真菌生命树的系统发生和系统基因组学.docx

真菌生命树的系统发生和系统基因组学近二三十年来，分子系统发生学从最初的建立到不断发展，已成为真菌的比较生物学的 重要研究手段曾经仅局限于分类学的系统树如今已广泛地应用到真菌生物学中并为了解主 要生命形式的进化、描述复杂的生物群落以及实验生物学的预测提供了广泛的进化进化理论 基础在基因组领域这一趋势愈发显著，系统发生学和基因组学逐渐结合到一起并孕育出了 一门崭新的学科一系统基因组学虽然这是一门年轻的学科，但它已经应用到通过进化关系 来预测同源性和不规则基因，以及基于基因组范围的对离散同源序列数据基因组的最大量一 至少是大量一的采样对比分析下面，让我们来了解一些目前这一领域的相关进展：(i)基 于多基因系统发育的真菌系统发生学目前的地位；(ii)目前在分类真菌界里的进化关系中的 进化假说；(iii)通过基因组采样来推断进化关系的应用真菌分子系统学作为真菌分子系统发育的第一个领域，rRNA在鉴定推断这一界的系统发生关系时发挥 了极其重要的关系rRNA以各种形态广泛分布在自然界中，含有核苷酸保守区域，并以此 为基础促进了宇宙原初物种的进化既而，rRNA核苷酸数据的收集和排序也因此变得浅显 易懂并使真菌分子系统发生的研究从上世纪90年代开始呈指数级增长。

虽然这些分析仅是 基于少量的数据，但是针对真菌和类真菌的系统发生的研究已取得了大量的里程碑式的发 现这些发现包括异鞭毛水霉菌和黏液菌的胞外替换，动物界和真菌界间的封闭进化关系识 别，壶菌，结合菌，担子菌，子囊菌的单元菌物鉴定，子囊菌和担子菌的单源支持及他们间 的姊妹组关系尽管取得了这些进展，由于rRNA数据仅限于与之相关的功能，要不断地了解真菌世界的 进化过程还需要掌握更多相似不同源基因，特别是蛋白质编码的基因由于在真菌系统中最 大的两个RNA聚合酶(RPB1 RPB2)和翻译延伸因子TEF广泛地得到应用，PCR技术和 测序引物也随之得到极大发展这些基因提供了对rRNA系统发育的测评支持，并提供了更 多形态学和生物学上的稳定性测试，他们还提供了起始多基因系统发生产生的未加工数据， 致使真菌系统发生从基因树形式过渡到物种树为使多基因系统发生得到进一步发展，真菌系统协会创办了 Research Coordination Network Deep Hypha.该协会的主要宗旨在于加快收集真菌系统生命树的多基因序列数据采集这也 是AFTOL工程的贡献之一该工程推动了以下六方面的核苷酸序列采集：细胞核小亚基 rRNA，细胞核大亚基rRNA，线粒体小亚基rRNA，RPB1，RPB2和TEF---真菌中目和科的 分类单元目标集(Lutzoni et al., 2004)。

AFTOL筹集了 2000多个分类单元的5000多条公开 可用序列并发展了真菌中额外引物的数据采集(更多完整序列及引物请登录WASABI研办 的网站：www.aftol.org Kauffet al.,2007])在多基因数据集的采集日趋完善的同时，基于模 型的复杂核苷酸序列数据集系统发生分析算法也在不断发展由于电脑处理器愈发强大以及 相关计算分析软件的支撑(如 :RAxML [Stamatakis,2006] GARLI [Zwickl,2008] MRBAYES[Ronquist and Huelsenbeck, 2003] and PhyloBayes [Lartillot and Philippe,2004])对 大型多基因数据集的最大似然估计和贝叶斯计算如今也得到广泛应用今年来对多基因编码 数据的强化分析也提高了系统发生的分辨率测算(Matheny et.al.,2007; Hofstetter et.al.,2007)， 并且证明了蛋白质编码的基因RPB1，RPB2和TEF比rRNA基因拥有更高层次的系统发生 信息量(Townsend,2007; schoch et.al.,2009)。

