它們可以在森林地面，沼澤地和房屋中找到，大小從智能手機(jī)鍵盤(pán)上的小到大小的幾個(gè)街區(qū)。估計(jì)有超過(guò)一百萬(wàn)種真菌存在于這個(gè)星球上，但大多數(shù)這種多樣性仍然未知，因?yàn)檎婢呀?jīng)避免了檢測(cè)并且沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行培養(yǎng)。

由美國(guó)能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)了一條管道，用于從單個(gè)細(xì)胞生成基因組。未開(kāi)墾的真菌。該方法在幾種未培養(yǎng)的真菌物種上進(jìn)行了測(cè)試，這些真菌物種代表早期發(fā)散真菌，這是真菌譜系中最早的進(jìn)化分支，提供了重要和有價(jià)值的基因產(chǎn)物庫(kù)。

“大多數(shù)系統(tǒng)發(fā)育多樣性代表早期發(fā)散的真菌，”密歇根大學(xué)的JGI合作者和研究共同資深作者蒂姆詹姆斯說(shuō)。“我們從環(huán)境DNA調(diào)查中了解到它們?cè)谠S多棲息地都很常見(jiàn)，但它們可能是微觀的，所以你真的需要尋找它們。我們不知道它們是什么樣的，我們知道我們不能培養(yǎng)它們，因?yàn)槟銈兯囵B(yǎng)的東西并不代表你們?cè)诃h(huán)境DNA中看到的東西。我們希望能夠查看給定的樣本并確定細(xì)胞的樣子，但我們也想查看有機(jī)體的基因組并推斷出它們的樣子。這就是單細(xì)胞基因組學(xué)的用武之地。“

一種探索未知多樣性的技術(shù)

通過(guò)JGI的1000個(gè)真菌基因組等項(xiàng)目，研究人員旨在通過(guò)各種譜系的代表性基因組序列擴(kuò)展已知的真菌多樣性部分。即使有這樣的努力，大多數(shù)可用的基因組僅屬于兩個(gè)主要譜系，子囊菌綱和擔(dān)子菌綱?？拷婢畼?shù)基地的早期分歧譜系幾乎沒(méi)有代表性的基因組。

“從概念上講，這是一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，”JGI數(shù)據(jù)科學(xué)家和第一作者Steven Ahrendt說(shuō)道，他作為一名博士后研究員開(kāi)始從事這個(gè)項(xiàng)目。“這與JGI采用的微生物暗物質(zhì)方法類(lèi)似 - 該物種在那里，但它們不會(huì)出現(xiàn)在基于板的培養(yǎng)中。”

單細(xì)胞基因組學(xué)方法應(yīng)用于八種真菌，其中七種屬于早期分化譜系Cryptomycota，Chytridiomycota和Zoopagomycota。此外，七種真菌中的六種是真菌寄生蟲(chóng)，或攻擊其他真菌的真菌。因此，他們需要能夠感染宿主而不會(huì)傷害自己。這些物種與它們的宿主共培養(yǎng)生長(zhǎng)，然后分離寄生蟲(chóng)的孢子用于取樣。“這種寄生生活方式可能是導(dǎo)致這些物種無(wú)法培養(yǎng)的原因，”Ahrendt指出。

觀察六種寄生蟲(chóng)的基因組，研究小組發(fā)現(xiàn)，涉及硫胺素，尿素和硫酸鹽等途徑的必需代謝基因缺失，這可能使其難以培養(yǎng)。詹姆斯指出，研究中使用的真菌是從廣泛的寄生蟲(chóng)策略中選出的，代表了大量的進(jìn)化時(shí)間，這使得該團(tuán)隊(duì)難以識(shí)別可以揭示寄生生活方式的新基因組。他補(bǔ)充說(shuō)，這項(xiàng)研究真正突出的是，單細(xì)胞方法對(duì)于他所謂的“真菌暗物質(zhì)”是可行的。真菌單細(xì)胞產(chǎn)生了從基因組的6%到88%，但結(jié)合單細(xì)胞產(chǎn)生基因組共同組裝從73%完成到99%完成。

詹姆斯說(shuō)，大約有2000種早期發(fā)散真菌的種類(lèi)，以及約120,000種子囊菌和擔(dān)子菌的物種。“我們已經(jīng)描述了5%的真菌多樣性，我們正處于一個(gè)我們可以開(kāi)始嘗試這種多樣性缺失的時(shí)代。”

單細(xì)胞基因組學(xué)方法將應(yīng)用于JGI社區(qū)科學(xué)計(jì)劃提案，詹姆斯領(lǐng)導(dǎo)該計(jì)劃涉及來(lái)自水生環(huán)境的50種未知的早期發(fā)散真菌。“我真正希望看到的是人們采用這種方法并調(diào)整管道以適應(yīng)不同的生物群體，”他說(shuō)。“這個(gè)試點(diǎn)剛開(kāi)始通過(guò)觀察單細(xì)胞水生生物進(jìn)行探索，但我們?cè)谕寥?，植物等中都有生物?rdquo;

“這項(xiàng)工作是一項(xiàng)原理驗(yàn)證，即單細(xì)胞基因組學(xué)方法可以重建近乎完整的真菌基因組，并提供對(duì)來(lái)自環(huán)境樣本的各種不可培養(yǎng)物種的系統(tǒng)發(fā)育位置和代謝能力的見(jiàn)解，”JGI真菌計(jì)劃負(fù)責(zé)人同意資深作家Igor Grigoriev。“本研究中的幾個(gè)基因組代表了真菌門(mén)的第一個(gè)參考文獻(xiàn)，其中主要包含未培養(yǎng)或未培養(yǎng)的物種。擁有基因組序列和廣泛多樣的未培養(yǎng)真菌物種的代謝重建使我們能夠更好地了解真菌進(jìn)化并擴(kuò)展DOE科學(xué)和應(yīng)用的基因，酶和途徑目錄。“

本文中提到的物種的基因組可以在JGI的真菌門(mén)戶(hù)網(wǎng)站，MycoCosm以及GenBank中獲得。

來(lái)自以下機(jī)構(gòu)的研究人員也參與了這項(xiàng)工作：加州大學(xué)伯克利分校; 渥太華醫(yī)院研究所(加拿大); 艾克斯 - 馬賽大學(xué)(法國(guó)); 法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)研究所(法國(guó)); 阿卜杜勒阿齊茲國(guó)王大學(xué)(沙特阿拉伯)和佛羅里達(dá)大學(xué)。