科学家将土壤 RNA 映射到真菌基因组以了解森林生态系统
如果森林里有一棵树倒下——无论是否有人注意到声音——有一点是肯定的：周围有很多真菌。在森林的土壤中，数百种物种分解残骸，从腐烂中吸收养分，并将这些养分输送到树根和土壤。这些真菌有助于塑造森林的生态。它们储存碳并循环氮和磷等关键营养物质。
这样，森林土壤的真菌就掌握了树木健康和碳储存的关键——随着气候变暖，这些技能变得越来越重要。然而，这些都是复杂的相互作用，需要理清。真菌通过合作来支持森林，而地球生态系统中的物种也各不相同。
最近，在《新植物学家》上发表的研究中，研究人员开创了对哪些真菌在森林地面发挥某些功能的新认识。他们第一次比较了一系列不同地点的三个不同的真菌行会。他们对四个森林生态系统的土壤进行了采样，提取了 RNA 以了解基因表达，并开发了新工具将土壤 RNA 映射到真菌基因组。
美国能源部 (DOE) 联合基因组研究所 (JGI) 是能源部科学用户设施办公室，位于劳伦斯伯克利国家实验室 (伯克利实验室)，为本项目对土壤 RNA 的 1 万亿个碱基(1 兆碱基)进行了测序，并产生了允许绘制这些 RNA 读数的参考基因组。 “目前，这是迄今为止最大的 JGI 测序真菌宏转录组，”JGI 真菌基因组学项目负责人 Igor Grigoriev 说。
随着对多种森林系统的进一步了解，这项工作建立了可供世界各地其他团队使用的协议和管道。
这些工具为研究人员提供了一种获取有关这些环境中真菌的更多信息的方法。 “现在有了这些新工具——元转录组学、土壤 RNA 测序——我们可以访问——”他们在做什么?它们如何相互作用?’”国家农业、食品和环境研究所 (INRAE) 名誉研究主任、资深作者弗朗西斯·马丁 (Francis Martin) 说道。
尽管存在巨大差异，但仍具有显着的相似性
在这项研究中，研究人员从四个地点收集了土壤样本：西班牙阿斯普尔兹;法国尚普诺;瑞典兰伯恩;加拿大蒙莫朗西。这些地点分别代表地中海、温带和北方森林。
这些不同生物群落的土壤样本中出现了许多不同的真菌;森林中只有大约 20% 的真菌物种是相同的。为了进行有用的比较，研究人员必须在分类学之外进行工作。 “我们发现的方法是重点比较真菌营养行会之间的表达水平，”INRAE 的研究工程师、这项工作的第一作者之一 Lucas Auer 说。
为了比较这些营养类群，该团队重点关注了他们采样的所有森林中出现的三个主要真菌类群。这些行会在世界各地的森林以及草地和牧场中都很常见：腐生菌分解碎片和死亡的生物体以释放其营养;菌根共生体将水和养分输送到树木;植物病原体寄生在活植物上并以它们为食。
在各种森林类型中，马丁和他的团队梳理了土壤样本，以了解这三种真菌使用哪些基因来生长和代谢养分。他们对土壤样本中发现的所有 RNA 进行了测序，并将这些 RNA 转录本组装成元转录组。
总体而言，他们发现，尽管物种多样性巨大，但每个行会在不同的森林中执行着非常相似的职能。对于每个腐生菌、菌根共生体和病原体来说，初级代谢、细胞活动和真菌发育看起来都非常相似，无论样本是否来自瑞典或魁北克的松树或橡树下的土壤。
从生态角度来看，马丁认为这种冗余是保护性的，有点像投资组合的多元化。如果野火或干旱等压力威胁到某些真菌物种，其他真菌将填补所需的功能。
这项工作还显示了不同真菌协会的功能之间的新重叠。腐生菌和菌根共生体历来被划分为不同的生态位——分别是回收者和转运者。然而，马丁的团队发现，两个行会都表达相似的降解真菌细胞壁的基因，即所谓的真菌坏死物，这表明这些行会共同承担回收真菌死亡物质的责任。
铺平道路的参考基因组
该项目源于马丁于 2012 年提交的社区科学计划提案。当时，该领域已经调查了许多不同的土壤群落的分类多样性。这些研究可以查明种群数量，但很少提及哪些物种在做什么。
为了了解真菌群落如何分担任务，Martin 和他的团队选择分析 RNA，以了解真菌基因表达。他们需要现有的真菌基因组来将基因表达映射到功能和真菌物种。 Martin 表示，最初，以这种方式绘制 RNA 序列具有挑战性。 “十二年前，当我们对土壤中的第一个测序 RNA 进行定位时，只有 10% 的 RNA 定位到 JGI 的真菌基因组，”Martin 说。
一项名为 1000 个真菌基因组项目的努力改变了这一点。这是与 JGI 合作的一个多年项目，旨在对真菌生命树中的 1,000 个参考基因组进行测序。马丁是项目负责人之一。他说，从大约 200 个真菌基因组开始，在短短几年内，1000 个真菌基因组项目与其他 CSP 项目一起，已经对 2000 多个真菌基因组进行了测序。
JGI 与数十家合作伙伴合作对这些基因组进行了测序、组装和注释。 “这是一项巨大的社区努力，超过 100 名研究人员提名了物种进行测序，然后将 DNA 和 RNA 样本发送给 JGI，”Grigoriev 说。所有这些基因组都可以在 MycoCosm 上获得。
如果说最初将真菌 RNA 映射到序列的任务是一条崎岖、蜿蜒的道路，那么新的基因组涌入则为同样的路线开辟了一条高速公路。马丁说：“由于大量的新基因组，数据质量得到了提高，这真是令人惊讶。”
1000 个真菌基因组项目正在进行中，以便开展更多此类研究。马丁说，随着其他研究人员分析来自南美、中国、欧洲和美国各地土壤群落的 RNA，更多的基因组将转化为更多的理解。
“在接下来的几年里，我认为我们将拥有一种真菌多样性的全球地图，但我们仍然缺少功能，”马丁说。 “因此，得益于我们与 JGI 共同开发的程序，我们拥有了真正获取有关从极地到热带地区的真菌群落功能的信息的工具。”