这种生物超过 17,000 种性别，你相信吗？

测序技术的进步最终使真菌研究人员能够把注意力全部集中于 shelf fungi 真菌令人难以置信的交配系统背后的遗传多样性。

生长在松树原木上的 Trichaptum abietinum。DABAO SUN LU

研究人员2022年3月31日在 PLOS Genetics 上报告说，一些常见的蘑菇可能有超过 17,000 种性别。这项工作可以帮助我们更好地了解有性生殖的进化，并展示了日益强大的基因组测序的力量。  

虽然科学家们长期以来一直怀疑某些真菌种类有数千甚至数万种生物学性别，但这项新研究采用了尖端的遗传工具来确认 Trichaptum 蘑菇中性别的极端多样性。

“DNA测序的进步速度令人难以置信，” 美国杜克大学遗传学家和传染病专家 Joseph Heitman 说，Heitman 没有参与这项研究，但之前曾研究过真菌交配策略。他说， “即使在五年前，这种研究的成本和时间也会令人望而却步。”

在培养皿上交配的两种兼容的 Trichaptum fuscoviolaceum 真菌菌株   VILDE BRUHN KINNEBERG

Trichaptum 是一组木质的板状蘑菇（shelf fungi 真菌），通常生长在北半球较冷地区的树木和倒下的原木上。“我认为它们很漂亮，但不是很艳丽，”奥斯陆大学的真菌生物学家、该论文的合著者 Inger Skrede 说。当然，选择真菌并不是因为它们的外表。这个国际合作研究小组决定检查该属的物种，因为它们之前已经被科学家研究过，并且很容易在实验室中生长。

研究人员总共从三种 Trichaptum 属蘑菇中获得了180 个标本；有些是他们自己收集的，有些则是从世界各地的同事那里寄给他们的（“你可以用普通邮件寄出，”Skrede 说）。他们从每种真菌菌株中收获孢子，将它们单独在琼脂板上生长数周，以便分析它们的 DNA，并将它们与来自其他标本的生长孢子配对，看看它们是否会杂交。

先前的研究表明，这些蘑菇的性别受基因组的两个区域（称为 MATA 和 MATB）控制，并且每个区域都可能有许多不同的等位基因。为了使潜在的交配兼容，这两个区域必须与两个潜在的交配伴侣不同（For potential mates to be compatible, both regions must be different from their prospective partner’s）。   

这种多样性会阻碍测序工作。因为许多不同的等位基因使得引物设计几乎不可能，阻碍了使用更便宜的靶向测序方法。这一障碍意味着想要对这些真菌进行测序的研究人员需要依赖所谓的下一代 short-read genomic sequencing 测序技术-----考虑到确保测序准确性所需的个体数量和测序深度，short-read genomic sequencing 测序方法过于昂贵。 

不过，现在，下一代测序技术的低成本使得对如此多的个体进行测序成为可能。Skrede 和她的团队能够使用更新的 long-read sequencing 测序来生成高质量的基因组，而高质量的基因组作为准确地组装 short reads 的支架（long-read sequencing to generate high-quality genomes that acted as scaffolds for accurate assemblies of the short reads）。方法的结合使得研究人员可以精确地确定 MATA 和 MATB 遗传区域的哪些部分对性别决定很重要，并计算这两个区域中不同相关变异的数量。综上所述，该团队发现，在这些不起眼的 shelf fungi 真菌中，可能有惊人的17,550种不同的交配组合可供选择。  

如这张 Trichaptum abietinum 的显微图像所示，TRICHAPTUM  中的交配发生在两个正在生长的孢子的菌丝相遇的地方。在一些菌丝侧面看到的被称为 clamps（夹钳）小凸起，只有在成功交配后才会出现。DABAO SUN LU

为什么有机体需要如此多的性变异仍然是一个悬而未决的问题，但研究者和 Oslo 大学遗传学家 David Peris 怀疑这与蘑菇的固着生活方式（sessile lifestyle）有关：两个不同的基因区域必须不同，这使得从同一蘑菇释放的孢子不太可能成功结合，从而降低近亲繁殖的几率。 

此外，有这么多变异可供选择，使得任何给定的邻居更有可能在性方面兼容（sexually compatible）——高达98% 的机会，佩里斯说——这可以帮助该物种长期生存。“当条件发生变化时，真菌想产生这种遗传变异，” Peris 说，因为它可以作为适应的素材（fodder for adaptation）。    

