Glomeromycota是一種古老的真菌譜系，與根有共生關(guān)系，可追溯到最近的植物中近4.2億年。世界上超過三分之二的植物依靠這種土壤棲息的共生真菌生存，包括小麥，木薯和大米等重要農(nóng)作物。對Rhizophagus irregularis基因組的分析表明，這種無性真菌不像研究人員預(yù)期的那樣改變其基因。此外，正如在許多共生生物中觀察到的那樣，它已經(jīng)擴(kuò)展了其細(xì)胞間通訊基因和磷捕獲基因的范圍，而不是丟失了大量的代謝基因。

由法國國家農(nóng)業(yè)研究所(INRA)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組，包括能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的研究人員在11月25日在線發(fā)表的一篇論文中報(bào)道了R. irregularis(以前稱為Glomus intraradices)的完整基因組。期刊“美國國家科學(xué)院院刊”(PNAS http://bit.ly/PNAS-Glomus)。該真菌是Glomeromycota家族的成員，并且經(jīng)常殖民許多對農(nóng)業(yè)和林業(yè)重要的植物。Glomeromycota，也稱為叢枝菌根真菌(AMF)，在磷和碳如何在大氣和陸地生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但究竟如何才能完成這項(xiàng)重要工作尚不清楚。

“這是叢枝菌根的第一個(gè)測序基因組，這種類型在地球上占主導(dǎo)地位，”Igor Grigoriev說，他是該論文的高級作者之一，也是DOE JGI真菌基因組學(xué)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

通過有序的叢枝菌根真菌是一條漫長的艱難道路。2006年，在DOE JGI對第一個(gè)樹木基因組毛茛(Populus trichocarpa)進(jìn)行測序后不久，很明顯它需要一個(gè)村莊(其他生物)來養(yǎng)一棵白楊樹。研究人員橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的杰里·圖斯坎和INRA的弗朗西斯·馬丁建議對楊樹相關(guān)真菌和細(xì)菌的組裝進(jìn)行測序，以便為多年生植物生長，生態(tài)系統(tǒng)功能和植物微生物相互作用的研究提供信息。這篇長篇文章在New Phytologist的早期出版物中有所描述。Rhizophagus irregularis，是由DOE JGI釋放的下一個(gè)，它遵循外生菌根真菌共生體Laccaria，楊樹銹病病原體Melampsora，以及數(shù)十種細(xì)菌基因組。

作為真菌進(jìn)化的遺物，AMF早期從其他形式的真菌中分化。它們在根細(xì)胞中形成密集的分支結(jié)構(gòu)簇(稱為叢枝狀結(jié)構(gòu))，就像一個(gè)緊密的，多指的手柄。叢枝是植物和真菌之間營養(yǎng)交換的主要途徑。由于無法獨(dú)立生活，AMF完全依賴植物寄主來獲取食物所需的糖。他們仔細(xì)地建立了與寄主植物的關(guān)系，使它們保持活力，同時(shí)減少它們的營養(yǎng)。

但AMF也擅長從土壤中捕獲磷并使其可供宿主使用。磷是細(xì)胞功能的關(guān)鍵元素，否則難以從土壤中提取，并且通常是植物生長速度的限制因素。

科學(xué)家們推測，這些真菌所帶來的好處使得古代植物能夠在大約2.5億至5億年前的古生代時(shí)期進(jìn)化。隨著時(shí)間的推移，植物適應(yīng)了它們基本無根的原始形態(tài)，并發(fā)展出更深更強(qiáng)的根，以利用地下AMF喂養(yǎng)它們的營養(yǎng)。作為交換，植物提供了真菌無法獲得的營養(yǎng)。

對R. irregularis基因組的分析也揭示了幾個(gè)令人驚訝的細(xì)節(jié)。研究小組發(fā)現(xiàn)，基因組是最大的真菌基因組測序之一，重量為1.53億堿基對(Mb)。為了比較，由DOE JGI測序和發(fā)表的蘑菇(雙孢蘑菇)具有約30Mb的基因組。通過幾代，R. irregularis的基因組的部分被重復(fù)，被重復(fù)的轉(zhuǎn)座因子侵入，被稱為“跳躍基因”。與許多其他真菌不同，R。irregularis似乎缺乏可以保持這些轉(zhuǎn)座因子不受影響的機(jī)制。

“在它的基因組的擴(kuò)展部分中，R。irregularis有幾個(gè)磷代謝基因，這可能是它對磷的巨大需求的原因，”弗朗西斯·馬丁說，他是該論文的高級作者之一，也是卓越集群的領(lǐng)導(dǎo)者。 ，INRA的樹木和森林生態(tài)系統(tǒng)生物學(xué)高級研究(ARBRE)(http://mycor.nancy.inra.fr/ARBRE/)。“它們還具有豐富的基因，通過信號蛋白在細(xì)胞之間進(jìn)行通訊，包括共生期間高度表達(dá)的小分泌效應(yīng)物。植物根系發(fā)出了大量的化學(xué)信號，這些基因可能有助于AMF與植物相互作用，從而吸收植物泵出的信號。

研究小組的另一個(gè)驚喜是控制新陳代謝的基因。“強(qiáng)制寄生蟲通常會(huì)破壞新陳代謝，在關(guān)鍵代謝途徑中遺漏一些基因，使其依賴宿主，”格里戈里耶夫說。“我們沒有在這里找到這樣的基因。” R. irregularis保留了它的代謝機(jī)制的，不像其他許多專寄生生物。它導(dǎo)致雙重生命，從土壤中提取礦物質(zhì)，同時(shí)仍與其寄主植物和諧共存。

盡管它具有近30,000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，但由于與植物密切相關(guān)，R。irregularis還失去了數(shù)百個(gè)基因。例如，研究人員推測，它不能使其他植物相互作用的真菌釋放出大部分毒素，以避免引起寄主植物的免疫系統(tǒng)。它還拋棄了大部分用于分解植物細(xì)胞壁的基因，這是一種自由生活的真菌的關(guān)鍵能力，可以捕獲土壤中的死有機(jī)物質(zhì)。

區(qū)分土壤真菌和植物之間的復(fù)雜關(guān)系可能會(huì)對改善植物生物量的生物燃料生產(chǎn)產(chǎn)生影響。“通過對這種和其他菌根基因組的分析，我們可以幫助更好地了解對生物能源植物可持續(xù)增長至關(guān)重要的相互作用和條件，以及主要作物，這是幫助養(yǎng)活世界的先決條件，”馬丁說。