祖先真菌如何影響煤的形成
因?yàn)闆]有釘子,童謠就去了,一個(gè)王國失去了。類似的,看似無害的變化 - 蘑菇譜系的演變 - 可能對(duì)碳循環(huán)產(chǎn)生了巨大影響,結(jié)束了煤炭沉積形成的6000萬年期間。
根據(jù)美國能源情報(bào)署(US Energy Information Administration)的數(shù)據(jù),2010年美國耗電量約為4萬億千瓦時(shí)的近一半。這種燃料實(shí)際上是生活在大約3.6億至3億年前的植物的化石殘骸。一個(gè)國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì),包括美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的研究人員,提出了一個(gè)新的因素,可能有助于石炭紀(jì)時(shí)期的結(jié)束 - 以成為煤礦的大型商店命名。證據(jù)在6月29日出版的“ 科學(xué) ”雜志網(wǎng)上發(fā)表,表明能夠分解聚合物木質(zhì)素的真菌的進(jìn)化,這有助于保持植物細(xì)胞壁剛性,可能在結(jié)束煤礦床的發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。隨著新真菌的到來,死植物物質(zhì)可以完全分解為其基本化學(xué)成分。大部分植物生物質(zhì)腐爛而不是像泥炭一樣積累,最終轉(zhuǎn)化為煤炭,而是以二氧化碳的形式釋放到大氣中。
“我們希望這將進(jìn)入生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)教科書,”克拉克大學(xué)生物學(xué)家David Hibbett說,他是這項(xiàng)全面研究的資深作者,比較了幾十種真菌的完整基因組,其中大部分是在DOE JGI進(jìn)行測序的。“當(dāng)你讀到關(guān)于煤的形成時(shí),它通常用物理過程來解釋,并且煤炭沉積的速率剛剛在石炭石的末端崩潰。那是為什么?有各種解釋。白腐真菌的進(jìn)化可能是一個(gè)因素 - 也許是一個(gè)主要因素。一旦你有白腐病,你可以分解煤炭的主要前體木質(zhì)素。因此,白腐病的演變是碳循環(huán)演變中非常重要的事件。“
“能夠分解'堅(jiān)不可摧'的酶的發(fā)明概念真的很棒,”南加州大學(xué)環(huán)境研究的Wrigley主席和地球科學(xué)與生物科學(xué)教授Kenneth Nealson說。“穩(wěn)定(不可食用)形式的有機(jī)碳可以變得可食用(因此隨著時(shí)間的推移更難以埋葬)這一觀點(diǎn)不僅改變了我們過去對(duì)全球能源儲(chǔ)存的看法,而且改變了我們對(duì)當(dāng)今碳固存的意義從這個(gè)意義上來說,這個(gè)想法會(huì)對(duì)我們對(duì)過去和現(xiàn)在的思考產(chǎn)生重大影響。“
在他們的研究中,Hibbett及其同事專注于擔(dān)子菌,其中包括具有熟悉的帽蓋和莖干的蘑菇種類,大多數(shù)人都與真菌有關(guān)。擔(dān)子菌還包括褐腐病真菌,例如干腐病,它可以通過破壞建筑木材中的纖維素來破壞房屋,但留下木質(zhì)素未受影響的白腐真菌,紙漿和造紙工業(yè)可以分解兩種類型的聚合物。在該研究中比較的31個(gè)褐腐病和白腐真菌基因組中,26個(gè)在DOE JGI進(jìn)行測序,包括十幾個(gè)專門用于該研究以充實(shí)真菌指令的表示。
美國能源部JGI真菌基因組學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Igor Grigoriev指出,比較真菌基因組學(xué)研究強(qiáng)調(diào)了支持DOE使命的持久興趣,利用真菌酶將生物聚合物如纖維素轉(zhuǎn)化為單糖以優(yōu)化生物燃料生產(chǎn)。在這一追求中,格里戈里耶夫和他的同事繼續(xù)為越來越多的第一名做出貢獻(xiàn)。“在DOE JGI測序的第一個(gè)真菌也是白腐菌的第一個(gè)基因組,”他說。“幾年后,我們對(duì)第一種褐腐病菌進(jìn)行了測序。在第一個(gè)真菌基因組發(fā)生不到十年后,我們首次對(duì)木材腐爛真菌進(jìn)行了大規(guī)模的比較。“
