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沈其荣教授团队揭示真菌孢子传播和进化权衡分子机制

信息来源: 发布日期:2020-07-07 浏览次数:

近日,南京农业大学资环学院沈其荣教授团队以木霉菌为研究材料,通过生态遗传学方法,解析了一类表面活性小分子蛋白Hydrophobin(HFB)参与真菌分生孢子传播,进而影响其环境适应性与物种分化的分子机制,相关研究结果以“Evolutionary compromises in fungal fitness: hydrophobins can hinder the adverse dispersal of conidiospores and challenge their survival”为题发表于The ISME Journal上。

真菌进化生物学由于化石证据的缺乏、群体间生活史迥异以及同时具有无性和有性生殖现象等问题而发展相对缓慢;另一方面,也正是因为这些独有的特性,真菌具有高度生态可塑性,因而可作为进化生物学研究的极佳对象。高等丝状真菌通过在分生孢子表面“涂”上一层由表面活性小分子蛋白HFB组成的“疏水涂层”而实现孢子的风媒传播等功能。研究人员针对姐妹种木霉T. harzianum(Th)和T. guizhouense(Tg)的高表达hfb基因(hfb4和hfb10)构建了基因敲除突变体库,并分别对突变体进行了风媒和水媒的传播模拟试验,发现不同菌种有各自偏好的传播方式。研究人员对突变子进行抗逆性、生长和繁殖能力测试,发现HFB4的移除不仅显著影响真菌的生态适应性(Fitness),且同一HFB对真菌适应性的贡献力即便在遗传背景相近的菌株间也差异显著。基于此,研究人员分别对两个种群的hfb4(及hfb10)进行了自然选择压力计算,发现来自Th的hfb4受到强正向选择压力驱使。结合其生理生态习性(图1),研究人员猜测,Tg可能起源于水生环境,其孢子为脱离亲代生境,需要通过风媒传播至别处,且在高空中传播要求其孢子可以耐低温和UV照射,Tg具有上述特征;而Th则更偏向于利用雨水或昆虫进行传播,其确切的传播偏好有待进一步研究。在整个进化历程中,hfb4对菌株生态适应性的净贡献率是物种多个指标或特性进化权衡(compromise)的结果,例如hfb4的存在可提高Tg孢子的风媒传播能力,但却会相应“牺牲”掉一些耐低温特性。

图1 HFB4参与木霉菌物种分化过程

在本研究中,研究人员结合人工智能(AI)技术开发了一套可高通量监测丝状真菌生长和繁殖能力的技术集合——REPAINT。REPAINT技术不仅扩充了真菌环境适应性评价体系的指标内容,使基于纯培养方式的数据采集实现高通量智能化和标准化,而且允许针对不同真菌类群实行定制化调整。

南京农业大学博士后蔡枫博士为该论文第一作者,沈其荣教授和Irina S. Druzhinina教授为共同通讯作者。本研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金(KYXK2020)和江苏省科技厅(BK20180533)等的资助,同时也得到了奥地利科学基金(FWF P25613-B20)及维也纳科技基金(WWTF LS13-048)的资助。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41396-020-0709-0。


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