Расширение разнообразия грибов по одной клетке
На Земле обитает более миллиона видов грибов, но большинство из них остаются неизвестными, так как избегают обнаружения и не культивируются в лабораториях.
8 октября 2018 года в журнале Nature Microbiology команда исследователей из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) представила метод получения геномов из отдельных клеток некультивируемых грибов. Метод протестировали на нескольких видах, представляющих ранние ветви эволюции грибов.
«Большая часть филогенетического разнообразия представлена именно ранними ветвями грибов, — сказал соавтор исследования Тим Джеймс из Мичиганского университета. — Мы знаем из исследований ДНК окружающей среды, что они распространены во многих средах, но они, предположительно, микроскопические. Мы не знаем, как они выглядят, и знаем, что не можем их культивировать... Нам бы хотелось изучить геномы этих организмов и понять, на что они похожи. Здесь на помощь приходит одноклеточная геномика».
Метод исследования неизвестного разнообразия
Даже в рамках таких проектов, как «1000 грибных геномов» JGI, большинство доступных геномов принадлежит всего двум основным линиям — Ascomycota и Basidiomycota. Ранние эволюционные ветви, близкие к основанию Древа жизни грибов, имеют мало репрезентативных геномов.
«Концептуально это пилотный проект, — сказал первый автор статьи, специалист по данным JGI Стивен Арендт. — Это похоже на подход JGI к «микробной темной материи» — виды существуют, но не растут на чашках Петри».
Подход одноклеточной геномики применили к восьми грибам, семь из которых относятся к ранним ветвям: Cryptomycota, Chytridiomycota и Zoopagomycota. Шесть из семи являются микопаразитами, то есть грибами, атакующими другие грибы. Их споры выделяли для анализа после выращивания в совместной культуре с хозяевами. «Такой микопаразитический образ жизни может быть причиной, по которой эти виды не культивируются», — отметил Арендт.
Анализ геномов шести микопаразитов показал отсутствие генов, необходимых для ключевых метаболических путей (например, связанных с тиамином, мочевиной и сульфатом), что может затруднять их культивирование. Джеймс отметил, что выбранные для исследования грибы представляют широкий спектр стратегий микопаразитизма и большой эволюционный промежуток, поэтому команде было сложно выявить новые наборы генов, характерные для этого образа жизни.
Исследование демонстрирует, что подход с одной клеткой осуществим для так называемой «грибной темной материи». Отдельные клетки дали от 6% до 88% генома, но объединение данных от нескольких клеток позволило собрать геномы с полнотой от 73% до 99%.
Дальнейшие перспективы
Описано около 2000 видов ранних ветвей грибов и около 120 000 видов Ascomycota и Basidiomycota. «Мы описали, возможно, 5% грибного разнообразия, и сейчас мы в эпохе, когда можем начать изучать недостающую часть», — сказал Джеймс.
Подход одноклеточной геномики будет применен в рамках предложения для Программы поддержки научных сообществ JGI, которое возглавляет Джеймс. Оно включает 50 неизвестных ранних грибов из водных сред.
«Эта работа доказала, что подход одноклеточной геномики может реконструировать почти полные геномы грибов и дать представление о филогенетическом положении и метаболических возможностях разнообразных некультивируемых видов из образцов окружающей среды, — согласился руководитель грибной программы JGI и соавтор Игорь Григорьев. — Наличие последовательностей геномов и метаболических реконструкций широкого разнообразия некультивируемых грибных видов позволяет нам лучше понять эволюцию грибов и расширить каталоги генов, ферментов и путей для науки и приложений DOE».