在自然和人工堆肥系統中，耐熱真菌是極為重要的菌群成分，廣泛存在于腐爛的干草、儲存的谷物、木屑覆蓋物、鳥(niǎo)類(lèi)和動(dòng)物的筑巢材料、市政垃圾以及自我加熱的有機物堆積中。這類(lèi)真菌還是探索天然產(chǎn)品的潛在資源，能夠豐富中溫真菌和細菌的代謝產(chǎn)物庫。

云南大學(xué)生物資源保護與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室的牛雪梅教授領(lǐng)導的研究團隊，自2007年起便致力于研究耐熱真菌的次級代謝產(chǎn)物及其生物活性和自然功能。2010年初，該團隊報道了一種主要耐熱真菌——杜邦熱菌，它能夠產(chǎn)生一類(lèi)新的萜類(lèi)吲哚生物堿（PIAs），這些生物堿具備一種長(cháng)期被假設為復雜PIAs關(guān)鍵前體的顯著(zhù)結構特征。

本研究旨在探究杜邦熱菌為何能產(chǎn)生此類(lèi)PIAs。研究團隊特別關(guān)注PIAs基因簇中的兩個(gè)P450基因，因為P450酶能夠修改并轉化次級代謝物，生成多樣化和復雜的代謝產(chǎn)物。然而，迄今為止，P450基因的生態(tài)重要性仍不甚明了。意外的是，生物信息學(xué)分析顯示，其中一個(gè)P450基因是一個(gè)獨特的融合基因P450L，編碼兩個(gè)功能域，而這兩個(gè)功能域在其他真菌中通常由兩個(gè)獨立的基因分別編碼。

研究團隊建立了耐熱型CRISPR/Cas9系統，并成功構建了兩種P450基因的突變體。經(jīng)過(guò)代謝分析和詳細的化學(xué)研究，他們發(fā)現這兩個(gè)P450基因在形成簡(jiǎn)單PIA衍生的鐵螯合劑、增強簡(jiǎn)單PIAs至復雜PIAs以及生成有效鐵螯合劑方面具有多重功能。出乎意料的是，融合基因P450L還在形成源自新復雜PIAs的更為復雜的鐵螯合劑中扮演了額外的角色。

圖片信息：P450基因在異戊基吲哚生物堿化學(xué)修飾和嗜熱真菌適應冷脅迫中的多重功能。

此外，研究人員還評估了突變體中的鐵含量，發(fā)現P450介導的代謝物改變有助于提升Fe2+水平，同時(shí)降低Fe3+水平，從而在低溫壓力下提高耐熱真菌中Fe2+/Fe3+的比例。這一變化調控了菌絲體中的線(xiàn)粒體含量和脂質(zhì)形成，并促進(jìn)了健壯的分生孢子梗形成，從而有助于耐熱真菌孢子在低溫環(huán)境下生存。

溫度作為環(huán)境中的基本且限制性因素之一，在地球表面生物的生存和分布中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。隨著(zhù)全球極端氣候變化的日益嚴峻，關(guān)于生物適

應和抗御溫度變化的研究引起了越來(lái)越多的關(guān)注。本研究中激動(dòng)人心的新發(fā)現可能解釋了為什么具有顯著(zhù)減少的基因組的杜邦熱菌能在其生長(cháng)溫度常低于正常生長(cháng)溫度的生態(tài)環(huán)境中存活。研究表明，這種真菌并不需要許多為不同代謝物家族服務(wù)的生物合成核心基因，P450介導的結構調整足以滿(mǎn)足其在低溫條件下的生存和耐受需求。

牛雪梅教授表示：“這項研究將激勵那些致力于研究結構多樣性的科學(xué)家們去探索修改基因的自然功能，并揭示化學(xué)多樣性背后所有未知的分子秘密。”

雜志：Mycology: An International Journal on Fungal Biology

DOI：10.1080/21501203.2024.2324993