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昆明植物所等在毒蘑菇鹅膏环肽毒素合成机制研究中获进展

2022-05-10 昆明植物研究所
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  有毒蘑菇对人类健康造成威胁,却是重要药物和功能分子的来源。危害最大的有毒蘑菇当属鹅膏属的某些真菌,大部分致死中毒案例是这一蘑菇致。剧毒鹅膏中的毒素为鹅膏环肽,但鹅膏环肽并非仅鹅膏属真菌独有,在亲缘关系很远的环柄菇和盔孢伞属中能产生这毒素的真菌 

  中国科学院昆明植物研究所发现了两个鹅膏环肽合成新的关键基因(P450-29FMO1),二者为不同的加氧酶,负责在鹅膏环肽毒素的关键位点(异亮氨酸C-5和脯氨酸C-4等)引入氧原子。若缺少这些氧原子,将导致毒素的活性下降1000倍以上。该研究将已知毒素合成基因从原来的2个增加到4个,对鹅膏环肽生源合成途径有了深入的认识。研究通过建立目前全球唯一的剧毒鹅膏基因组平台,构建了鹅膏属、盔孢伞属和环柄菇属中13个剧毒物种的基因组数据库,完整解析了鹅膏环肽生源合成途径在蘑菇目中的整体架构,发现在蘑菇目三个不同属中,鹅膏环肽的主要合成基因是相同或相似的,因此鹅膏环肽生源合成途径是同宗同源的。系统发育和遗传学研究证据表明,鹅膏、盔孢伞、环柄菇之所以均能产生鹅膏环肽毒素,其根源是基因水平转移。进一步的进化分析表明,基因水平转移发生的年代久远且并非直接发生在这几蘑菇之间,而是由未知古老真菌物种作为供体分别传递给这些蘑菇(如图)。 

  研究首次证实,在蘑菇目中,虽然鹅膏、盔孢伞、环柄菇间的亲缘关系较远,但其产生鹅膏环肽毒素的遗传学基础是一致的,均由相似的基因控制。然而,在进化长河,上述三大类蘑菇中的毒素合成能力却发生了变化。在木腐生的盔孢伞属真菌中,仅有1个毒素前体基因且该基因编码α-鹅膏毒肽;在土壤腐生的环柄菇属真菌存在MSDIN前体基因家族的轻微扩张,有约10种毒素前体基因;菌根共生的鹅膏属真菌中,MSDIN前体基因家族存在显著扩张甚至产生了新的毒素修饰基因,可将环肽数目再扩大数十倍,因此鹅膏的实际产毒能力是盔孢伞和环柄菇的成千上万倍。 

  虽然鹅膏、盔孢伞、环柄菇都继承了由供体转移来的毒素基因,但可能受到不同生理和生态压力的影响而分道扬镳,各自朝不同的方向进化,最终形成了种迥异的命运(如图)。鹅膏是其中的佼佼者,其鹅膏环肽生源合成途径产生了众多创新,产毒能力提升了千倍万倍,炼成了蘑菇毒王。 

  近日,相关研究成果以Genes and evolutionary fates of the amanitin biosynthesis pathway in poisonous mushrooms为题,发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项(B类)和国家自然科学基金面上项目的支持。法国农业科学院科研人员参与研究。

鹅膏、盔孢伞、环柄菇中环肽毒素合成基因分布及代谢途径进化示意图 

打印 责任编辑:侯茜

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