圖2 冬蟲夏草菌基因和基因家族的進(jìn)化
圖3 冬蟲夏草菌過氧化物酶類編碼基因及正選擇作用
圖4 冬蟲夏草菌的群體遺傳結(jié)構(gòu)
冬蟲夏草菌 (Ophiocordyceps sinensis) 是一種常年生活在青藏高原高海拔環(huán)境下的子囊真菌，隸屬于子囊菌門 (Ascomycota)、糞殼菌綱 (Sordariomycetes)、肉座菌目 (Hypocreales)、線蟲草科 (Ophiocordycipitaceae)之線蟲草屬 (Ophiocordyceps)。它侵染青藏高原高山草甸土中的蝠蛾昆蟲幼蟲而形成的菌蟲復(fù)合體常被稱為冬蟲夏草，在我國是一種傳統(tǒng)的名貴中藥材，與人參和鹿茸并稱為“中藥三寶”，具有較高的藥用和科研價(jià)值。然而，其人工栽培至今尚未完全取得成功，究其原因是由于人們對(duì)冬蟲夏草菌在侵染宿主過程中的真菌致病性、高海拔生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性及其背后的遺傳基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)不足。
中國科學(xué)院昆明植物研究所高立志研究員帶領(lǐng)的植物種質(zhì)資源、基因組學(xué)與生物信息學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基因組學(xué)與生物信息學(xué)研究中心、中科院西雙版納熱帶植物園、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院、中科院北京基因組研究所和華盛頓大學(xué)等單位的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，整合羅氏454和Illumina Hiseq2000兩大測(cè)序平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，采用雜合組裝的策略，獲得了約116.42 Mb的冬蟲夏草菌高質(zhì)量的參考基因組圖譜，注釋得到了7,939個(gè)蛋白編碼基因。比較之前發(fā)表的冬蟲夏草菌基因組草圖，本研究所獲得的基因組圖譜，不管是從組裝完整性還是準(zhǔn)確度上均得到了較大的提升，為從基因組水平上解析冬蟲夏草菌的真菌致病性、高海拔生態(tài)適應(yīng)及其群體遺傳學(xué)等研究夯實(shí)了基礎(chǔ)。
該研究團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，伴隨著青藏高原的抬升冬蟲夏草菌基因組中的重復(fù)序列（尤其是長末端重復(fù)序列反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子家族）大量擴(kuò)增，使得冬蟲夏草菌基因組相比于其它低海拔近緣物種（如蛹蟲草等）變得異常之龐大；有趣的是，與其基因組變大形成鮮明反差的是，冬蟲夏草菌的蛋白編碼基因卻發(fā)生快速地丟失，致使其蛋白編碼基因的編碼區(qū)在進(jìn)化過程中被劇烈地壓縮。冬蟲夏草菌在基因組結(jié)構(gòu)和基因編碼區(qū)上所表現(xiàn)出來的這種特性，可能是對(duì)青藏高原高海拔環(huán)境變化的重要響應(yīng)，也是造成其具有極高宿主專一性的原因或結(jié)果。
比較基因組學(xué)的研究結(jié)果表明，相比于低海拔的近緣物種，在進(jìn)化過程中大量與真菌致病性相關(guān)的基因或基因家族（例如，過氧化物酶活性基因、絲氨酸水解酶編碼基因、重金屬蛋白酶基因和細(xì)胞色素P450 基因等）在冬蟲夏草菌中發(fā)生了特異性地顯著擴(kuò)增。有趣的是，該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，與抗低溫密切相關(guān)的功能基因在冬蟲夏草菌中大量擴(kuò)增，這可能有助于冬蟲夏草菌增強(qiáng)自身的抗寒性以便在青藏高原極端復(fù)雜的環(huán)境下得以生存。進(jìn)一步的研究表明，達(dá)爾文選擇強(qiáng)烈地作用于冬蟲夏草菌真菌致病性相關(guān)的蛋白編碼基因，可能與其特殊的宿主侵染機(jī)制和生態(tài)適應(yīng)相關(guān)。
