Science Advance丨西北农林科技大学刘慧泉团队证明修复型RNA编辑的适应性优势，解决真菌生存-生殖权衡

由禾谷镰孢（Fusarium graminearum）引起的小麦赤霉病严重威胁粮食安全生产和人畜健康。缺乏抗病品种、秸秆大面积不充分还田导致的菌源过量等问题是造成我国小麦赤霉病不断暴发流行的关键因素之一。禾谷镰孢有性生殖在小麦赤霉病发生和流行中发挥关键作用，其在田间病残体上通过有性生殖产生子囊壳进行越冬，翌年春天子囊壳发育成熟后喷射出子囊孢子侵染扬花期小麦穗。明确禾谷镰孢生活史策略形成的遗传和进化机制对制定有效的病害防控策略具有重要意义。

近日，西北农林科技大学植物保护学院/作物抗逆与高效生产全国重点实验室刘慧泉教授团队通过分子生物学、遗传学和进化发育生物学研究手段发现，禾谷镰孢在进化过程中产生了大量与逆境响应有关的基因，这些基因在其生活史有性阶段发挥关键作用，但降低其无性阶段的逆境胁迫适应能力（图1）。也就是说，这些基因具有拮抗多效性，虽然对生殖有利，但对生存不利，但在生存与生殖权衡之中禾谷镰孢优先选择了生殖。进一步研究发现，该团队先前在禾谷镰孢等真菌中报道的A-to-I RNA编辑现象【1-3】在进化过程中驱动这些基因发生提前终止突变，使其成为假基因（图2），并在有性生殖阶段对这些假基因在RNA水平上进行修复，使其恢复功能，这种修复型A-to-I RNA编辑消除了基因拮抗作用造成的生存-生殖权衡，促进了禾谷镰孢有性生殖的进化和生活史策略的形成。该研究显示，在诸如禾谷镰孢等以“生殖为重”的病原菌引起的病害防控当中，不能仅仅针对侵染控制，而应同时兼顾生殖调控。该研究以Adaptive advantages of restorative RNA editing in fungi for resolving survival-reproduction tradeoffs为题在线发表Science Advances上。

该研究除了增加人们对禾谷镰孢生活史策略和小麦赤霉病防控认识之外，还在以下方面取得了创新性发现。

1. 为认识真菌复杂多细胞结构的进化和发育提供了新见解。有性子实体是真菌产生的最为复杂的多细胞结构，但其复杂性进化背后的遗传学原理尚不清楚。先前的比较基因组学研究认为，对原先存在的基因进行改良使其承担新功能，即基因选配 （co-option） 是复杂多细胞进化的主要力量，而基因从头 （de novo） 进化仅发挥次要作用【4】。而该研究发现，丝状子囊真菌在其子实体进化过程中产生了大量从头起源的基因，这些基因在子实体发育的不同阶段均发挥着关键作用（图1和图2）。该结果凸显了遗传创新在真菌复杂多细胞结构进化发育中的重要性，挑战了先进的观点。该研究还发现在子实体发育中发挥重要功能的新基因大多与逆境响应有关，并且在生存-生殖之间具有拮抗作用。这种可导致生存-生殖权衡的基因先前在真菌中鲜有报道。更重要的是发现这些基因为假基因，修复型A-to-I RNA编辑对其功能的发挥至关重要。因此，该研究揭示了RNA编辑在真菌复杂多细胞结构进化发育中的关键作用，增进了人们对真核生物复杂性形成的认识。

2. 为修复型RNA编辑的选择优势提供了经验证据。RNA编辑通过改变转录本水平的遗传信息挑战分子生物学的中心法则，由于缺少经验证据，有关RNA编辑的选择 （适应性） 优势一直是进化生物学领域争论的话题之一。刘慧泉教授团队2023年发表的研究结果【5】证明，禾谷镰孢中保守A-to-I RNA编辑增加的蛋白多样性具有重要功能，为RNA编辑“杂合子优势”提供了首个实验证据。但真核生物中普遍存在的是修复型RNA编辑，即RNA 编辑通常会在 RNA 水平上修复基因发生的突变，这些修复型RNA 编辑虽然可能功能重要，但对其选择优势存在很大争议【6, 7】。中性进化理论认为，RNA 编辑的修复能力允许本该被自然选择清除的有害DNA突变得以积累，这种纠正自身导致的“错误” 并不能增加额外优势，因此修复型RNA编辑被认为增加了非必要的复杂性，是非适应性的【8】。在该研究中发现，禾谷镰孢中的修复型A-to-I RNA编辑的确可以驱动基因发生提前终止突变，使其进化为假基因，但这些基因的假基因化却能够消除其对无性生长阶段的不利影响，同时，有性阶段特异的RNA编辑又能够恢复这些基因在子实体发育中的重要功能（图3A）。因此，修复型RNA编辑解决了生存-生殖权衡问题，为真菌提供了选择优势。由于修复型RNA编辑在真核生物细胞器中发生最为普遍，该研究还为解释细胞器RNA编辑的产生和维持提出了一种进化模型（图3B）。综上，该研究为修复型RNA编辑的适应性优势提供了强有力的经验证据，为理解不同 RNA 编辑系统的起源和进化提供了新视角。

图.修复型RNA编辑的进化模型。A，真菌中假基因及其修复型RNA编辑的进化模型；B，其它真核生物细胞器中修复型RNA编辑的进化模型

西北农林科技大学植物保护学院齐朝妹博士为本文第一作者，刘慧泉教授为本文通讯作者。刘慧泉教授团队于2016年发现了真菌中的A-to-I RNA编辑现象，遂致力于解决其在真菌中的功能、进化和机制等基础科学问题，以期为病害防控提供理论依据。

参考文献

1. Liu H, et al. Genome-wide A-to-I RNA editing in fungi independent of ADAR enzymes.Genome Res26, 499-509 (2016).

2. Liu H, et al. A-to-I RNA editing is developmentally regulated and generally adaptive for sexual reproduction in Neurospora crassa.Proc Natl Acad Sci U S A114, E7756-E7765 (2017).

3. Bian Z, Ni Y, Xu JR, Liu H. A-to-I mRNA editing in fungi: occurrence, function, and evolution.Cell Mol Life Sci76, 329-340 (2019).

4. Nagy LG, Kovacs GM, Krizsan K. Complex multicellularity in fungi: evolutionary convergence, single origin, or both?Biol Rev Camb Philos Soc93, 1778-1794 (2018).

5. Xin K, et al. Experimental evidence for the functional importance and adaptive advantage of A-to-I RNA editing in fungi.Proc Natl Acad Sci U S A120, e2219029120 (2023).

6. Gray MW. Evolutionary origin of RNA editing. Biochemistry-Us 51, 5235-5242 (2012).

7. Jiang D, Zhang J. The preponderance of nonsynonymous A-to-I RNA editing in coleoids is nonadaptive.Nat Commun10, 5411 (2019).

8. Lukes J, Archibald JM, Keeling PJ, Doolittle WF, Gray MW. How a Neutral Evolutionary Ratchet Can Build Cellular Complexity.Iubmb Life63, 528-537 (2011).

http://doi.org/10.1126/sciadv.adk6130