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測序技術的進步最終使真菌研究人員能夠把注意力全部集中于 shelf fungi 真菌令人難以置信的交配系統背后的遺傳多樣性。 生長在松樹原木上的 Trichaptum abietinum。DABAO SUN LU 研究人員2022年3月31日在 PLOS Genetics 上報告說，一些常見的蘑菇可能有超過 17,000 種性別。這項工作可以幫助我們更好地了解有性生殖的進化，并展示了日益強大的基因組測序的力量。 雖然科學家們長期以來一直懷疑某些真菌種類有數千甚至數萬種生物學性別，但這項新研究采用了尖端的遺傳工具來確認 Trichaptum 蘑菇中性別的極端多樣性。 “DNA測序的進步速度令人難以置信，” 美國杜克大學遺傳學家和傳染病專家 Joseph Heitman 說，Heitman 沒有參與這項研究，但之前曾研究過真菌交配策略。他說， “即使在五年前，這種研究的成本和時間也會令人望而卻步。” 在培養皿上交配的兩種兼容的 Trichaptum fuscoviolaceum 真菌菌株 VILDE BRUHN KINNEBERG Trichaptum 是一組木質的板狀蘑菇（shelf fungi 真菌），通常生長在北半球較冷地區的樹木和倒下的原木上。“我認為它們很漂亮，但不是很艷麗，”奧斯陸大學的真菌生物學家、該論文的合著者 Inger Skrede 說。當然，選擇真菌并不是因為它們的外表。這個國際合作研究小組決定檢查該屬的物種，因為它們之前已經被科學家研究過，并且很容易在實驗室中生長。 研究人員總共從三種 Trichaptum 屬蘑菇中獲得了180 個標本；有些是他們自己收集的，有些則是從世界各地的同事那里寄給他們的（“你可以用普通郵件寄出，”Skrede 說）。他們從每種真菌菌株中收獲孢子，將它們單獨在瓊脂板上生長數周，以便分析它們的 DNA，并將它們與來自其他標本的生長孢子配對，看看它們是否會雜交。 先前的研究表明，這些蘑菇的性別受基因組的兩個區域（稱為 MATA 和 MATB）控制，并且每個區域都可能有許多不同的等位基因。為了使潛在的交配兼容，這兩個區域必須與兩個潛在的交配伴侶不同（For potential mates to be compatible, both regions must be different from their prospective partner’s）。 這種多樣性會阻礙測序工作。因為許多不同的等位基因使得引物設計幾乎不可能，阻礙了使用更便宜的靶向測序方法。這一障礙意味著想要對這些真菌進行測序的研究人員需要依賴所謂的下一代 short-read genomic sequencing 測序技術-----考慮到確保測序準確性所需的個體數量和測序深度，short-read genomic sequencing 測序方法過于昂貴。 不過，現在，下一代測序技術的低成本使得對如此多的個體進行測序成為可能。Skrede 和她的團隊能夠使用更新的 long-read sequencing 測序來生成高質量的基因組，而高質量的基因組作為準確地組裝 short reads 的支架（long-read sequencing to generate high-quality genomes that acted as scaffolds for accurate assemblies of the short reads）。方法的結合使得研究人員可以精確地確定 MATA 和 MATB 遺傳區域的哪些部分對性別決定很重要，并計算這兩個區域中不同相關變異的數量。綜上所述，該團隊發現，在這些不起眼的 shelf fungi 真菌中，可能有驚人的17,550種不同的交配組合可供選擇。 如這張 Trichaptum abietinum 的顯微圖像所示，TRICHAPTUM 中的交配發生在兩個正在生長的孢子的菌絲相遇的地方。在一些菌絲側面看到的被稱為 clamps（夾鉗）小凸起，只有在成功交配后才會出現。DABAO SUN LU 為什么有機體需要如此多的性變異仍然是一個懸而未決的問題，但研究者和 Oslo 大學遺傳學家 David Peris 懷疑這與蘑菇的固著生活方式（sessile lifestyle）有關：兩個不同的基因區域必須不同，這使得從同一蘑菇釋放的孢子不太可能成功結合，從而降低近親繁殖的幾率。 此外，有這么多變異可供選擇，使得任何給定的鄰居更有可能在性方面兼容（sexually compatible）——高達98% 的機會，佩里斯說——這可以幫助該物種長期生存。“當條件發生變化時，真菌想產生這種遺傳變異，” Peris 說，因為它可以作為適應的素材（fodder for adaptation）。 荷蘭 Wageningen 大學的進化生物學家 Duur Aanen 說，這項研究是平衡選擇（balancing selection）的一個很好的例子-----稀有等位基因的進化偏好導致更高水平的雜合性的現象-----他正在考慮在他的群體遺傳學課程中使用這個例子。 然而，沒有參與這項研究的 Aanen 也指出，這項研究有一個大問題，沒有任何一個研究過這個系統的科學家能夠完全回答：雖然多樣性可能有所幫助，但為什么要把它推到這么極端呢？“如果你有100 個等位基因，那么你已經有了相當多的兼容性，”Aanen 說。“數字100有什么好處？” 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-69930David Peris, Dabao Sun Lu, Vilde Bruhn Kinneberg, Ine-Susanne Methlie, Malin Stapnes Dahl, Timothy Y James, H?vard 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. 平衡選擇（balancing selection）是一種保留遺傳多樣性的進化力量，已經在多種基因和生物體中檢測到，例如真菌中的有性交配位點。然而，要量化平衡選擇的強度并定義交配相關基因需要大量的菌株（strains）。在 tetrapolar basidiomycete 菌真菌中，有性類型由兩個不連鎖的基因座 MATA 和 MATB 決定。兩個基因座中的基因定義了交配類型身份，控制成功交配和生命周期的完成。這些基因座通常是高度多樣化的。基于真菌培養物的雜交，先前的研究推測，non-model 屬 Trichaptum（Hymenochaetales，Basidiomycota）的物種具有多個等位基因的 tetrapolar 交配系統。在這里，我們對3個 Trichaptum 物種的180株進行了測序。我們確定了 MATA 和 MATB 的染色體位置、MAT 區域的分子結構及其等位基因的豐富度。測序工作足以在分子上確定在 Trichaptum 物種形成之前分離的多個 MAT 等位基因。分析表明，長期平衡選擇（long-term balancing selection）產生了跨物種多態性。根據系統發育學支持的氨基酸同一性 (AAI， amino acid identity) 閾值，可以將交配序列分為不同的等位基因類別（allelic classes）。根據等位基因類別預測了17,550種交配類型。體外雜交使我們能夠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，功能域中的關鍵氨基酸也是保守的。我們得出的結論是， Trichaptum 中交配位點的遺傳多樣性是由于帶有有限的重組和復制活動的長期平衡選擇的結果。大量測序的菌株凸顯了對來自不同物種的多個個體進行測序以檢測交配相關的基因、產生多樣性的機制和維持它們的進化力量的重要性。
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