Nature Commun | 中国农科院李培武/张奇团队全球千余株真菌基因组研究揭示真菌进化密码

真菌，这个在地球上繁衍了数亿年的庞大生物类群，不仅是生态系统中不可或缺的分解者，也是威胁粮食安全和人类健康的“隐形杀手”。它们能够产生种类繁多的特殊代谢物，这些化合物是真菌在复杂环境中用于竞争、防御和信号传递的“化学武器”。然而，其中一些被称为真菌毒素的代谢物，如黄曲霉毒素B1，被世界卫生组织列为Ⅰ类致癌物，每年导致全球约25%的农作物受到污染，造成巨大的经济损失。随着全球气候变化的加剧，真菌的分布和进化正在加速，新的致病菌株不断涌现，但环境究竟如何塑造真菌的代谢多样性，长期以来一直是未解之谜。

2026年3月18日，Nature Communications在线发表了中国农业科学院油料作物研究所李培武院士、张奇研究员团队联合荷兰瓦赫宁根大学Marnix H. Medema和Justin J.J. van der Hooft团队等国内外多家单位合作完成的研究论文，题为“Large-scale multi-omics profiling reveals environmental and evolutionary drivers of fungal phylogeographic and metabolic diversity”。这项研究通过对横跨四大洲的1052株黄曲霉菌进行大规模基因组和代谢组测序，构建了迄今为止最全面的黄曲霉种群多组学图谱。

研究团队对采集自中国不同气候区的544株黄曲霉进行了深度测序，并结合公开的508株来自全球九个国家的菌株数据，通过系统发育分析将黄曲霉种群划分为八个亚群。他们发现，一个高产黄曲霉毒素的亚群主要分布在中国南方和中部地区，呈现出明显的纬度梯度分布规律——产毒菌株更偏爱低纬度的高温高湿环境，而非产毒菌株则更多分布在高纬度地区。

进一步的泛代谢组分析显示，不同地理种群的代谢谱存在显著差异。低产黄曲霉毒素的支系虽然黄曲霉毒素合成较少，却富集了其他类型的真菌毒素，如环匹阿尼酸。通过构建包含15628个基因家族的泛基因组，研究人员发现核心基因组占比61.3%，而可变的辅助基因组和独特基因则占38.7%，这些辅助基因主要富集在初级代谢和特殊代谢通路中。

令人意外的是，尽管共预测出52511个生物合成基因簇并归并为103个独特的基因簇家族，但分析表明，基因簇本身的缺失或变异仅能部分解释代谢物的差异。例如，在黄曲霉毒素合成基因簇完整的菌株中，仍有44%的菌株不产毒或低产毒。通过代谢物全基因组关联分析和基因-环境关联分析，研究发现关键转录调控因子和初级代谢相关基因的变异才是驱动代谢分化的主要因素。环境因子如土壤容重、温度、湿度和pH值等，通过作用于这些基因驱动了种群的分化。

研究团队进一步通过基因敲除实验验证了16个与黄曲霉毒素合成相关的调控基因。结果显示，敲除这些基因后，突变株的生长表型和代谢谱发生显著改变，不仅黄曲霉毒素产量下降，其代谢轮廓也更接近于天然的低产毒支系。特别是敲除nsdD、apsA等调控基因后，菌株的初级代谢通路如苯丙氨酸和色氨酸生物合成也受到明显扰动，印证了初级代谢与特殊代谢之间的紧密耦联。

该研究首次系统揭示了环境选择压力如何通过重塑调控网络和初级代谢，驱动真菌特殊代谢的地理分化。这些发现不仅为理解真菌在全球气候变化背景下的进化趋势提供了新视角，也为未来针对不同地理种群的黄曲霉精准防控策略设计，以及筛选关键的基因编辑靶点奠定了重要的理论基础和数据资源。

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