有了多個(gè)真菌基因組,該團(tuán)隊(duì)比較了DNA序列,尋找編碼木材腐爛相關(guān)酶的基因家族。他們特別關(guān)注稱為II類真菌過氧化物酶的酶,結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在于白腐真菌的譜系中但不存在于褐腐真菌中,這表明它們?cè)诜纸庵参镏械哪举|(zhì)素中起作用。
然后,研究人員使用分子鐘分析來追蹤酶通過真菌譜系的演變。這個(gè)想法是,就像時(shí)鐘指針在表盤周圍以一定的速度移動(dòng)一樣,基因以大致恒定的速率累積突變。這種變化速度允許研究人員向后工作,估計(jì)兩個(gè)譜系最后根據(jù)分歧量共享一個(gè)共同的祖先。
比較分析表明,大約在2.9億年前,在石炭紀(jì)時(shí)期結(jié)束時(shí),出現(xiàn)了具有分解木質(zhì)素能力的白腐真菌祖先。在該祖先之前,真菌沒有這種能力,因此植物中的木質(zhì)素沒有降解,這使得這些富含木質(zhì)素的殘留物隨著時(shí)間的推移在土壤中積累。由于分子鐘分析存在實(shí)質(zhì)性誤差,因此校準(zhǔn)需要真菌“化石”。在這項(xiàng)研究中,分子鐘分析是針對(duì)三種真菌化石進(jìn)行校準(zhǔn)的。Hibbett說,更多的化石將有助于改善年齡估計(jì)。“不幸的是,”他補(bǔ)充說,“真菌化石是罕見的,很容易被忽視。”他說,他的小組有興趣嘗試重建祖先的白腐真菌基因組。“我們有動(dòng)力去理解這種導(dǎo)致木質(zhì)素降解的代謝途徑何時(shí)出現(xiàn)。這就是為什么我們需要在這項(xiàng)研究中擁有那么多的真菌基因組。直到最近,一次只獲得一個(gè)基因組是如此多的工作。現(xiàn)在,我們正在進(jìn)行比較真菌基因組學(xué)項(xiàng)目,因?yàn)槲覀冋谶^渡到擁有數(shù)百種真菌基因組的涼爽時(shí)期。“
俄勒岡州立大學(xué)教授,該研究的共同作者約瑟夫·斯帕塔福拉(Joseph Spatafora)同意Hibbett的評(píng)估,該研究小組的研究結(jié)果可能會(huì)改變生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)的文本。“當(dāng)你看到煤炭沉積減少的這種特殊現(xiàn)象時(shí),到目前為止,大多數(shù)解釋都是非生物性的,而且似乎不應(yīng)該是整個(gè)故事,”他說。
Grigoriev說,這篇論文是真菌基因組百科全書的第一個(gè)產(chǎn)品,DOE JGI傘形項(xiàng)目將真菌基因組測序工作重點(diǎn)放在DOE相關(guān)的能源和環(huán)境任務(wù)上。“這篇論文是百科全書的第一章,”他說,“所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)已經(jīng)產(chǎn)生了最全面的木質(zhì)纖維素分解酶目錄,這是工業(yè)界感興趣的。我們現(xiàn)在已經(jīng)獲得了各種系統(tǒng)發(fā)育中所有基因的藍(lán)圖,我們將獲得更多。這是向前邁出的一大步。下一個(gè)里程碑是1000個(gè)真菌基因組項(xiàng)目,以完成擔(dān)子菌的全部多樣性。“
作為1000個(gè)真菌基因組項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人,該項(xiàng)目是DOE JGI社區(qū)測序計(jì)劃組合的一部分,Spatafora表示,盡管目標(biāo)是促進(jìn)1000個(gè)真菌基因組的測序,但500個(gè)家族中的兩個(gè),五年以上,真菌基因組學(xué)還有很長的路要走。“估計(jì)有150萬種真菌,”他說。“我們有大約100,000種物種的名稱,我們正在研究這個(gè)項(xiàng)目中的1000種真菌。這仍然是觀察真菌多樣性的冰山一角,我們正在努力學(xué)習(xí)更多,以更好地了解真菌代謝和利用真菌的潛力,包括生物能源在內(nèi)的許多應(yīng)用。在真菌生物學(xué)方面,這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)刻,其中一部分原因在于今天的技術(shù)使我們能夠解決真正長期存在的問題。“
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