Nature Commun | 中國農科院李培武/張奇團隊全球千余株真菌基因組研究揭示真菌進化密碼

真菌，這個在地球上繁衍了數億年的龐大生物類群，不僅是生態系統中不可或缺的分解者，也是威脅糧食安全和人類健康的“隱形殺手”。它們能夠產生種類繁多的特殊代謝物，這些化合物是真菌在復雜環境中用于競爭、防御和信號傳遞的“化學武器”。然而，其中一些被稱為真菌毒素的代謝物，如黃曲霉毒素B1，被世界衛生組織列為Ⅰ類致癌物，每年導致全球約25%的農作物受到污染，造成巨大的經濟損失。隨著全球氣候變化的加劇，真菌的分布和進化正在加速，新的致病菌株不斷涌現，但環境究竟如何塑造真菌的代謝多樣性，長期以來一直是未解之謎。

2026年3月18日，Nature Communications在線發表了中國農業科學院油料作物研究所李培武院士、張奇研究員團隊聯合荷蘭瓦赫寧根大學Marnix H. Medema和Justin J.J. van der Hooft團隊等國內外多家單位合作完成的研究論文，題為“Large-scale multi-omics profiling reveals environmental and evolutionary drivers of fungal phylogeographic and metabolic diversity”。這項研究通過對橫跨四大洲的1052株黃曲霉菌進行大規?；蚪M和代謝組測序，構建了迄今為止最全面的黃曲霉種群多組學圖譜。

研究團隊對采集自中國不同氣候區的544株黃曲霉進行了深度測序，并結合公開的508株來自全球九個國家的菌株數據，通過系統發育分析將黃曲霉種群劃分為八個亞群。他們發現，一個高產黃曲霉毒素的亞群主要分布在中國南方和中部地區，呈現出明顯的緯度梯度分布規律——產毒菌株更偏愛低緯度的高溫高濕環境，而非產毒菌株則更多分布在高緯度地區。

進一步的泛代謝組分析顯示，不同地理種群的代謝譜存在顯著差異。低產黃曲霉毒素的支系雖然黃曲霉毒素合成較少，卻富集了其他類型的真菌毒素，如環匹阿尼酸。通過構建包含15628個基因家族的泛基因組，研究人員發現核心基因組占比61.3%，而可變的輔助基因組和獨特基因則占38.7%，這些輔助基因主要富集在初級代謝和特殊代謝通路中。

令人意外的是，盡管共預測出52511個生物合成基因簇并歸并為103個獨特的基因簇家族，但分析表明，基因簇本身的缺失或變異僅能部分解釋代謝物的差異。例如，在黃曲霉毒素合成基因簇完整的菌株中，仍有44%的菌株不產毒或低產毒。通過代謝物全基因組關聯分析和基因-環境關聯分析，研究發現關鍵轉錄調控因子和初級代謝相關基因的變異才是驅動代謝分化的主要因素。環境因子如土壤容重、溫度、濕度和pH值等，通過作用于這些基因驅動了種群的分化。

研究團隊進一步通過基因敲除實驗驗證了16個與黃曲霉毒素合成相關的調控基因。結果顯示，敲除這些基因后，突變株的生長表型和代謝譜發生顯著改變，不僅黃曲霉毒素產量下降，其代謝輪廓也更接近于天然的低產毒支系。特別是敲除nsdD、apsA等調控基因后，菌株的初級代謝通路如苯丙氨酸和色氨酸生物合成也受到明顯擾動，印證了初級代謝與特殊代謝之間的緊密耦聯。

該研究首次系統揭示了環境選擇壓力如何通過重塑調控網絡和初級代謝，驅動真菌特殊代謝的地理分化。這些發現不僅為理解真菌在全球氣候變化背景下的進化趨勢提供了新視角，也為未來針對不同地理種群的黃曲霉精準防控策略設計，以及篩選關鍵的基因編輯靶點奠定了重要的理論基礎和數據資源。

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