食药用菌的基因组学研究进展

摘    要：以食药用菌为研究对象，概述了食药用菌的基因组测序现状及基于基因组测序的基因挖掘和改造等方面的应用。据NCBI数据，担子菌基因组测序数据有980条记录；子囊菌基因组测序数据有3850条记录，目前有130余种食药用菌已经完成基因组测序工作。比较基因组学在灵芝、香菇、樟芝等部分真菌中的应用，为研究该物种的遗传多样性、进化和次生代谢物的生物合成奠定了基础。CRISPR/Cas9基因编辑技术可以快速高效地实现食药用菌基因的精准编辑，包括基因敲除、点突变和基因插入等操作。基因组学的研究将有助于改善食药用菌的品质、提高其营养价值，甚至开发新品种，并促进食药用菌产业的可持续发展。

关键词：食药用菌；核基因组；线粒体基因组；基因挖掘；CRISPR/Cas9

中图分类号：S646 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2024）09-001-08

Advances in genomics of edible and medicinal fungi

WANG Fengli1， HAN Chuang1，2， JIAO Lihe1， YUE Xin1， GUO Yan1， DAI Xiaodong1

（1. Institute of Microbiology， Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin 150010， Heilongjiang， China; 2. College of Plant Protection， Northeast Agricultural University/Key Laboratory of Agricultural Microbiology of Heilongjiang Province， Harbin 150030， Heilongjiang， China）

Abstract： Here we present a comprehensive overview of the current status of genome sequencing in edible and medicinal fungi， as well as the application of gene mining and modification based on this technology. As of March 2024， NCBI reports a total of 980 basidiomycete genome sequencing records and 3850 ascomycete genome sequencing records. Additionally， numerous studies have successfully completed genome sequencing for over 130 species of edible and medicinal fungi. Comparative genomics has been applied to investigate genetic diversity， evolution， and secondary metabolite biosynthesis in specific fungi such as Ganoderma lucidum， Lentinus edodes， and Antrodia camphorata. Furthermore， CRISPR/Cas9 gene editing technology enables precise manipulation of genes in edible fungi through knockout， insertion， or point mutation operations. These advancements hold great potential for enhancing the quality and nutritional value of edible fungi while facilitating the development of new varieties to promote sustainable growth in the industry.

Key words： Edible and medicinal fungi; Nuclear genome; Mitochondrial genome; Gene mining; CRISPR/Cas9

收稿日期：2024-05-27；修回日期：2024-06-25

基金项目：黑龙江省省属科研院所科研业务费项目（CZKYF2022SW01）

作者简介：王凤利，女，在读硕士研究生，研究方向为食用菌种质资源评价。E-mail：wang7877153@163.com

通信作者：戴肖东，男，研究员，研究方向为食用菌种质资源评价。E-mail：heiweihlj@126.com

食药用菌是具有较高营养价值和药用价值的大型肉质或胶质子实体的高等真菌[1]。对我国食药用菌的认识、开发和利用可以追溯到仰韶文化时期[2]，据报道，目前我国的食药用菌种类有近千种，然而被广泛认识和食用的仅有200余种[3]。自1996年首个真核生物－酿酒酵母基因组测序以来[4]，随着测序方法的革新与测序成本的下降，真菌基因组学领域的研究取得了长足的发展。与其他真核物种相比，真菌的基因组结构比较简单，在序列注释、基因改造方面都更为方便。当前，对真菌全基因组的研究已由单一物种的全基因组发展到基于群体基因组的多个基因序列，并将两者进行整合研究，有望揭示基因水平转移、正选择、基因扩张和基因收缩等生物学问题。以真菌基因组的研究与发展作为良好的基础应用于相应物种的转录组、蛋白质组、代谢组及功能基因组研究，促进了真菌生物学乃至整个生物学的研究与发展[4]。近年来，我国食药用真菌的分子生物学研究蓬勃发展，从理论到实际的应用，如在食用菌遗传改良[5]、基因组注释[6]、木质素和纤维素合成酶基因[7]、抗病机制[8]、胁迫[9]等相关研究中都取得了前所未有的突破性成果。

1 食药用菌的基因组测序现状

基因组（genome）是指该生物体内的DNA中全部遗传物质的总和[10]，一般包括核基因组、线粒体基因组、叶绿体基因组，在食药用菌中只包含核基因组及线粒体基因组。据统计，食药用菌的全基因组测序约有130种[4]，对于一些常见食药用菌，如香菇（Lentinula edodes）、灵芝（Ganoderma lucidum）、蛹虫草（Cordyceps militaris）、茯苓（Poria cocos）、黑木耳（Auricularia heimuer）等物种已完成多次基因组测序，其中部分测序水平已经到了染色体水平，对更好地了解食药用菌基因组有重要意义。这些基因组信息的获得使深入的功能分析和系统的比较基因组学研究得以开展，为深入了解其生命规律和调控提供了坚实的理论基础。

