它們可以在森林地面，沼澤地和房屋中找到，大小從智能手機(jī)鍵盤上的小到大小的幾個街區(qū)。估計有超過一百萬種真菌存在于這個星球上，但大多數(shù)這種多樣性仍然未知，因為真菌已經(jīng)避免了檢測并且沒有在實(shí)驗室中進(jìn)行培養(yǎng)。

2018年10月8日，在自然微生物學(xué)報告中，由美國能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一條管道，用于從單個細(xì)胞生成基因組。未開墾的真菌。該方法在幾種未培養(yǎng)的真菌物種上進(jìn)行了測試，這些物種代表早期發(fā)散的真菌，這是真菌譜系中最早的進(jìn)化分支，提供了重要和有價值的基因產(chǎn)物庫。

“大多數(shù)系統(tǒng)發(fā)育多樣性代表了早期發(fā)散的真菌，”密歇根大學(xué)的共同資深作者蒂姆詹姆斯說。“我們從環(huán)境DNA調(diào)查中了解到它們在許多棲息地都很常見，但它們可能是微觀的，所以你真的需要尋找它們。我們不知道它們是什么樣的，我們知道我們不能培養(yǎng)它們，因為你所培養(yǎng)的東西并不能代表你在環(huán)境DNA中看到的東西。我們希望能夠看到一個給定的樣本并確定細(xì)胞的樣子，但我們也想看看有機(jī)體的基因組和推斷他們的喜好。這就是單細(xì)胞基因組學(xué)的用武之地。“

一種探索未知多樣性的技術(shù)

通過JGI的1000個真菌基因組等項目，研究人員旨在通過各種譜系的代表性基因組序列擴(kuò)展已知的真菌多樣性部分。即使有這樣的努力，大多數(shù)可用的基因組僅屬于兩個主要譜系，子囊菌綱和擔(dān)子菌綱。更接近真菌生命之樹基地的早期分歧譜系幾乎沒有代表性的基因組。

“從概念上講，這是一個試點(diǎn)項目，”JGI數(shù)據(jù)科學(xué)家和第一作者Steven Ahrendt說道，他作為一名博士后研究員開始從事該項目。“這與JGI對微生物暗物質(zhì)采取的方法有類似的想法 - 物種在那里，但它們不會出現(xiàn)在基于板的培養(yǎng)中。”

單細(xì)胞基因組學(xué)方法應(yīng)用于八種真菌，其中七種屬于早期分化譜系Cryptomycota，Chytridiomycota和Zoopagomycota。此外，七種真菌中的六種是真菌寄生蟲，或攻擊其他真菌的真菌。因此，他們需要能夠感染宿主而不會傷害自己。這些物種與它們的宿主共培養(yǎng)生長，然后分離寄生蟲的孢子用于取樣。“這種寄生生活方式可能是導(dǎo)致這些物種無法培養(yǎng)的因素，”Ahrendt指出。

觀察六種寄生蟲的基因組，研究小組發(fā)現(xiàn)，涉及硫胺素，尿素和硫酸鹽等途徑的基本代謝基因缺失，這可能使其難以培養(yǎng)。詹姆斯指出，研究中使用的真菌是從廣泛的寄生蟲策略中選出的，并且代表了大量的進(jìn)化時間，這使得團(tuán)隊難以識別可以揭示寄生生活方式的新基因組。他補(bǔ)充說，研究真正突出的是單細(xì)胞方法對于他所謂的“真菌暗物質(zhì)”是可行的。真菌單細(xì)胞產(chǎn)生了從基因組的6%到88%的任何地方，但是結(jié)合單個細(xì)胞產(chǎn)生的基因組共組裝從73%完成到99%完成。

超越原則證明

詹姆斯說，大約有2000種早期發(fā)散真菌的種類，以及約120,000種子囊菌和擔(dān)子菌的種類。“我們已經(jīng)描述了5%的真菌多樣性，我們正處于一個我們可以開始嘗試這種多樣性缺失的時代。”

單細(xì)胞基因組學(xué)方法將應(yīng)用于JGI社區(qū)科學(xué)計劃提案，詹姆斯領(lǐng)導(dǎo)該計劃涉及來自水生環(huán)境的50種未知的早期發(fā)散真菌。“我真正希望看到的是人們采用這種方法并調(diào)整管道以適應(yīng)不同的生物群體，”他說。“這個試點(diǎn)剛開始通過觀察單細(xì)胞水生生物進(jìn)行探索，但我們在土壤，植物等中都有生物。” 詹姆斯在JGI 2018能源與環(huán)境基因組會議上談到“利用單個細(xì)胞或個體之間的遺傳變異來理解真菌的神秘生物學(xué)”。

“這項工作是一個原理論證，單細(xì)胞基因組學(xué)方法可以重建近乎完整的真菌基因組，并提供對來自環(huán)境樣本的各種不可培養(yǎng)物種的系統(tǒng)發(fā)育位置和代謝能力的見解，”同意JGI真菌計劃負(fù)責(zé)人和合作資深作家Igor Grigoriev。“本研究中的幾個基因組代表了真菌門的第一個參考文獻(xiàn)，其中主要包含未經(jīng)培養(yǎng)或未培養(yǎng)的物種。具有基因組序列和廣泛多樣的未培養(yǎng)真菌物種的代謝重建使我們能夠更好地了解真菌進(jìn)化并擴(kuò)展目錄美國能源部科學(xué)和應(yīng)用的基因，酶和途徑。“