特殊生境石生真菌的多样性及其对逆境适应机制

Rock-inhabiting fungi (RIF) are peculiar organisms that well adapted to extremely dry, hot, nutrient-poor and high radiation environments by forming compact, melanised microcolonies on bare rock with meristematic and slow growth, oligotrophism, and thick cell wall. The diversity of RIF is quite high and they can well adapt to harsh stress niches. The aims of this project are: 1) to further survey RIF species diversity in Tibet plateau, Xinjiang gebi and karst regions; 2) to determine the stress-tolerant biology of representative strains under harsh stress of drought, temperatures and nutrients; 3) to illustrate the molecular mechanism of representative strains adapted to the extreme drought, temperature and nutrition by comparative genomic, transcriptomic and proteomic analysis. The results of this study will not only enrich RIF resources in China and illustrate their molecular mechanism adapted to harsh environments, but also provide essential insight for understanding RIF diversity and living strategy, and their life boundary, evolution, adaptation and ecological function.

石生真菌是一类生存于裸露岩石的特殊类群，具有微菌落、分生组织生长、产生黑色素、细胞壁加厚等独特的形态及生物学特性，能抵御干旱、贫瘠、高温、高辐射等极端环境。石生真菌具有极其丰富的物种多样性，是研究生命极限、太空生物学及抗逆机制的理想材料。本项目在原有我国石生真菌多样性研究基础上（发表2个新属5个新种），进一步调查我国青藏高原、新疆荒漠、喀斯特地貌等典型生境中的石生真菌，发现新物种，丰富我国石生真菌资源；通过石生真菌代表菌株进行干旱、极端温度、寡营养等抗逆生物学研究，明确其抗逆适应生物学特性；通过测定2株代表菌株的基因组、及其在不同逆境胁迫下转录组和蛋白组分析，探讨石生真菌适应特殊环境的分子机制。研究结果将初步明确我国石生真菌物种多样性及其逆境适应性机制，为阐明真菌生存极限、起源、进化及其抗逆机制提供依据，具有重要的理论和现实意义。

石生真菌是一类特殊环境微生物，具有独特的形态及生物学特性，能抵御干旱、贫瘠、高辐射等极端环境，是研究生命极限、太空生物学及抗逆机制的理想材料，然而由于石生真菌形态特征极少，长期没有得到系统研究，分子系统学和组学的发展为研究石生真菌提供了必要的手段。本项目通过系统研究取得以下成果：1）建立了石生真菌分离和鉴定研究体系，提出了石生真菌分子鉴定及新分类单元研究策略，在全国多地（甘肃、江西、贵州、西藏、云南、北京、广东、四川）调查了我国石生真菌的多样性，采集岩石样品600余份，获得石生真菌3000余株，初步鉴定出100余种，其中包含着大量新的分类单元，已发表1个新属、19个新种。2）通过石生真菌基因组分析，明确了石生真菌具有一些共同组学特征：基因组相对较小，基因密度大；基因组内与抗逆性相关的基因数量显著扩展；与腐生营养相关基因家族及与竞争相关的次级代谢基因簇显著缩减。3）初步揭示了石生真菌对不同逆境胁迫的响应：所测菌株最适生长温度为15-25℃，-20℃低温处理后都能恢复生长，50℃高温处理后不能恢复生长，推测石生真菌耐受低温和高低温交替变化；在0-40%的PEG6000胁迫下均能生长，PEG诱导的干旱胁迫可以造成细胞内脱水，随着PEG浓度升高，水势降低，细胞壁加厚颜色变深、出现分生组织生长、外泌色素增多等方式保护细胞免受因渗透压改变造成的损伤；经紫外辐射处理（254 nm、60-240 min）后，均能恢复生长，随着辐照时间增加，表现出生长更快的生长趋势，推测石生真菌可能能够利用紫外辐射中的能量。项目研究结果明确了我国石生真菌多样性丰富、基因组特征和对不同逆境胁迫的响应，不仅为开发和利用这类微生物资源奠定了基础，还为石生真菌适应特殊环境分子机制、真菌生存极限及机制提供了理论依据。