祖先真菌如何影响煤的形成

因为没有钉子，童谣就去了，一个王国失去了。类似的，看似无害的变化 - 蘑菇谱系的演变 - 可能对碳循环产生了巨大影响，结束了煤炭沉积形成的6000万年期间。

根据美国能源情报署(US Energy Information Administration)的数据，2010年美国耗电量约为4万亿千瓦时的近一半。这种燃料实际上是生活在大约3.6亿至3亿年前的植物的化石残骸。一个国际科学家团队，包括美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)的研究人员，提出了一个新的因素，可能有助于石炭纪时期的结束 - 以成为煤矿的大型商店命名。证据在6月29日出版的“ 科学 ”杂志网上发表，表明能够分解聚合物木质素的真菌的进化，这有助于保持植物细胞壁刚性，可能在结束煤矿床的发展中起到关键作用。随着新真菌的到来，死植物物质可以完全分解为其基本化学成分。大部分植物生物质腐烂而不是像泥炭一样积累，最终转化为煤炭，而是以二氧化碳的形式释放到大气中。

“我们希望这将进入生物学和地质学教科书，”克拉克大学生物学家David Hibbett说，他是这项全面研究的资深作者，比较了几十种真菌的完整基因组，其中大部分是在DOE JGI进行测序的。“当你读到关于煤的形成时，它通常用物理过程来解释，并且煤炭沉积的速率刚刚在石炭石的末端崩溃。那是为什么?有各种解释。白腐真菌的进化可能是一个因素 - 也许是一个主要因素。一旦你有白腐病，你可以分解煤炭的主要前体木质素。因此，白腐病的演变是碳循环演变中非常重要的事件。“

“能够分解'坚不可摧'的酶的发明概念真的很棒，”南加州大学环境研究的Wrigley主席和地球科学与生物科学教授Kenneth Nealson说。“稳定(不可食用)形式的有机碳可以变得可食用(因此随着时间的推移更难以埋葬)这一观点不仅改变了我们过去对全球能源储存的看法，而且改变了我们对当今碳固存的意义从这个意义上来说，这个想法会对我们对过去和现在的思考产生重大影响。“

在他们的研究中，Hibbett及其同事专注于担子菌，其中包括具有熟悉的帽盖和茎干的蘑菇种类，大多数人都与真菌有关。担子菌还包括褐腐病真菌，例如干腐病，它可以通过破坏建筑木材中的纤维素来破坏房屋，但留下木质素未受影响的白腐真菌，纸浆和造纸工业可以分解两种类型的聚合物。在该研究中比较的31个褐腐病和白腐真菌基因组中，26个在DOE JGI进行测序，包括十几个专门用于该研究以充实真菌指令的表示。

美国能源部JGI真菌基因组学项目负责人Igor Grigoriev指出，比较真菌基因组学研究强调了支持DOE使命的持久兴趣，利用真菌酶将生物聚合物如纤维素转化为单糖以优化生物燃料生产。在这一追求中，格里戈里耶夫和他的同事继续为越来越多的第一名做出贡献。“在DOE JGI测序的第一个真菌也是白腐菌的第一个基因组，”他说。“几年后，我们对第一种褐腐病菌进行了测序。在第一个真菌基因组发生不到十年后，我们首次对木材腐烂真菌进行了大规模的比较。“

有了多个真菌基因组，该团队比较了DNA序列，寻找编码木材腐烂相关酶的基因家族。他们特别关注称为II类真菌过氧化物酶的酶，结果发现存在于白腐真菌的谱系中但不存在于褐腐真菌中，这表明它们在分解植物中的木质素中起作用。

然后，研究人员使用分子钟分析来追踪酶通过真菌谱系的演变。这个想法是，就像时钟指针在表盘周围以一定的速度移动一样，基因以大致恒定的速率累积突变。这种变化速度允许研究人员向后工作，估计两个谱系最后根据分歧量共享一个共同的祖先。

比较分析表明，大约在2.9亿年前，在石炭纪时期结束时，出现了具有分解木质素能力的白腐真菌祖先。在该祖先之前，真菌没有这种能力，因此植物中的木质素没有降解，这使得这些富含木质素的残留物随着时间的推移在土壤中积累。由于分子钟分析存在实质性误差，因此校准需要真菌“化石”。在这项研究中，分子钟分析是针对三种真菌化石进行校准的。Hibbett说，更多的化石将有助于改善年龄估计。“不幸的是，”他补充说，“真菌化石是罕见的，很容易被忽视。”他说，他的小组有兴趣尝试重建祖先的白腐真菌基因组。“我们有动力去理解这种导致木质素降解的代谢途径何时出现。这就是为什么我们需要在这项研究中拥有那么多的真菌基因组。直到最近，一次只获得一个基因组是如此多的工作。现在，我们正在进行比较真菌基因组学项目，因为我们正在过渡到拥有数百种真菌基因组的凉爽时期。“

俄勒冈州立大学教授，该研究的共同作者约瑟夫·斯帕塔福拉(Joseph Spatafora)同意Hibbett的评估，该研究小组的研究结果可能会改变生物学和地质学的文本。“当你看到煤炭沉积减少的这种特殊现象时，到目前为止，大多数解释都是非生物性的，而且似乎不应该是整个故事，”他说。

Grigoriev说，这篇论文是真菌基因组百科全书的第一个产品，DOE JGI伞形项目将真菌基因组测序工作重点放在DOE相关的能源和环境任务上。“这篇论文是百科全书的第一章，”他说，“所产生的数据已经产生了最全面的木质纤维素分解酶目录，这是工业界感兴趣的。我们现在已经获得了各种系统发育中所有基因的蓝图，我们将获得更多。这是向前迈出的一大步。下一个里程碑是1000个真菌基因组项目，以完成担子菌的全部多样性。“

作为1000个真菌基因组项目的负责人，该项目是DOE JGI社区测序计划组合的一部分，Spatafora表示，尽管目标是促进1000个真菌基因组的测序，但500个家族中的两个，五年以上，真菌基因组学还有很长的路要走。“估计有150万种真菌，”他说。“我们有大约100,000种物种的名称，我们正在研究这个项目中的1000种真菌。这仍然是观察真菌多样性的冰山一角，我们正在努力学习更多，以更好地了解真菌代谢和利用真菌的潜力，包括生物能源在内的许多应用。在真菌生物学方面，这是一个非常激动人心的时刻，其中一部分原因在于今天的技术使我们能够解决真正长期存在的问题。“