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十博入口:[科学网]颠覆沿用近200年形态学分类系统,她用近十年帮“毛孩子”认“家门”

作者: 发布时间:2022.05.27 文章来源:
 
半裸腐质霉Humicola seminudaa 受访者供图

短枝橙冠毛壳Chrysocorona lucknowensis 受访者供图

“我正在拜读您的大作,我很好奇您是如何做到让这些真菌看上去如此美丽的,简直就是艺术品!”荷兰皇家科学院Westerdijk真菌研究所所长Pedro Crous在最近的一封邮件中向中科院十博入口(以下简称十博入口)副研究员王雪薇写道。

Crous所指的“大作”是近日王雪薇发表于《真菌学研究》的一项研究,其中展示了形态各异的毛壳科真菌,包括多个嗜热种。它们的孢子或圆或方或尖,被卷曲或舒展的茸毛包裹着,呈现出生物多样性之美。

王雪薇对毛壳菌的研究始于其“高颜值”。随着研究的深入,她逐渐发现该真菌的分类系统存在的错乱和缺陷。给这些漂亮的“小家伙们”找到家,就成了她过去近十年最大的心愿。

“用工作建立信任 ”

2013年,已准备好赴美公派访学的十博入口博士王雪薇收到一封“意外”来信:原荷兰微生物菌种保藏中心(2016年左右改名为WesterdijK真菌研究所)时任主任Crous邀请她到该中心研究世界范围内的毛壳科真菌。

这让王雪薇兴奋不已。重建毛壳科真菌分类系统,这是她的梦想。

做博士毕业论文期间,王雪薇在分离土壤真菌样本过程中,发现让她“眼前一亮”的毛壳菌。它们不仅漂亮,而且应用潜力巨大,她的研究兴趣油然而生。

但毛壳科分类学仍存在不容忽视的问题——根据形态分类的主观人为性;专注于无性繁殖的片面性。

“毛壳菌科下有属,属下有种。最早的形态分类认为附属毛长得相似就是‘一家人’,但这种表面特征具有很大的迷惑性。”王雪薇对《中国科学报》说。

根据这种分类法,子囊果有孔,且附属毛发育良好的种全部归入模式属——毛壳属;而子囊果无孔无毛,或毛不发达的种都归入梭孢壳属,导致这二者成为当时科内最大的两个属。上世纪90年代基因测序技术的普及对此提出了挑战。

同时,自1817年第一个种——球毛壳被发现起,陆续有400多个种被描述,至少8部形态分类专著出版,但无一例外,都仅专注于有性繁殖种。分子证据证明,至少有7个无性繁殖属是毛壳科成员,但它们在科内的位置及其与有性繁殖种间关系不明。

正当做完博士毕业论文的王雪薇苦于缺乏权威模式菌株而不得不转变研究方向时,看到她研究论文的Crous送来了“一场及时雨”。

CBS建立了全球最大、最完整的毛壳科真菌资源库。早在上世纪80年代,Crous就意识到形态分类存在问题,并在全球寻找解决这一问题的人,一直未果。

一个名不见经传的中国年轻人能担当得起这个重任吗?

对此,荷兰真菌研究所的态度一开始是打折扣的。最初他们邀请加拿大的毛壳科专家Adrian Carter团队与王雪薇一起合作解决这一难题,却被对方以“资历不对等”一口回绝。因为尚未建立完全的信任,该所未将保藏的菌种拿出来,只是允许王雪薇进入菌种DNA库。

“作为一个中国人,我一定要争口气,把它做出来。”王雪薇想。她没有沮丧,反而另辟蹊径,走出一条捷径。

根据在国内积累的经验,王雪薇找出所有相关菌株的DNA,开始了测序工作。四个月后,在CBS的一栋两层科研楼里,一张张A3纸黏起来的基因系统发育树从二楼铺到了一楼—— 一棵硕大的毛壳科真菌的“家谱树”建成了。它清晰地显示出形态分类系统的错误和存在的问题。

这让Crous等专家特别兴奋。经过讨论,王雪薇开始利用实物资源进行模式菌株(一个种首个被发现和描述的代表性菌株)的研究。在公派访学一年即将结束时,CBS又“自掏腰包”,请她接着做来自全球不同国家室内环境的毛壳菌。

“用自己的工作建立别人的信任是最牢靠的。”王雪薇回忆这段经历时笑言,一开始的“不被信任”反而让她走对了路子,否则从一个个菌种做起来反而没有那么快。

归国后,王雪薇在分类学方面的基础研究也得到了十博入口和真菌学国家重点实验室的大力支持。“只要下定决心一步步把工作做实在,就一定能得到认可。”她说。

王雪薇在实验室。 受访者供图

帮“毛孩子”找到“家”

利用近10年的时间,王雪薇和团队对CBS保存的来自全球各地的一千多株菌进行了系统分析,采用多基因系统发育分析等综合研究方法,他们一一纠正了传统形态分类系统的错误,帮这些“毛孩子们”认清了“家门”。

“这项工作就像整理一座混乱的图书馆,了解每本书籍的内容,为每本书找到合适的位置,方便后人取阅。”王雪薇比喻说。

传统的形态分类系统包括20个属,而且无法反映种属间的进化关系。王雪薇研究团队建立的毛壳科现代分类系统包含50个属,其中23个属是她们团队建立的。她们同时对科内15个已知属进行了重新定义或修订,并建立了1个新科——柄孢壳科。