荷兰 Wageningen 大学的进化生物学家 Duur Aanen 说，这项研究是平衡选择（balancing selection）的一个很好的例子-----稀有等位基因的进化偏好导致更高水平的杂合性的现象-----他正在考虑在他的群体遗传学课程中使用这个例子。

然而，没有参与这项研究的 Aanen 也指出，这项研究有一个大问题，没有任何一个研究过这个系统的科学家能够完全回答：虽然多样性可能有所帮助，但为什么要把它推到这么极端呢？“如果你有100 个等位基因，那么你已经有了相当多的兼容性，”Aanen 说。“数字100有什么好处？”

本文编译自：

James M. Gaines.  Apr 20, 2022,

This Fungus Has More Than 17,000 Sexes 

https://www./news-opinion/this-fungus-has-more-than-17-000-sexes-69930

 

原始研究论文发表在：

David Peris, Dabao Sun Lu, Vilde Bruhn Kinneberg, Ine-Susanne Methlie, Malin Stapnes Dahl, Timothy Y James, Håvard Kauserud, Inger Skrede.  Large-scale fungal strain sequencing unravels the molecular diversity in mating loci maintained by long-term balancing selection, PLoS Genet., 2022 Mar 31;18(3):e1010097. 

doi: 10.1371/journal.pgen.1010097. eCollection 2022 Mar.

Abstract   摘要

Balancing selection, an evolutionary force that retains genetic diversity, has been detected in multiple genes and organisms, such as the sexual mating loci in fungi. However, to quantify the strength of balancing selection and define the mating-related genes require a large number of strains. In tetrapolar basidiomycete fungi, sexual type is determined by two unlinked loci, MATA and MATB. Genes in both loci define mating type identity, control successful mating and completion of the life cycle. These loci are usually highly diverse. Previous studies have speculated, based on culture crosses, that species of the non-model genus Trichaptum (Hymenochaetales, Basidiomycota) possess a tetrapolar mating system, with multiple alleles. Here, we sequenced a hundred and eighty strains of three Trichaptum species. We characterized the chromosomal location of MATA and MATB, the molecular structure of MAT regions and their allelic richness. The sequencing effort was sufficient to molecularly characterize multiple MAT alleles segregating before the speciation event of Trichaptum species. Analyses suggested that long-term balancing selection has generated trans-species polymorphisms. Mating sequences were classified in different allelic classes based on an amino acid identity (AAI) threshold supported by phylogenetics. 17,550 mating types were predicted based on the allelic classes. In vitro crosses allowed us to support the degree of allelic divergence needed for successful mating. Even with the high amount of divergence, key amino acids in functional domains are conserved. We conclude that the genetic diversity of mating loci in Trichaptum is due to long-term balancing selection, with limited recombination and duplication activity. The large number of sequenced strains highlighted the importance of sequencing multiple individuals from different species to detect the mating-related genes, the mechanisms generating diversity and the evolutionary forces maintaining them.  

平衡选择（balancing selection）是一种保留遗传多样性的进化力量，已经在多种基因和生物体中检测到，例如真菌中的有性交配位点。然而，要量化平衡选择的强度并定义交配相关基因需要大量的菌株（strains）。在 tetrapolar basidiomycete 菌真菌中，有性类型由两个不连锁的基因座 MATA 和 MATB 决定。两个基因座中的基因定义了交配类型身份，控制成功交配和生命周期的完成。这些基因座通常是高度多样化的。基于真菌培养物的杂交，先前的研究推测，non-model 属 Trichaptum（Hymenochaetales，Basidiomycota）的物种具有多个等位基因的 tetrapolar 交配系统。在这里，我们对3个 Trichaptum 物种的180株进行了测序。我们确定了 MATA 和 MATB 的染色体位置、MAT 区域的分子结构及其等位基因的丰富度。测序工作足以在分子上确定在 Trichaptum 物种形成之前分离的多个 MAT 等位基因。分析表明，长期平衡选择（long-term  balancing selection）产生了跨物种多态性。根据系统发育学支持的氨基酸同一性 (AAI， amino acid identity) 阈值，可以将交配序列分为不同的等位基因类别（allelic classes）。根据等位基因类别预测了17,550种交配类型。体外杂交使我们能够支持成功交配所需的等位基因分歧程度(degree of allelic divergence)。即使存在大量分歧，功能域中的关键氨基酸也是保守的。我们得出的结论是， Trichaptum 中交配位点的遗传多样性是由于带有有限的重组和复制活动的长期平衡选择的结果。大量测序的菌株凸显了对来自不同物种的多个个体进行测序以检测交配相关的基因、产生多样性的机制和维持它们的进化力量的重要性。