借助基因組數(shù)據(jù)研究真菌的基礎(chǔ)生物學(xué)問題

1、應(yīng)用真菌學(xué)研究進展課程12前基因組時代：我們所知道的真菌的數(shù)量目前被描述的真菌數(shù)量72000-120000（Hawksworth and Rossman 1997; Hawksworth 2001）。截止2013年9月16日，315796個真菌被詳細的命名和記錄。在一些子囊菌中有很多種因為不同的寄主、有性型、無性型問題被描述為多個名字。在真菌的基礎(chǔ)分支中，壺菌門和接合菌門中，只有5129（1.6%）個種被命名。3在真菌的基礎(chǔ)分支中：壺菌門、球囊菌門和接合菌門下分別有1804，449，2876個種被描述記錄。微孢子蟲是一種專性寄生性生物，是古類群物種，在分類地位上和真菌為姊妹群。目前有561個種

2、被命名記錄。4壺菌門：九個目接合菌門：5個亞門，10個目56接合真菌代表了大多的陸生真菌門，主要特征是從有鞭毛孢子到無鞭毛孢子的形成，孢囊孢子和接合孢子。游動孢子的壺菌門的主要特征是具有鞭毛的游動孢子，可以在水生環(huán)境中生存.兩個門的真菌有可以以活體寄生或內(nèi)生叢植菌根營養(yǎng)方式。這是真菌具有生境和營養(yǎng)類型的適應(yīng)性變化特點，在與植物、動物、真菌和人類的關(guān)系表現(xiàn)出不同的形態(tài)特點。78真菌無處不在。因操作便捷、生長速度快、單倍體基因型、在進化關(guān)系上和動物更近的特點，在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的各個方面被用作模式生物進行研究。第一個被完整測序的真菌基因組是1996年10月發(fā)表的Saccharomyces cere

3、visiae 釀酒酵母。之后真菌基因組測序的潮流被打開，相繼有1899個基因組被提上日程。現(xiàn)基因組時代：我們獲得了什么？9現(xiàn)基因組時代：我們獲得了什么？10新舊前年交接之際，2002年，在麻省理工學(xué)院布羅德學(xué)院和哈佛大學(xué)共同發(fā)起了“真菌基因組計劃” Fungal Genome Initiative (FGI)，優(yōu)先考慮一些重要真菌的基因組測序工作。2007年，布羅德學(xué)院在2007年，作為發(fā)起單位，發(fā)起了“多細胞生物起源”計劃Origins of Multicellularity Project。2010年，在上海舉辦的“2009中國真菌基因組研討會”上起草了中國真菌基因組計劃白皮書，旨在關(guān)注中

4、國真菌基因組研究的深度、范圍和質(zhì)量。2011年，美國能源部啟動了“千種真菌基因組計劃” Fungal Genomics Program (FGP)。該計劃的主旨是關(guān)注真菌與植物/原料、健康、生物質(zhì)降解和可再生資源等領(lǐng)域。因千種基因組計劃的待選樣品在科的級別，因此同時衍生出了真菌生命進化樹計劃Assembling the Fungal Tree of Life (AFTOL)。11從基因組角度系統(tǒng)的理解真菌的基礎(chǔ)進化譜系具鞭毛的游動孢子Blastocladiomycota 芽枝霉菌門（1/2）Chytridiomycota 壺菌門（3/11）Neocallimastigomycota 新麗鞭毛菌

5、門（0/9）繁殖方式既可以通過有絲分裂形成的多細胞孢子囊形成的游動孢子也可以通過雙倍體菌絲形成的受精卵萌發(fā)形成的配子囊，配子囊內(nèi)形成水生、游動孢子真菌（Zoosporic）1213Blastocladiomycota 芽枝霉菌門2006年， Timothy Y. James，rDNA系統(tǒng)發(fā)育分析和超微結(jié)構(gòu)確定的新門。Allomyces macrogynus 大雌異水霉大雌異水霉基因組在2010年完成，17500個假定蛋白。14Chytridiomycota壺菌門壺菌門的大多數(shù)為寄生真菌：藻類、植物和動物。Batrachochytridium dendrobatidis（Bd）很多兩棲類動物的病

