真菌生命树的系统发生和系统基因组学

真菌生命树的系统发生和系统基因组学

近二三十年来，分子系统发生学从最初的建立到不断发展，已成为真菌的比较生物学的重要研究手段。曾经仅局限于分类学的系统树如今已广泛地应用到真菌生物学中并为了解主要生命形式的进化、描述复杂的生物群落以及实验生物学的预测提供了广泛的进化进化理论基础。在基因组领域这一趋势愈发显著，系统发生学和基因组学逐渐结合到一起并孕育出了一门崭新的学科—系统基因组学。虽然这是一门年轻的学科，但它已经应用到通过进化关系来预测同源性和不规则基因，以及基于基因组范围的对离散同源序列数据基因组的最大量—至少是大量—的采样对比分析。下面，让我们来了解一些目前这一领域的相关进展：（i）基于多基因系统发育的真菌系统发生学目前的地位；（ii）目前在分类真菌界里的进化关系中的进化假说；（iii）通过基因组采样来推断进化关系的应用。

真菌分子系统学

作为真菌分子系统发育的第一个领域，rRNA在鉴定推断这一界的系统发生关系时发挥了极其重要的关系。rRNA以各种形态广泛分布在自然界中，含有核苷酸保守区域，并以此为基础促进了宇宙原初物种的进化。既而，rRNA核苷酸数据的收集和排序也因此变得浅显易懂并使真菌分子系统发生的研究从上世纪90年代开始呈指数级增长。虽然这些分析仅是基于少量的数据，但是针对真菌和类真菌的系统发生的研究已取得了大量的里程碑式的发现。这些发现包括异鞭毛水霉菌和黏液菌的胞外替换，动物界和真菌界间的封闭进化关系识别，壶菌，结合菌，担子菌，子囊菌的单元菌物鉴定，子囊菌和担子菌的单源支持及他们间的姊妹组关系。

??尽管取得了这些进展，由于rRNA数据仅限于与之相关的功能，要不断地了解真菌世界的进化过程还需要掌握更多相似不同源基因，特别是蛋白质编码的基因。由于在真菌系统中最大的两个RNA聚合酶（RPB1 RPB2）和翻译延伸因子TEF广泛地得到应用，PCR技术和测序引物也随之得到极大发展。这些基因提供了对rRNA系统发育的测评支持，并提供了更多形态学和生物学上的稳定性测试,他们还提供了起始多基因系统发生产生的未加工数据，致使真菌系统发生从基因树形式过渡到物种树。

??为使多基因系统发生得到进一步发展，真菌系统协会创办了Research Coordination Network Deep Hypha.该协会的主要宗旨在于加快收集真菌系统生命树的多基因序列数据采集。这也是AFTOL工程的贡献之一。该工程推动了以下六方面的核苷酸序列采集：细胞核小亚基rRNA，细胞核大亚基rRNA，线粒体小亚基rRNA，RPB1，RPB2和TEF---真菌中目和科的分类单元目标集（Lutzoni et al., 2004）。AFTOL筹集了2000多个分类单元的5000多条公开可用序列并发展了真菌中额外引物的数据采集（更多完整序列及引物请登录WASABI研办的网站： Kauffet al.,2007]）。在多基因数据集的采集日趋完善的同时，基于模型的复杂核苷酸序列数据集系统发生分析算法也在不断发展。由于电脑处理器愈发强大以及相关计算分析软件的支撑(如:RAxML [Stamatakis,2006] GARLI [Zwickl,2008] MRBAYES[Ronquist and Huelsenbeck, 2003] and PhyloBayes [Lartillot and Philippe,2004] )，对大型多基因数据集的最大似然估计和贝叶斯计算如今也得到广泛应用。今年来对多基因编码数据的强化分析也提高了系统发生的分辨率测算(Matheny et.al.,2007; Hofstetter et.al.,2007)，并且证明了蛋白质编码的基因RPB1，RPB2和TEF比rRNA基因拥有更高层次的系统发生信息量（Townsend,2007; schoch et.al.,2009)。当我们把筹集相对大的多基因序列以及分析他们的能力有机地结合在一起时，我们就获得了目前对于真菌进化的最精确的了解。

真菌生命树

这里提到的真菌生命树，我们是指单源种的真菌界以及其下的各个亚门中所包含的。简明起见，这里不再讨论真菌以外的其它门类（例如：卵菌门），尽管他们很重要并且很多学者也在研究。我们的讨论将集中在更高级的分类学中，侧重于真菌进化中主要的真菌进化枝。

