《Scientific Data》：Fungal photobiont and microbiome genome composition in the Cladonia uncialis tripartite symbiosis
编辑推荐：
本研究针对地衣适应性进化机制研究缺乏高质量染色体级别基因组及共生细菌功能贡献不清的问题，开展了Cladonia uncialis三重共生系统的基因组与微生物组研究。通过整合PacBio HiFi和Hi-C技术完成43.49 Mb/28条染色体的真菌宿主染色体级别基因组组装，结合长短读长测序构建31个MAGs，揭示以子囊菌门(41.16%)、变形菌门(17.61%)和拟杆菌门(14.20%)为主的共生微生物群落结构。该研究为极端环境下地衣共生系统的适应性进化机制研究提供了关键基因组资源。
在地球上最严酷的环境中——从炽热的沙漠到寒冷的极地，从干旱的岩石表面到高海拔的山地——地衣这种由真菌（mycobiont）与光合生物（photobiont，如藻类或蓝细菌）形成的共生复合体，展现出惊人的生存能力。它们不仅是生态系统中的先锋物种，能够在贫瘠的岩石基质上开启生态演替的进程，更是研究生物适应极端环境的天然模型。然而，尽管其生态重要性毋庸置疑，科学界对地衣如何通过其复杂的共生关系实现如此强大适应力的分子机制却知之甚少。一个核心的瓶颈在于，长期以来缺乏高质量的、染色体级别的基因组参考序列。这限制了对真菌宿主及其共生微生物群落（包括细菌和其他真菌）在基因组层面上的协同进化与功能分工的深入探索。具体而言，地衣的三重共生系统——即真菌宿主、光合共生体以及与之关联的细菌微生物组——的整体基因组面貌依然模糊，尤其是共生细菌群落的功能贡献尚未得到充分评估。为了解决这一关键问题，研究人员将目光投向了一种典型的地衣物种——Cladonia uncialis。
本研究旨在通过先进的基因组学技术，揭示Cladonia uncialis三重共生系统的基因组构成和微生物群落特征，为理解地衣在极端环境下的适应性进化提供坚实的资源基础和新的见解。相关研究成果发表在《Scientific Data》上。
为开展本研究，研究人员主要运用了几项关键技术。首先，为了获得高质量的真菌宿主基因组，他们结合了PacBio高通量测序（PacBio HiFi）产生的长读长序列和基于染色质构象捕获（Hi-C）技术的测序数据，从而组装出染色体级别的基因组。其次，为了全面刻画整个共生系统的微生物组成，研究人员对地衣样本进行了宏基因组测序，并整合了短读长（Illumina平台）和长读长（PacBio或Oxford Nanopore平台）测序数据，利用宏基因组组装基因组（Metagenome-Assembled Genomes, MAGs）方法从混合测序数据中重构出单个微生物的基因组草图。这些技术方法的综合应用，使得同时解析宿主基因组和复杂共生微生物群落成为可能。
染色体级别的Cladonia uncialis真菌宿主基因组组装
研究人员通过整合PacBio HiFi长读长测序和Hi-C技术，成功构建了Cladonia uncialis真菌宿主的染色体级别基因组。该基因组包含28条染色体，总大小为43.49 Mb。这一高质量的基因组组装结果为后续分析真菌宿主在共生系统中的遗传基础及其适应性特征提供了可靠的参考序列。
地衣共生微生物群落的全面解析
通过对地衣样本进行整合的短读长和长读长宏基因组测序，研究团队构建了31个宏基因组组装基因组（MAGs），从而能够更精确地鉴定和量化共生微生物群落。分析结果显示，该地衣的共生微生物群落主要由?Ascomycota?（子囊菌门，占41.16%）、?Proteobacteria?（变形菌门，占17.61%）和?Bacteroidota?（拟杆菌门，占14.20%）主导。这一发现揭示了地衣内部存在着远超传统认知的、高度多样化的微生物世界，其中不仅包括作为主要伙伴的光合共生体，还包含了大量可能具有特定功能的细菌和其他真菌。
长读长测序对低丰度微生物检测的增强作用
研究特别指出，与单纯依赖短读长测序相比，引入长读长测序技术显著提高了对共生群落中低丰度类群的检测灵敏度。这意味着一些在总群落中占比很小但可能具有重要生态或功能意义的微生物，能够通过长读长数据被更有效地识别和恢复其基因组信息，从而更全面地展现共生微生物组的真实复杂性。
本研究成功获得了Cladonia uncialis的高质量染色体级别真菌宿主基因组，并首次通过整合长短读长宏基因组测序技术，系统地解析了其三重共生系统中的微生物群落组成，重构了多个关键微生物的基因组。研究结果不仅揭示了以子囊菌门、变形菌门和拟杆菌门为优势菌群的共生微生物结构，还证实了长读长测序在挖掘低丰度微生物资源方面的独特优势。
该研究的结论和讨论部分强调了这项工作的重要意义。首先，所提供的染色体级别真菌基因组和一系列共生微生物的MAGs，构成了研究地衣共生系统极为宝贵的基因组资源库。这些资源将极大地促进对地衣适应性进化分子机制的深入探索，例如，可以通过比较基因组学分析，鉴定与抗逆性（如干旱、紫外线、极端温度耐受）、养分获取（如固氮、磷酸盐溶解）以及共生关系建立与维持相关的关键基因和通路。其次，研究展示了利用现代多组学技术（特别是长读长测序与宏基因组学结合）解析复杂共生系统的可行性和有效性，为研究其他类似难以培养的共生体系（如珊瑚、植物根际等）提供了方法学借鉴。最后，对地衣微生物组的深入认识，挑战了将地衣简单视为“真菌-藻类”二元共生的传统观点，突出了细菌微生物组作为潜在“第三合作伙伴”的重要功能地位，为全面理解地衣这一超级有机体（holobiont）如何在极端环境中协同生存与演化开辟了新的研究方向。总之，这项研究为从基因组层面揭示地衣非凡环境适应力的奥秘奠定了坚实基础，具有重要的科学价值。