6、原菌（青蛙、蠑螈等350種兩棲類動物，除南極外各大洲廣泛分布）。15Chytridiomycota壺菌門Bd ：23.722Mb，8818假定基因，8806ORFBd和Hp比較基因組：兩者的基因組大小和基因數(shù)量上有明顯的差異Bd中有1974個Bd特異性基因，主要涉及：蛋白酶、脂酶和微生物互做方面。有三個Bd蛋白酶家族：金屬蛋白酶、絲氨酸蛋白酶和天冬氨酰蛋白酶家族在Bd和Hp種群分化后發(fā)生了擴張Bd種群的蛋白酶家族基因擴張時間在Bd菌成為兩棲類動物的病原菌之前。16Spizellomycetales小壺菌目該目的成員主要營腐生或寄生，主要在土壤、落葉堆積物、角質(zhì)等。Spizellomyces p

7、unctatus 毛蟲小壺菌基因組大小24.131Mb，8804個預(yù)測蛋白，8779個OFR。Chytridiomycota壺菌門17Neocallimastigomycota新麗鞭毛菌門真菌界中的特有厭氧菌類群，主要生活在食草動物腸道內(nèi)，具有復(fù)雜的酶系，可以木聚糖、纖維素、淀粉和糖原作為碳源。菌絲體為單細胞，具有假根或假根狀菌絲體。該門是單目、單科、6屬，缺乏線粒體，但具有氫化酶體，在厭氧條件下將六碳糖分解成乙酸和甲酸。18Neocallimastigomycota新麗鞭毛菌門厭氧培養(yǎng)條件的特殊和高AT含量，致使該門的基因組測序工作難以開展。借助于第三代單分子測序技術(shù)，目前有5個種得以測序完

8、成并發(fā)表。Orpinomyces 100.95 Mb (16,347 genes)，GC17.0 %，19接合菌門的主要特點是產(chǎn)生接合孢子（zygospore）的厚壁休眠孢子，在接合孢子囊由兩個配子囊融合之后發(fā)育而成。菌體呈絲狀，偶爾有酵母狀和絲狀兩種形態(tài)，無隔。陸生、無鞭真菌接合菌類真菌20孢囊孢子是其無性繁殖的主要方式，此外還可以產(chǎn)生厚垣孢子、粉孢子、節(jié)孢子。在一定條件下也是人的致病菌，威脅到人類健康，如毛霉病菌，在一些免疫功能低下的病人如糖尿病、癌癥或AIDS患者身上的死亡率達50%以上。該門的不少真菌在食品工業(yè)方面也有很好的應(yīng)用。陸生、無鞭真菌接合菌類真菌21接合真菌門下面囊括了大多數(shù)

9、陸生真菌的基礎(chǔ)分支支系。分子系統(tǒng)學(xué)數(shù)據(jù)表明，該門下分?jǐn)?shù)5個亞門，每一個亞門包含1-4個目。51個基礎(chǔ)分支的物種基因組計劃中，接合菌門占28個。陸生、無鞭真菌接合菌類真菌22Mucoromycota 毛霉亞門該門的菌體特點是菌絲氣生菌絲旺盛，菌體通常無隔膜，若有隔膜存在，它們也缺乏帶有特化栓塞的孔洞。毛霉亞門下的大多數(shù)屬于腐生型，生長在糞、土壤、腐殖質(zhì)以及其他有機殘渣中，也包括一些植物、蘑菇的致病菌。食品工業(yè)方面，某些毛霉可以用于制作檸檬酸、琥珀酸、酒精和草酸等。23Mucoromycota 毛霉亞門接合菌門中的28個基因組計劃，其中21個在毛霉亞門下面。目前完成的有4個。卷枝毛霉菌24Muco

10、romycota 毛霉亞門Mucor circinelloides卷枝毛霉菌在一定程度上具有明顯的向光性。卷枝毛霉在氧氣充足的條件下以菌絲態(tài)生長，在厭氧或高二氧化碳濃度下以酵母態(tài)生長。菌絲-酵母態(tài)及孢子的大小的改變主要依賴于鈣調(diào)磷酸酶通路，在這些不同狀態(tài)下，該菌的毒力大小不同。基因組大小36.55Mb，12410個基因，GC 39.5%。25Mucoromycota 毛霉亞門Rhizopus oryzae 米根霉基因組測序菌株是一個分離自毛霉病死亡病例的鬧膿腫（糖尿病患者后期發(fā)展成致命的鼻腦毛霉菌病）。基因組高度重復(fù)：45.3Mb，包含大量的轉(zhuǎn)座元件（占基因組的20%），17457個基因。26

