基因组学水平的虫生真菌次级代谢演化与功能研究

In nature, there are more than 1000 fungal species being able to kill insects, most of which belong to the ascomycete fungi Cordyceps sensu lato. Our comparative and phylogenomic analyses indicated the ascomycete insect pathogenic fungi (IPF) diverged from the plant pathogenic or endophytic fungi. Dependent on their evolutionary relationships, the genomes of different fungi encode an array of highly conserved or species/lineage-specific gene clusters involved in biosynthesis of bioactive polyketides, cyclopeptide or terpenes etc. However, it remains largely unknown in terms of the evolutionary origin and pattern of fungal secondary metabolisms, metabolites biosynthesized by these clusters, mechanisms of biosynthesis, and metabolite biological functions in different fungi, especially during the fungal interactions with environments. In this proposal, we are planning to first perform the pan-genome evolution analysis of fungal secondary metabolic gene clusters for the cluster origin, pattern distribution, horizontal gene transfer and species-specific divergence. On this basis, particular interests will be paid to conduct the isolation and identification of metabolites produced by different IPF species, and serial deletions of those highly conserved or lineage-specific gene clusters in IPF to unveil the biosynthetic mechanisms of different metabolites that have not been functionally characterized. In parallel with insect or cell line bioassays, biotinylation or fluorophore-labeling of bioactive metabolites will be performed to identify the targeted proteins of insect hosts or animal cells and thereby the biological functions of the bioactive molecules produced by IPFs. The putative results of these studies will unravel the evolutionary relationship between the origin and divergence of fungal secondary metabolisms and fungal speciation. The findings will also help enrich the metabolite resource libraries, benefit the exploration of bioactive metabolites for agricultural or medicinal applications, and reveal the functions of metabolites used by fungi to interact with the environments especially the insect hosts. The knowledge acquired in these studies will additionally advance the understanding of metabolic and pathogenic mechanisms of animal (including human) and plant fungal pathogens.

自然界能够感染杀虫的病原真菌达1000多种，其中主要为泛虫草菌类的子囊菌。在前期比较及进化基因组分析的基础上，我们发现子囊菌类的虫生真菌一般由植物病原或内生真菌进化而来。伴随物种进化关系的远近，不同真菌基因组编码有高度保守或种类特异的聚酮、非核糖体多肽及萜类等次级代谢产物合成基因簇。然而，这些基因簇在不同真菌间的进化与演化关系、负责合成的活性产物及功能多不清楚。本项目拟开展泛基因组水平上的真菌次级代谢基因簇起源、演化以及与物种进化的关联性等研究。在此基础上，以不同虫生真菌为对象，开展活性产物诱导、分离和鉴定，通过系列基因缺失及生化实验，解析不同活性产物的合成机理；通过昆虫生物测定及化合物标记示踪等研究，揭示不同活性产物的生物学功能。本项目的开展可以揭示次级代谢演化与真菌物种进化的关联性，丰富活性产物资源及其生物合成机理，解析不同活性产物在真菌致病过程中的作用与功能等。

自然界能够感染杀虫的病原真菌达1000多种，其中主要为泛虫草菌类的子囊菌。进化关系上，这类虫生真菌由植物病原或内生真菌进化而来，伴随物种进化关系的远近，不同真菌基因组编码有高度保守或种类特异的聚酮、非核糖体多肽及萜类等次级代谢产物合成基因簇，但这些的基因簇进化演化关系，以及化合物合成与功能多不清楚。本项目立足解析这些基因簇在不同真菌间的进化与演化关系、负责合成的活性产物及化学生物学功能。本项目进一步解析了蝉花、虫生簇孢、蜜蜂球囊菌和棒束孢等8种虫生真菌的比较基因组及各自编码次级代谢基因簇的进化、演化关系，以及不同基因簇在真菌形成感染植物、昆虫和哺乳动物寄主的致病性形成过程中分布与潜在功能。解析完成了虫草素、喷司他丁、苦马豆素、环孢霉素和白僵菌类酯等次级代谢小分子化合物的生物合成机理，以及各自不同的化学生物学功能。尤其是首次发现蛹虫草能够合成首先于放线菌中发现的喷司他丁，该化合物作为脱氨酶抑制剂而保护虫草素的稳定性，形成“保护与被保护”的伴随合成关系，证明该合成基因簇可能通过水平基因转移从曲霉菌获得；证明害虫生防真菌绿僵菌虽然能够合成具有动物毒性的苦马豆素，但当绿僵菌与植物形成共生关系时不会合成这类毒素，证明了其作为真菌杀虫剂的安全性；发现负责合成白僵菌类酯的高度保守的非核糖体多肽合成酶基因簇在不同泛虫草菌中合成的结构类似物成分不同，与不同真菌的进化关系不对称，揭示了真菌化学分类学的不可靠性。不同研究成果以项目第一标注分别发表于Cell Chem Biol, mBio, ACS Chem Biol, mSphere和Genome Biol Evol等期刊，以及受邀于Annu Rev Entomol和Toxins期刊发表了研究综述等。受项目资助，负责人分别获得科技部第四批万人领军人才、上海市优秀学术带头人，亚洲真菌学会的“亚洲杰出真菌学家”和中国菌物学会的“戴芳澜杰出成就奖”等奖项；受邀于第11届国际真菌学大会作大会报告等。培养毕业博士研究生9名、硕士生3名。