真菌的有性生殖類型，主要由其交配型基因的類型決定。真菌的交配型基因在控制其交配親和性和有性生殖產(chǎn)生子實(shí)體上發(fā)揮著重要作用，因而與真菌的有性繁殖方式關(guān)系密切。高質(zhì)量的冬蟲夏草菌參考基因組的獲得與解析以及對(duì)來自冬蟲夏草菌幾乎所有生態(tài)地理分布區(qū)域的31個(gè)群體的重測(cè)序數(shù)據(jù)的分析強(qiáng)烈地支持和證實(shí)了冬蟲夏草菌是一種同宗交配型真菌。與禾谷鐮刀菌類似，冬蟲夏草菌交配型基因處于連鎖狀態(tài)，其周邊富含有大量的長末端逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列。通過物種進(jìn)化樹的構(gòu)建進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在冬蟲夏草菌的進(jìn)化過程中，交配系統(tǒng)曾經(jīng)歷過多次由同宗-異宗-同宗的轉(zhuǎn)換，并最終固定為同宗。眾所周知，比起青藏高原之遼闊，生物種類顯得十分稀少，冬蟲夏草菌的這種同宗交配方式，可能有助于其在青藏高原高海拔環(huán)境中快速、低成本地進(jìn)行有性生殖和繁衍后代，這可能也是造成其有效群體大小變小的原因。
冬蟲夏草菌在中國主要分布于云南、四川、西藏、青海和甘肅等地。近年來，隨著冬蟲夏草的藥用價(jià)值不斷被發(fā)掘和產(chǎn)業(yè)化利用，國內(nèi)和國際市場(chǎng)對(duì)其需求量劇增致使其價(jià)格也隨之急劇攀升。在商業(yè)利益的驅(qū)動(dòng)下，過度甚至毀滅性的采挖已經(jīng)使得冬蟲夏草這一珍貴的野生種質(zhì)資源呈現(xiàn)逐年下降并瀕臨滅絕。我國已將冬蟲夏草菌列為國家二級(jí)保護(hù)物種。該研究團(tuán)隊(duì)選擇了代表冬蟲夏草菌幾乎所有生態(tài)地理分布區(qū)域的天然群體的31個(gè)基因組開展重測(cè)序研究，基于業(yè)已獲得的高質(zhì)量參考基因組，獲得了冬蟲夏草菌的基因組變異水平、式樣與群體遺傳結(jié)構(gòu)的清晰認(rèn)識(shí)。系統(tǒng)進(jìn)化樹、主成分分析和結(jié)構(gòu)分析強(qiáng)烈地支持按緯度梯度將青藏高原冬蟲夏草菌群體劃分為低、中、高三個(gè)很明顯的亞群體。進(jìn)一步的研究顯示，低緯度的群體具有較高的群體內(nèi)基因組多樣性和較低的群體間分化水平，低緯度的西藏林芝地區(qū)可能是冬蟲夏草菌的遺傳多樣性中心，該物種發(fā)生了由低緯度向高緯度進(jìn)行擴(kuò)散并發(fā)生群體的分化。
本成果獲得了高質(zhì)量的冬蟲夏草菌參考基因組，對(duì)其深入的解析和群體基因組學(xué)研究結(jié)果，不僅闡明了冬蟲夏草菌在侵染宿主昆蟲過程中真菌致病性的基因組學(xué)基礎(chǔ)，也為詮釋冬蟲夏草菌的高海拔生態(tài)適應(yīng)性、交配系統(tǒng)進(jìn)化、群體的變異與進(jìn)化等重要問題提供了理論依據(jù)，無疑對(duì)促進(jìn)冬蟲夏草珍貴野生資源的遺傳保護(hù)、加快其人工栽培具有非常重要的意義。
本成果得到中組部“萬人計(jì)劃”領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、云南省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”海外杰出人才擇優(yōu)支持、云南省高端科技人才引進(jìn)計(jì)劃、云南省百名海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
上述成果標(biāo)志著國家大科學(xué)裝置中國西南野生生物種質(zhì)資源庫基因組學(xué)、種質(zhì)資源與生物信息學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與平臺(tái)建設(shè)又取得了重要進(jìn)展，將對(duì)我國豐富的野生生物種質(zhì)資源的研究、保護(hù)與發(fā)掘利用產(chǎn)生重要影響；該成果于2017年5月11日以“The caterpillar fungus, Ophiocordyceps sinensis, genome provides insights into highland adaptation of fungal pathogenicity”為題在線發(fā)表于Nature 出版集團(tuán)旗下的Scientific Reports。該研究團(tuán)隊(duì)博士生夏恩華、江建軍，中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園楊大榮研究員為并列第一作者，高立志研究員為通訊作者。