11、Mucoromycota 毛霉亞門Rhizopus oryzae 基因組深度分析發(fā)現(xiàn)，在進化早期發(fā)生了全基因加倍事件whole-genome duplication (WGD)。WGS導(dǎo)致與電子呼吸傳遞鏈、H+-ATP酶、泛素化蛋白酶體系統(tǒng)的幾乎所有的蛋白復(fù)合體亞單位加倍。也導(dǎo)致與細胞生長、細胞壁合成酶、信號傳導(dǎo)、分泌性天冬氨酸蛋白酶和枯草桿菌蛋白酶家族的基因發(fā)生明顯的擴張。麥角甾醇的生物合成途徑也發(fā)生加倍。2728Mucoromycota 毛霉亞門Lichtheimia spp. 橫梗霉屬分布廣泛，土壤和腐爛的有機物，也是一個非常重要的人和動物的深層次組織感性致病菌。特別是第二第三世界國家，

12、發(fā)病率較高。耐熱性真菌，最高可耐受55度高溫?；蚪M測序工作開展在不同致病力上的一些菌株，結(jié)果表明感染人體的致病力高的菌株（L. corymbifera）發(fā)生了獨立的進化使其獲得了特殊的致病機制。29Mucoromycota 毛霉亞門Phycomycesblakesleeanus胡須霉特點就是氣生菌絲粗壯有力，接合孢子囊外圍有明顯的支鏈附屬物，較易辨別。腐生與土壤或食草動物糞便，世界性分布，以溫帶氣候分布最廣。胡須霉對光敏感，曾被直接用于向光性研究。胡須霉基因組53.9Mb，16532個基因。30Mortierellomycotina被孢霉亞門該亞門的典型特征是蛛網(wǎng)狀、分支狀的纖細菌絲結(jié)構(gòu)，最

13、初多核，形成白色或近白色的經(jīng)常帶有環(huán)形的菌落。腐生，?？蓮耐寥?、糞便、葉片、木頭、菌物或其他有機物中分離得到，被認(rèn)為在溫帶森林土壤的生態(tài)中扮演著重要的角色，也有少量的內(nèi)生/外生菌根真菌。喜冷，分離時要用低溫分離培養(yǎng)。31Mortierellomycotina被孢霉亞門Mortierella alpina 高山被孢霉產(chǎn)油真菌，菌體含油量可達干菌體重量的50%。高山被孢霉在商業(yè)上被用作生產(chǎn)花生四烯酸，作為膳食脂肪?；蚪M38.38Mb，基因組高度重復(fù)，12796個基因中50%的基因以及脂肪酸合成途徑中的60%屬于多基因家族。涉及脂肪代謝基因的系統(tǒng)發(fā)育分表明產(chǎn)油真菌在和子囊菌、擔(dān)子菌、壺菌和毛霉進化

14、分離后獲得了特殊的產(chǎn)油機制。32Entomophthoromycota蟲囊霉門單目，Entomophthorales。六科最主要的是Basidiobolaceae 蛙糞霉科（兩棲和爬行動物的致病性）。而Entomophthoraceae蟲囊霉科在作為生物防治昆蟲方面具有重要的作用。有5個在進行中的基因組項目。33Glomeromycota球囊菌門球囊菌門的成員與大多數(shù)農(nóng)業(yè)上重要的被子植物、部分裸子植物、以及一定的苔癬植物和蕨類植物，甚至是少數(shù)的藻類形成菌根關(guān)系。泡囊-叢植菌根真菌。該門也是最古老的菌根真菌支系。有一個在測基因組項目正在執(zhí)行中。34和真菌享有共同祖先的其他微生物隱真菌門Cryptomycota 暗指 “隱藏的真菌”（ hidden fungi ），異養(yǎng)，后鞭毛生物，與廣義上真菌的不同在于營養(yǎng)體階段缺乏幾丁質(zhì)細胞壁結(jié)構(gòu)。真菌和原生生物的主要區(qū)別是，真菌在其生活史的主要階段有幾丁質(zhì)為主要成分的完整的細胞壁結(jié)構(gòu)，而原生生物缺乏細胞壁（僅在特殊的階段有細胞壁結(jié)構(gòu)）。目前該門的分類地位仍有爭論。該門目前有三個在測基因組項目。Cryptomycota隱真菌門35胞內(nèi)寄生，缺乏線粒體細胞器。核糖體結(jié)構(gòu)特殊：1）和原核生物的大小一致，為70s；2）缺乏真核生物的典型5.8s結(jié)構(gòu)。在一定程度上表明，微孢子蟲是古老的真核生物。微孢子蟲的基因組很小，已