1.1 食药用菌核基因组测序

截止2024年3月，据NCBI数据，担子菌基因组测序数据有980条记录；子囊菌基因组测序数据有3850条记录，有研究表明，目前有130余种食药用菌已经完成基因组测序[4]，例如裂褶菌（Schizophyllum commune）、香菇、冬虫夏草（Ophiocordyceps sinensis）、灵芝、茯苓、草菇（Volvariella volvacea）、黑木耳、蛹虫草、双孢蘑菇（Agaricus bisporus）、金针菇（Flammulina filiformis）、樟芝（Taiwanofungus camphoratus ）、干巴菌（Thelephora ganbajun Zang）等，表1为5种常见食药用菌基因组测序情况。裂褶菌是研究大型真菌遗传发育的模式生物，Ohm等[11]对裂褶菌的基因组（38.5 Mb）进行分析，揭示了其独特的木质素降解机制。裂褶菌是首个完成基因组测序的大型真菌，目前NCBI已有35条裂褶菌基因组数据记录。香菇是世界上第二大菇，该物种的基因组已被多次报道，但Yu等[12]首次结合高通量染色质构象捕获（Hi-C）技术，构建了香菇高质量的染色体水平基因组，大小为45.87 Mb，99%的序列被锚定在10条染色体上，且通过对不同地区野生菌株和商业品种进行群体基因组重测序，在分子水平上确定了香菇的育种历史。冬虫夏草作为传统药物或者保健食品在中国已经有几千年的历史，中国被毛孢（Hirsutella sinensis）是冬虫夏草唯一的正确变形体。为了更深入地了解其生理和药理机制，Jin等[13]对中国被毛孢的基因组进行了测序，首次获得覆盖率>99%的中国被毛孢的基因组（102.72 Mb）。灵芝是一种食药兼用菌，可产生多种生物活性化合物，其药用价值在中国已有2000多年的历史。Wu等[14]首次对灵芝基因组（49.15 Mb）进行了报道，预测编码了13 125个基因。茯苓是中国最重要的传统中药之一，在中国、日本、韩国和其他亚洲国家普遍使用。Li等[15]组装了茯苓第一个高质量的核基因组，包含14条染色体，基因组全长64.44 Mb，Contig N50长度为3.76 Mb，并对菌核的基因组结构、转座子和甲基化、高温适应性和基因家族扩展进行了分析。

1.2 食药用菌线粒体基因组测序

线粒体（mitochondrion，mt）作为食药用菌的第二大基因组[16]，其基因组信息主要用于系统发育、分类鉴定、比较基因组学以及线粒体相关疾病的研究。随着科学技术的发展、测序手段逐渐成熟，近年来在真菌线粒体方面的研究成果逐年增多，但是就目前报道情况来看，已完成线粒体基因组测序的真菌与其丰富的物种多样性相对而言，远远不够，且不同真菌线粒体基因组存在较大的差异。

梯棱羊肚菌（Morchella importuna）的线粒体基因组（272.2 kb）是已报道的大型真菌中最大的，包含大量内含子、线粒体非保守开放阅读框和重复序列等[17]。烟色珊瑚菌（Clavaria fumosa）线粒体基因组是目前所报告的担子菌最大的线粒体基因组，Wang等[18]对烟色珊瑚菌的完整线粒体基因组首次进行了测序、组装和比较，长度为256 807 bp。樟芝是中国台湾特有的一种珍贵的药用真菌。Wang等[19]首次对樟芝的线粒体基因组进行了组装，大小为114 922 bp。冬虫夏草菌株1229的完整线粒体基因组被组装为一个157 510 bp的单圆形dsDNA，鉴定出的保守基因包括大和小rRNA亚基、27个tRNA以及15个蛋白编码基因，推测可能是编码RTs和HEs的内含子ncORFs导致了冬虫夏草线粒体基因组的扩增[20]。线粒体基因组的测序在干巴菌、黑木耳、茯苓、草菇、香菇等真菌中也已有报道，多种食药用菌的线粒体基因组均存在大量的基因组扩增、丢失、重排现象，可能是存在大量内含子以及内含子的特殊性导致的，但目前还没有定论。

2 食药用菌的比较基因组学研究

比较基因组学是在基因组测序的基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机制和物种进化[21]。在食药用菌中，比较基因组学一般应用于物种进化、种属间的亲缘关系研究等方面，像灵芝、香菇、樟芝等部分真菌通过对同种或同菌株的不同单核菌株进行测序，通过比较分析，研究该物种的遗传多样性，为了解其生物学、进化和次生代谢物的生物合成奠定了基础。

2.1 比较基因组学在食药用菌核基因组研究中的应用

为了解香菇两个单倍体核基因组结构及其在子实体发育和生长中的相互作用，Gao等[22]利用Illumina、HiFi和Hi-C技术从香菇中分离并组装了SP3和SP30两个单倍体基因组，总长度分别为50.93 Mb和49.80 Mb，虽然这两个基因组都被组装成10条染色体，但SP3和SP30这两个单核体在染色体结构和基因含量方面存在显著差异；经比较基因组分析，菌株尾部基因在这两个基因组中所占比例约为30%。此外，这两个基因组富集了不同的基因和基因家族，包括参与碳水化合物代谢、次级代谢和剪接体形成的基因。其中，SP30菌株的淀粉代谢基因和蔗糖代谢基因显著富集，且SP30菌株在PDA培养基上的生长速度快于SP3菌株。相反，SP3菌株重排基因丰富，可产生风味物质5′-核苷酸。比较基因组分析表明，两个单倍体核可能来自不同的遗传祖先，其中约30%的基因组是独特的或非合性的。在主要交配型位点之外的位置发现了不完整的交配型基因，这表明香菇交配系统可能继续进化。Chen等[23]从两个樟芝双核菌——HC1（橘红色）和SN1（乳白色）中分离出4个单核菌株，对这4个单核体的高质量染色体水平的基因组序列进行了测序、注释和比较分析，为了解该真菌的生物学、进化和次生代谢物的生物合成奠定了基础，证明了樟芝具有四极交配系统，HC1和SN1代表了两个表现出核型变异的物种内分离物。与几种食用菌模式生物相比，樟芝在基因家族和个体基因数量上发生了明显收缩，尤其是在植物、真菌和细菌细胞壁降解酶方面，很好地解释了樟芝在自然情况下罕见以及人工培养困难、耗时，且易受真菌和细菌感染的原因，为深入研究樟芝的遗传操作、子实体改良以及在天然药物生产中的合成生物学应用奠定了基础。