例如,研究证明原来依据形态被纳入毛壳属的种,实际上分散在22个彼此不相关的属中。原梭孢壳属的模式种——基生梭孢壳被证明属于与毛壳科亲缘关系很远的黑孢壳目,是一个真菌寄生种。原梭孢壳属内的其他种都是腐生的,分别分散在毛壳科的11个属及毛壳科的姊妹群柄孢壳科内的一个属。

研究将无性繁殖的7个属纳入毛壳科,澄清了科内无性繁殖种和有性繁殖种间系统发育关系,让该科的真菌有了完整的生活史。

新建立的分类系统中还追踪了毛壳科的“前世今生”,认为该科是一个单系群(单元内包含且仅包含毛壳科的共同祖先及其所有后代),科内的50个单系属至少在2700万年前就分化形成。其中的嗜热种分别属于7个不同的属,至少在3000万年前就与非嗜热种分离,形成了独立谱系。此外,研究人员还发现全球室内环境中毛壳科真菌的物种多样性,包含33个种,其中最常见的室内污染种为球毛壳(如室内墙面或纸张受潮后留下的小黑点)。

这些研究结果颠覆了已被沿用近200年的形态学分类系统,建立了趋于自然,能够反映不同属、种间进化关系的毛壳科现代分类系统,先后发表于《真菌学研究》等期刊。

自荷兰微生物菌种保藏中心真菌学家von Arx 等1986年发表最后一部有关毛壳科的形态分类专著后,该科分类学研究几乎停滞,近30年间仅发表新属4个,新种十余个。王雪薇和合作者的研究激活了毛壳科的现代分类学研究,仅2018~2021年间国外其他研究者就建立新属6个。

这些研究让王雪薇得到了该领域国内外的认可。曾经拒绝与她合作的Carter也成为王雪薇的合作伙伴。他表示相关研究读起来“欲罢不能”,甚至在审稿时48小时就给出了对论文的审稿意见。

“这一系列高水平文章,在世界范围内展现出对毛壳菌科这样一类兼具理论和广泛应用前景真菌资源的系统发育研究,取得具有系统性和显著创新性的可喜成果。”中科院院士庄问颖评价说,研究团队以持之以恒、勇于探索、坚韧不拔的科学精神向真菌学界证明,“世上无难事,只要肯攀登”。

黑顶毛枝霉Trichocladium acropullum 受访者供图

拟柔菊毛壳Chrysanthotrichum allolentum 受访者供图

    “美图”助力资源挖掘

除了帮着“认门”,王雪薇还热衷于给“毛孩子们”拍美图。她对毛壳科近200个种进行了重新描述,并配以高质量形态图片,其中许多图片曾连续数年登上CBS的圣诞卡和挂历。

毛壳科真菌的子囊果形态各异,结构复杂,果内形成束生的子囊包裹着孢子,孢子中还有芽孔。为了真实而完整展现毛壳菌的形态特征,王雪薇可谓绞尽脑汁。

为呈现立体效果,她会连续拍摄不同层位,最后叠加出立体照片;为拍出子囊果连毛带孢子的完整清晰照片,她摸索出一种温和加热方式,让真菌的毛在镜头下逐渐自然舒展;因为子囊形成后很快会消解,绝大多数研究只描述子囊而鲜见其照片,她跟踪观察了子囊果的发育过程后找出子囊果刚刚形成的阶段来抓拍子囊……

旋丝暗领毛壳Collariella bostrychodes 受访者供图

血色毛壳Chaetomium cruentum 受访者供图

王雪薇希望,这些美图能够帮助需要者依据形态快速识别毛壳科内的相关种,趋利避害,助力资源挖掘。

据介绍,绝大部分真菌喜欢生活在25~30℃的常温下。目前,工业真菌产生的纤维素酶也只能在常温下保持高活性,工业生产中过程非常容易被其他真菌污染,而温度稍高这些酶的活性就会出现断崖式下降。

“真菌中嗜热种类不多,目前不超多30个,大部分恰恰都在毛壳科里。”王雪薇说,这些种所产的酶在50℃~70℃高温下表现出最高酶活,是新型工业热稳定酶的重要储备库。”

毛壳菌也是纤维素酶和生物活性代谢产物的资源库。迄今已发现科内物种产生的不同结构次生代谢产物有400多种,它们多数具有抗肿瘤、抗疟疾、抗真菌、抗细菌、细胞毒性、酶抑制剂等生物活性。

毛壳菌还是常见的室内污染真菌,可引起过敏等健康问题,少数种可直接侵染免疫健全人的表层组织,个别种可侵入免疫缺陷病人的大脑中枢、肺等深层组织,引起致死性感染。其少数种被发现可产生致癌的黄曲霉毒素前体——杂色曲霉素。

因此,王雪薇表示,毛壳菌将有助研制新一代酶制剂生产菌,提高人类生活品质和提高生产效率。

采访最后,她建议加强传统分类学的民众参与程度。比如CBS等西方科学机构为促进真菌分类学研究提出的民众科研项目,鼓励全国不同的家庭采集土样邮寄给科研院所进行检测,如果分离出新种将由参与者为其命名,  不仅促进了新物种的发展,还普及了真菌知识,一举多得。

相关论文信息:

https://www.studiesinmycology.org/sim/Sim101/a1_sim_vol101_art3.pdf

https://doi.org/10.1016/j.simyco.2018.07.001

https://doi.org/10.1016/j.simyco.2019.08.002

https://doi.org/10.1016/j.simyco.2016.11.005

https://doi.org/10.3767/003158516X689657

 
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