口蘑属外生菌根真菌适应性演化和生态物种形成的基因组学机制

【作者】 俞嘉瑞； 袁海生；

【机构】 中国科学院应用生态研究所森林生态与经营重点实验室； 中国科学院大学；

【摘要】 生态学物种形成是指基于生态学中物种互作过程的歧化选择使群体产生生殖隔离,从而促进物种形成。在生态学物种形成的框架下,已经有大量动物、植物和病原真菌生态物种形成的案例,但是受限于基因组等数据集的缺乏,外生菌根真菌的研究案例较少,其生态学物种形成机制不明。外生菌根（EcM）真菌是一类与植物宿主关系密切的共生者,外生菌根化独立发生在多个真菌谱系中,共生方式加快了其物种多样化的速率。口蘑属（Tricholoma）真菌是一类有着丰富物种多样性的外生菌根真菌,属内部分物种宿主专一性极强,而有的却存在较为广泛的宿主联结,是研究外生菌根真菌宿主选择和生态物种形成的重要模型。目前口蘑属真菌的适应性演化机制尚不清数,同时缺乏对EcM真菌生态物种形成的研究。研究该属物种的基因组在宿主植物的适应性演化和物种形成过程具有重要的理论和实践意义。本研究以东北、西南、华北等地不同植物宿主下采集的口蘑属的三个物种—松口蘑（Tricholoma matsutake）、栎口蘑（T.bakamatsutake）和杨树口蘑（T.populinum）为研究材料,以二代（Illumina）和三代（PacBio）测序技术进行从头测序和重测序获取基因组数据。采用比较基因组学研究方法,构建全基因组单拷贝同源基因系统进化树、推测物种分歧时间和基因家族动态、筛选正选择基因和快速演化基因、统计受选择基因与转座子距离的关系、检测物种之间的基因流;采用群体基因组研究方法,研究中国松口蘑（T.matsutake）主要产区的群体结构,使用F_st、π、d_xy、Tajima’s D判断基因组上的受选择区域和高分化区域,检测不同群体的连锁不平衡衰减和连锁不平衡区块,检测群体之间的基因流,推测种群动态历史。以口蘑属种间物种形成和松口蘑种内群体分化两个层面,研究宿主驱动真菌物种形成的基因组学机制,主要研究结果如下:（1）通过从头测序,组装出140.37Mb的栎口蘑和120.9Mb的杨树口蘑基因组,分别预测出20434和19784个编码基因。松口蘑群体基因组的47个个体重测序的平均深度在16X,构建了超过2343万个位点的松口蘑全基因组遗传变异图谱。（2）以三个口蘑物种与属外10个真菌基因组构建单拷贝同源基因的系统发育树。根据物种树估算三个口蘑的共同先祖分化时间在渐新世（～2849万年）,其中栎口蘑与松口蘑的共同先祖分化时间在上新世（～809万年）;根据物种树推测基因家族的动态,松口蘑和杨树口蘑有较多的基因家族出现了基因扩张和创新（节点扩张倍数分别为2.52,2.88）,栎口蘑有较多的基因家族出现了收缩（节点收缩倍数为4.92）。在CAZymes的变化是宿主适应性带来的演化,其中松口蘑的GH16、AA1和AA7家族经历了扩张和创新,杨树口蘑的GT1家族经历了扩张和创新。（3）编码基因的进化研究表明:松口蘑、栎口蘑和杨树口蘑分别筛选出13、19和13个正选择基因以及2783、2983和1548个快速演化基因,涉及转座酶、水解酶、激酶、疏水蛋白等功能基因。其中一个具有分泌效应的GH12蛋白在口蘑类真菌的正选择基因筛选中展现出不同的底物结合模式。从快速演化基因的结果中发现有关细胞过程、减数分裂、膜融合的基因,可能导致物种之间的后合子隔离。（4）重复序列的研究表明:Gypsy和Copia类型的LTR插入起源于始新世,分别在渐新世和上新世出现数目激增;统计这些受选择的基因与转座子的距离关系,除了松口蘑的Copia类型LTR,所有口蘑基因组中的Transposon和LTR与受选择的基因距离更近,转座子可能加速了周围基因的变异,揭示了真菌快速适应性来源的基因组机制。（5）松口蘑的群体基因组研究表明:在西南地区的群体存在较多的基因流而东北与西南之间没有基因流,推测松口蘑在距今60万—80万年前出现了瓶颈效应,东北地区的有效种群在很长一段时间基本一直处于下降阶段,直到2万年前恢复到与如今相当的水平。（6）以宿主植物为标准,划分了以东北松属（NE_P）、西南松属（SW_P）、西南阔叶树（SW_B）为宿主的三个群体并筛选适应性基因。在SW_B与NE_P的比较中分别筛选出413和191个基因;在SW_B与SW_P的比较中分别筛选出811和462个基因;在SW_P与NE_P的比较中分别筛选出448和241个基因。其中涉及多个激酶类、水解酶类和锌指蛋白类的基因。作为同域/邻域分布的SW_B与SW_P群体筛选出更多的选择位点,宿主对物种分化的作用比地理隔离作用下的遗传漂变群体,带来更多的变异。（7）检测三个群体的连锁不平衡衰减,SW_B群体衰减速度最快,NE_P群体有最多的成对连锁。当相关系数r2=0.1时SW_P群体平均衰减距离最大,NE_P和SW_B相似。在三个群体中共检测出32个包含基因的区域高度分化位点,位点周围共鉴定出10个连锁不平衡区块。其中鉴定出包含有Mg2+转运蛋白的连锁不平衡区块可能与川藏高原阔叶树对松口蘑的适应性选择有关。综上所述,本研究以种间和种内两个演化视角,揭示了口蘑属物种因宿主适应性而发生的基因组演化。在生态物种形成的框架下,筛选出受到歧化选择的基因。单向、不平衡的基因流表明迁移不适合性是前合子隔离的原因。松口蘑种群间,宿主对物种分化起到主导作用。更多还原