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世界上最毒蘑菇是如何炼成的?——昆明植物所在毒蘑菇鹅膏环肽毒素合成机制研究中取得重要进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-05-13  来源:中国科学院昆明植物研究所
核心提示:中国科学院昆明植物研究所的科研人员在研究中发现了两个鹅膏环肽合成新的关键基因(P450-29和FMO1),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。
  有毒蘑菇对人类健康常常造成威胁,但同时也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,绝大部分的致死中毒案例由这一类蘑菇所致。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属和盔孢伞属中,也有能产生这类毒素的真菌。
 
  中国科学院昆明植物研究所的科研人员在研究中发现了两个鹅膏环肽合成新的关键基因(P450-29和FMO1),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。该结果将已知毒素合成基因从原来的2个增加到了4个,对鹅膏环肽生源合成途径有了更为深入的认识。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、环柄菇之所以都能产生鹅膏环肽毒素,其根源是基因水平转移。更深入的进化分析表明,基因水平转移发生的年代久远且并非直接发生在这几类蘑菇之间,而是由未知古老真菌物种作为供体分别传递给了这些蘑菇。
 
  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。但令人吃惊的是,在进化长河中,上述三大类蘑菇中的毒素合成能力却发生了翻天覆地的变化。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中,存在MSDIN前体基因家族的轻微扩张,有约10种毒素前体基因;在菌根共生的鹅膏属真菌中,MSDIN前体基因家族存在显著扩张,甚至还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!
 
  简而言之,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,分道扬镳,各自朝不同的方向进化,最终形成了三种迥异的命运(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,炼成了当之无愧的蘑菇毒王!
 
  以上研究成果近日以Genes and evolutionary fates of the amanitin biosynthesis pathway in poisonous mushrooms为题在国际著名期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)的遗传学板块全文发表。中国科学院昆明植物研究所罗宏副研究员为该论文的第一作者和共同通讯作者,吕李云娇博士研究生为共同第二作者,法国农业科学院Francis M. Martin院士为论文的共同通讯作者。该研究得到中国科学院B类先导专项(XDB31000000)和国家自然科学基金面上项目(31972477、31772377)的经费支持。
 
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