由包括美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所（DOE JGI）在內(nèi)的20多家機(jī)構(gòu)的研究人員組成的一個(gè)國(guó)際研究小組近日完成了對(duì)數(shù)十種真菌（fungi）完整基因組比較的綜合性研究，從而譜寫(xiě)出了真菌基因組百科全書(shū)第一章。相關(guān)論文發(fā)布在最新一期（6月29日）的《科學(xué)》（Science）雜志上。

研究數(shù)據(jù)表明能夠分解木質(zhì)素多聚體（維持植物細(xì)胞壁剛性）的真菌的進(jìn)化可能在終止煤層形成中發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。隨著新真菌的出現(xiàn)，死亡植物物質(zhì)可以被完全分解成基本化學(xué)成分。不再累積為可最終變?yōu)槊禾康哪嗝海罅康闹参锷镔|(zhì)腐爛并以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

文章的資深作者、克拉克大學(xué)生物學(xué)家David Hibbett 說(shuō)：“我們希望這將進(jìn)入到生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)教科書(shū)中。當(dāng)你讀到關(guān)于煤炭形成的書(shū)籍時(shí)，通常是就物理過(guò)程對(duì)其進(jìn)行解釋，并且煤沉積的速度在石炭一二疊系（Permo-Carboniferous）末期降下來(lái)。那原因?yàn)楹文兀坑懈鞣N不同的解釋。白腐真菌（white rot fungi）的進(jìn)化可能是一個(gè)因素，或許還是一個(gè)重要因素。一旦你擁有白腐菌，你就可以分解煤炭的主要前體木質(zhì)素。因此白腐菌的進(jìn)化是在碳循環(huán)演變過(guò)程中的一個(gè)非常重要的事件。

南加州大學(xué)地球科學(xué)和生物科學(xué)教授、環(huán)境研究負(fù)責(zé)人Kenneth Nealson說(shuō)：“創(chuàng)造一種能夠破壞‘堅(jiān)不可摧’物質(zhì)的酶的想法真是偉大。其理念就是使穩(wěn)定（不可食用）形式的有機(jī)碳變成可以食用，它不僅改變了我們對(duì)于過(guò)去全球能源儲(chǔ)存的看法，從這個(gè)意義上說(shuō)這種想法還將對(duì)思考過(guò)去和現(xiàn)在產(chǎn)生重大的影響。”

在他們的研究中，Hibbett和同事們將焦點(diǎn)放在了擔(dān)子菌（Basidiomycetes）上。擔(dān)子菌包括了大部分人聯(lián)想到真菌即想到的熟悉的蘑菇種類。此外，還包括褐腐真菌(Brown-rot fungi)，可以通過(guò)分解建筑中的纖維素而殘留木質(zhì)素導(dǎo)致房屋破壞，以及紙漿造紙工業(yè)感興趣可以分解兩種類型多聚物的白腐菌。本研究對(duì)31種褐腐菌和白腐菌基因組進(jìn)行了比較，其中26種的測(cè)序工作在DOE JGI完成。

DOE JGI真菌基因組計(jì)劃負(fù)責(zé)人Igor Grigoriev指出比較真菌基因組研究強(qiáng)調(diào)持久的興趣支持能源部的使命，利用真菌酶將諸如纖維素等生物聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)閱翁且詢?yōu)化生物燃料生產(chǎn)。在此追求下，Grigoriev和同事們促成了越來(lái)越多第一的清單。他說(shuō)：“DOE JGI曾經(jīng)測(cè)序第一種真菌，也是白腐真菌第一個(gè)基因組。幾年后，我們測(cè)序了首個(gè)褐腐真菌。在第一個(gè)真菌基因組后不到10年的時(shí)間，我們提供了首個(gè)大規(guī)模朽木菌（wood-decaying fungi）的比較。”

有多個(gè)真菌基因組在手，研究小組比較了DNA序列以尋找與木材腐朽相關(guān)的酶的編碼基因家族。他們特別側(cè)重了稱之為II類真菌過(guò)氧化物酶的酶類，研究結(jié)果證實(shí)這類酶存在于白腐真菌，而不存在于褐腐真菌中，表明它們?cè)诜纸庵参锬举|(zhì)素中發(fā)揮了作用。

研究人員隨后利用分子鐘分析追蹤了這類酶在整個(gè)真菌譜系的進(jìn)化。就像鐘指針以確定的速度繞著刻度盤(pán)移動(dòng)，基因以大致不變的速度累積了突變。這一改變速率使得研究人員能夠回溯，基于分歧量估計(jì)兩種譜系最后共享共同祖先的時(shí)間

比較分析表明大約在2.9億年前，恰好在石炭紀(jì)的末期，能夠分解木質(zhì)素的白腐真菌祖先出現(xiàn)了。在此之前，真菌不具備這一能力，因此植物物質(zhì)中的木質(zhì)素不會(huì)被降解，從而這些富含木質(zhì)素的殘余物隨時(shí)間在土壤內(nèi)累積。因?yàn)榉肿隅姺治鲇写罅康腻e(cuò)誤，真菌“化石”還需要校準(zhǔn)。在這一研究中，分子鐘分析對(duì)照三種真菌化石進(jìn)行了校準(zhǔn)。Hibbett說(shuō)越多的化石有助于改善時(shí)期評(píng)估。他補(bǔ)充說(shuō)：“不幸的是，真菌化石非常罕見(jiàn)，且容易被忽視。”他說(shuō)他的研究團(tuán)隊(duì)正在有興趣嘗試重建祖先白腐真菌的基因組。“我們的動(dòng)機(jī)是了解負(fù)責(zé)木質(zhì)素降解的這一代謝信號(hào)是何時(shí)出現(xiàn)的。這就是為何在這項(xiàng)研究中我們需要有如此多真菌基因組的原因。直到最近，都還需要大量的工作才能一次得到一種基因組。現(xiàn)在我們有了比較真菌基因組計(jì)劃，我們正過(guò)渡到一個(gè)擁有數(shù)以百計(jì)的真菌基因組的冷卻期。”

研究的共同作者、俄勒岡州立大學(xué)教授Joseph Spatafora同意Hibbett的評(píng)價(jià)，認(rèn)為研究小組的這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)改變生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)教科書(shū)。“當(dāng)你看到煤沉積減少這一特殊現(xiàn)象時(shí)，絕大多數(shù)解釋是非生物的，這看起來(lái)不像是完整的故事，”他說(shuō)。

Grigoriev說(shuō)這篇論文是真菌基因組百科全書(shū)第一個(gè)產(chǎn)品。DOE JGI傘形物計(jì)劃將真菌基因組測(cè)序的努力側(cè)重在DOE有關(guān)的能源和環(huán)境任務(wù)上。Grigoriev說(shuō)：“該論文是百科全書(shū)的第一章。產(chǎn)生的數(shù)據(jù)生成了工業(yè)感興趣的木質(zhì)纖維素酶最全面的目錄。我們現(xiàn)在得到了跨越非常不同系統(tǒng)發(fā)生的所有基因的藍(lán)圖，我們還將獲得更多。這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。下一個(gè)里程碑是1000真菌基因組計(jì)劃完成擔(dān)子菌整個(gè)多樣性研究。”