注释：
   • GO 分析：在蜜环菌 M3 中，共有 7,671 个基因被注释到 18,679 个 GO 术语中。在生物过程（BP）领域，碳水化合物代谢过程、翻译、转录等术语注释的基因较为丰富；细胞组成（CC）领域，基因显著富集于细胞膜的整体成分、细胞核和细胞质；分子功能（MF）领域，ATP 结合、金属离子结合和氧化还原酶活性相关的基因较多。
   • KEGG 分析：2,557 个编码基因经 KEGG 数据库注释，被划分到细胞过程、环境信息处理、遗传信息处理、代谢和有机系统五大类。其中，代谢途径注释的基因数量最多，尤其是碳水化合物代谢、氨基酸代谢和翻译相关基因。
   • Pfam 注释：7,308 个基因得到注释，主要富集在主要促进因子超家族、细胞色素 P450 和蛋白激酶结构域等蛋白家族。
   • NR 数据库注释：12,069 个基因在 NR 数据库中被注释，62.68% 的基因注释到蜜环菌，18.65% 注释到奥氏蜜环菌（Armillaria ostoyae） ，16.38% 注释到假蜜环菌（Armillaria solidipes） 。
   
   
3. 碳水化合物酶分类和注释：蜜环菌 M3 基因组中共注释出 452 个碳水化合物活性酶（CAZymes），包括 191 个糖苷水解酶（GHs）、73 个糖基转移酶（GTs）等。其中，GHs 家族有 47 个，包含 22 个与几丁质酶相关的基因。KEGG 注释显示，206 个 GHs 参与代谢，在碳水化合物代谢、多糖生物合成和代谢以及脂质代谢中基因数量较多。
4. 病原体宿主相互作用（PHI）：基因注释表明，蜜环菌 M3 中有 3,412 个基因与 PHI 相关。这些基因主要分布在化学靶点、降低毒力、增加毒力（超强毒力）、增强拮抗作用、效应子（植物无毒决定因子）、无影响的致病性、丧失致病性和致死性八个模块中，其中 51.91% 的基因富集到降低毒力模块，6.95% 的基因属于丧失致病性，与致死性相关的基因仅占 4.07%。
5. 基因组比较分析：通过构建系统发育树发现，蜜环菌 M3 与蜜环菌 Ar21 - 2 遗传距离较远，与蜜环菌 012m 亲缘关系较近。基因家族进化分析显示，蜜环菌 M3 有 306 个基因家族扩张，856 个基因家族收缩。在 GO 和 KEGG 数据库中，部分基因家族分别呈现出收缩和扩张的趋势。对蜜环菌 M3、蜜环菌 Ar21 - 2 和蜜环菌 012m 的共享和独特基因家族分析发现，三者共有 7,072 个基因家族，蜜环菌 M3 分别与其他两者有特定数量的共享基因家族，还有 412 个独特基因家族。GO 和 KEGG 功能注释表明，共享基因家族和独特基因家族在不同代谢过程中显著富集。

研究结论和讨论部分指出，蜜环菌 M3 基因组中与致病性 / 腐生性相关的单加氧酶活性、与感染能力相关的水解酶活性以及细胞外区域相关的基因家族显著收缩。这可能使得蜜环菌在侵染天麻表皮后，不会进一步侵染内皮，既为天麻生长提供必要养分，又避免对天麻造成病理损伤，有利于二者建立共生关系。CAZymes 在蜜环菌与天麻的共生中起着关键作用，其中 GHs 和 GTs 显著富集。GHs 能水解糖苷键，为天麻提供营养，还可能参与信号通讯；GTs 则可促进天麻素合成。此外，蜜环菌 M3 的致病性较弱，适合与天麻混种。

这项研究从基因组层面揭示了蜜环菌 M3 的特征，有助于深入理解蜜环菌与天麻共生的内在机制，为蜜环菌 M3 菌株伴栽天麻的标准化提供了理论依据，对进一步探究蜜环菌的多样性、进化历史和系统发育关系，以及挖掘其与植物共生的分子机制都具有重要的理论意义和应用价值。