当我们把筹集相对大的多基因序列以及分析他 们的能力有机地结合在一起时，我们就获得了目前对于真菌进化的最精确的了解真菌生命树这里提到的真菌生命树，我们是指单源种的真菌界以及其下的各个亚门中所包含的简 明起见，这里不再讨论真菌以外的其它门类(例如：卵菌门)，尽管他们很重要并且很多学 者也在研究我们的讨论将集中在更高级的分类学中，侧重于真菌进化中主要的真菌进化枝 目前真菌包含1个亚界，6个类群，10个亚门，35个纲，12个亚纲以及129个目(Hibbett Et.al.,2007)这些分类群主要是以系统发生学的分析为基础区分，并能支持对单源群种的 研究因此，一些传统意义上的分类并未被编入此分类办法中，其他门类的真菌(如，壶菌) 对此有更为精细的用途毋庸赘言，随着近年来更细致地研究，这个分类办法也随之得到完 善，基于这一标准的多基因分类系统发生学分析也应提供更为可信的准则Hibbett提出的 命名法是基于在2007年最初被Eriksson和Wynka应用到子囊菌门中的相关命名细则， 这就是说，针对更高级的分类命名必须具有详尽的描述以及归入合理的种类，唯有如此方能 消除之前的命名中存在的混淆和不确定性。

真菌生命树的早期家系分枝对于真菌生命树的早期家系分类包含早期被分类在壶菌门中的游动抱子类(James et. Al.,2006)，结核菌门中的无鞭毛丝状真菌(White et. al.,2006)和小抱子目(Keeling and Fast 2002)(见图1)小抱子目主要是一类单细胞的动物细胞内寄生虫(Gill and Fast 2006;Liu et.al.,2006)，他们的系统发生学替换一直存在争议他们拥有高度退化的基因组及相对高的 核苷酸替换率(Keeling and Slamovits,2004)继而，相比起其它分类来说，他们拥有更少的 轮廓鲜明的共同直系同源基因的由于这些基因明显属于直系同源，核苷酸位置上的同源性 往往很难获得，这还体现在显著的核苷酸替换率以及DNA分子复杂的平面构型上起初小 抱子目被分类在真核原生生物界，这被公认为为了分类上的简便性以及是属于非单源的近 来的针对蛋白质编码数据的系统发生学分析则支持了小抱子目是真菌界家系的早期分枝 (Keeling,2003;James et. al., 2006),或者至少是真菌界的一个姊妹类群(Liu et al., 2006)。

Hibbett亦是按照前面提及的配置将小抱子目归为真菌的一类其中更为激发人们的一个关 于小抱子目系统发育的假设是由James在2006年提出的，基于5个细胞核基因和1个线 粒体位点，该假设认为小抱子目属于Rozella,壶菌的一类，是其它真菌的细胞内寄生物， 这形成了真菌最早的进化分枝当然，不得不说，这也有可能是分子进化研究中由于常规手 段的疏漏而造成一个分类上的误区一个更近期的对基因组组构的分析通过同线性模型的性 位点提供了对这个分析模型关系的支持由此可见，对于小抱子目和Rozella,的定位仍旧 难以捉摸，这两个重要分类的区划仍需后续研究尽管已知游动抱子(有鞭毛的)由一个v 1000的真菌物种群体组成，但要了解早期该 门类关键的系统发生关系仍需更为精确的细节所有的游动抱子类别均会产由本应只具有单 根鞭毛的多鞭毛游动抱子直到前些年真菌中的游动抱子的类别才被编目到壶 菌中(Barr,1992)通过对多基因的系统发生分析才得出壶菌的组成并不是单源的(James et. al., 2000,2006a 2006b)并且，这些真菌中的多源家系占据了大部分的真菌生命树的较原始的 分枝双核亚界双核亚界包括大多数已知的真菌物种(大于95000种)，还包括子囊菌和担子类群。