目前真菌包含1个亚界，6个类群，10个亚门，35个纲，12个亚纲以及129个目（Hibbett Et.al.,2007）。这些分类群主要是以系统发生学的分析为基础区分，并能支持对单源群种的研究。因此，一些传统意义上的分类并未被编入此分类办法中，其他门类的真菌（如，壶菌）对此有更为精细的用途。毋庸赘言，随着近年来更细致地研究，这个分类办法也随之得到完善，基于这一标准的多基因分类系统发生学分析也应提供更为可信的准则。Hibbett提出的命名法是基于在2007年最初被Eriksson 和Wynka应用到子囊菌门中的相关命名细则，这就是说，针对更高级的分类命名必须具有详尽的描述以及归入合理的种类，唯有如此方能消除之前的命名中存在的混淆和不确定性。

真菌生命树的早期家系分枝

对于真菌生命树的早期家系分类包含早期被分类在壶菌门中的游动孢子类(James et. Al.,2006)，结核菌门中的无鞭毛丝状真菌(White et. al.,2006)和小孢子目(Keeling and Fast 2002)(见图1)。小孢子目主要是一类单细胞的动物细胞内寄生虫(Gill and Fast 2006;Liu et.al.,2006)，他们的系统发生学替换一直存在争议。他们拥有高度退化的基因组及相对高的核苷酸替换率(Keeling and Slamovits,2004)。继而，相比起其它分类来说，他们拥有更少的轮廓鲜明的共同直系同源基因的。由于这些基因明显属于直系同源，核苷酸位置上的同源性往往很难获得，这还体现在显著的核苷酸替换率以及DNA分子复杂的平面构型上。起初小孢子目被分类在真核原生生物界，这被公认为为了分类上的简便性以及是属于非单源的。近来的针对蛋白质编码数据的系统发生学分析则支持了小孢子目是真菌界家系的早期分枝(Keeling,2003;James et. al., 2006)，或者至少是真菌界的一个姊妹类群（Liu et al., 2006）。Hibbett亦是按照前面提及的配置将小孢子目归为真菌的一类。其中更为激发人们的一个关于小孢子目系统发育的假设是由James在2006年提出的，基于5个细胞核基因和1个线粒体位点，该假设认为小孢子目属于Rozella, 壶菌的一类，是其它真菌的细胞内寄生物，这形成了真菌最早的进化分枝。当然，不得不说，这也有可能是分子进化研究中由于常规手段的疏漏而造成一个分类上的误区。一个更近期的对基因组组构的分析通过同线性模型的性位点提供了对这个分析模型关系的支持。由此可见，对于小孢子目和Rozella, 的定位仍旧难以捉摸，这两个重要分类的区划仍需后续研究。

尽管已知游动孢子（有鞭毛的）由一个＜1000的真菌物种群体组成，但要了解早期该门类关键的系统发生关系仍需更为精确的细节。所有的游动孢子类别均会产由本应只具有单根鞭毛的多鞭毛游动孢子。直到前些年真菌中的游动孢子的类别才被编目到壶菌中（Barr,1992）。通过对多基因的系统发生分析才得出壶菌的组成并不是单源的（James et. al., 2000,2006a 2006b）。并且，这些真菌中的多源家系占据了大部分的真菌生命树的较原始的分枝。

双核亚界

双核亚界包括大多数已知的真菌物种（大于95000种），还包括子囊菌和担子类群。通过判断在整个生命进程中是否出现常规的菌丝和一个双核状态来确定属不属于双核亚界，尽管两个类群在整个生命周期内的构成部分有很大差别。典型的是，双核状态在担子菌门中是个历时长久的、生长迅速的状态。但对于子囊菌类来说，双核状态是个短暂的产囊或性生殖状态。在多核亚界中真菌也出现多细胞生物（子实体量产），它像一个独立的产品在子囊菌类和子但菌类中进化发展。

担子菌门包括三个亚门：柄锈菌亚门、黑粉菌亚门和伞菌亚门。正如之前提过的，为避免混淆单元名称和非正式名称，每个亚门都以一个属别来命名。然而，这些亚门在生态和形态上有所不同，分别还包括锈菌类、黑粉菌类和蘑菇。三种亚门之间彼此的关系还不完全清楚，