通过判 断在整个生命进程中是否出现常规的菌丝和一个双核状态来确定属不属于双核亚界，尽管两 个类群在整个生命周期内的构成部分有很大差别典型的是，双核状态在担子菌门中是个历 时长久的、生长迅速的状态但对于子囊菌类来说，双核状态是个短暂的产囊或性生殖状态 在多核亚界中真菌也出现多细胞生物(子实体量产)，它像一个独立的产品在子囊菌类和子 但菌类中进化发展担子菌门包括三个亚门：柄锈菌亚门、黑粉菌亚门和伞菌亚门正如之前提过的，为避免混 淆单元名称和非正式名称，每个亚门都以一个属别来命名然而，这些亚门在生态和形态上 有所不同，分别还包括锈菌类、黑粉菌类和蘑菇三种亚门之间彼此的关系还不完全清楚， 目前只是以担子菌为主干网，描绘并把它们分成了三个类群柄锈菌亚门是第二大亚门，包含了八类和十八种尽管大多数研究人员对锈菌类很熟悉，但 这个亚门还包括担子菌类酵母、黑粉真菌、昆虫共生体以及之前归类为子囊类的真菌因此， 柄锈菌亚门是又一个更为多样的分支由于它们经常处于活体营养的性质和复杂的生活史， 现在仍然是一个更具挑战性的实验群体黑粉菌亚门包括两类九种及大多数植物的病原一黑粉真菌它存在于柄锈菌亚门和黑粉菌亚 门中，因此我们可以看到冬抱子的产生，核配和减数分裂发生在这些包子的原菌丝上。

三菌亚门包括三类（分别是银耳纲、花耳纲和伞菌纲）和二十一种由抱子果形成的肉质担子 菌门伞菌亚门中银耳纲是最早分叉的血统，他包括胶质菌类和有丝状酵母生长形式的物种 这些真菌包括木头衰变的中介菌、真菌寄生物及医学上对人类越来越重要的病原体花耳纲 也产生凝胶状的抱子果，这些常常是木质产物但它们的祖先与伞菌纲的更为相似，而不 是银耳纲伞菌亚门包含所有的肉质担子菌类，特别是蘑菇、牛肝菌、海螺、痂和尘菌，它 代表了已知担子菌门中最大的群体及尚存在争议，与森林系统息息相关的最为重要的真菌， 包括外生菌根、树木的致病菌还有木头、垃圾衰变的中介菌它还包括绝大多数在蘑菇产业 中普遍培养的种类（例如：中国黑果冻蘑菇、小蘑菇、香菇、平菇）和一些更为值钱的烹饪 蘑菇（例如：鸡油菌、牛肝菌、松茸）一些更具特色的生物模型，从担子菌类基因学和细 胞生物学的角度来说，也都属于伞菌亚门对担子菌门的形态和生态进化特征方面的了解已经有了可观的突破，这些对了解其基因发展 史有重要意义有隔膜的担子和重复性的抱子萌发是柄锈菌亚门的代表，黑粉菌亚门、银耳 纲、花耳纲和伞菌纲很有可能是担子菌的祖先，传统无隔担子和担子萌发受限于牙管的形成， 目前限制到了伞菌亚门。

腐生生态是多个独立派生根菌血统的祖先最后，抱子果形态学对 进化关系的预测不准这或许是对分子系统最为戏剧性的影响，正如许多之前存在的关于进 化关系及他们的关系的假设都是建立在抱子形态学的基础上的利用分子系统学对抱子形态 学的祖先特征状态进行重组，反映出抱子形态学是在真菌进化中更为可靠的特征这些在所 有的主要抱子形态学都显现了出来（例如：蘑菇、尘菌、海螺、痂等等），并在担子菌门的 整个进化过程中已经被追溯过多次目前，在伞菌亚门中有十一个被认可的酵母分支，其中 大多数都与抱子形态学相关真菌生命树的系统基因组学系统基因组学最初的时候得到比较广泛的推广应用并产生了很多不同的定义（Philippe et al.,2005; Delsuc et al.,2006）在这里我们主要关注其在基因组规模上的数据系列目前， 真核生物中真菌的已测序基因组远多于其它界（ http://www.genomesonline.org/ and http://fungalgenomes.org/genome）这其中大部分是子囊菌，进来由于在取样时存在一定的 针对性尤其是在树木泛滥组织、植物、以及人类病原上的愈发关注似的担子菌被人们认识得 越来越多。

许多真菌分枝的模式基因组缺少序列信息，特别是一些较原始的家系这一情况 主要是由于对分类采样的过度依赖，以及错误认为过度采样更有利于系统发生的相关分析 随着基因组测序成本逐渐降低并在很多分子实验室得到普及，这一境况将会明显好转下面 我们来大致看一下一些分析方法如同源探测及节点支持推断，我们。