Ancient sex compatibility genes underlie tissue differentiation in mushrooms
这项研究揭示了真菌子实体拥有由古代交配信息素和受体基因的共选作用所调节的正统组织，展示了选择如何驱动不同细胞结构的生物体之间复杂多细胞性的趋同进化。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
复杂的生命通常依赖于一种蓝图。在动物和植物中，一个受精细胞通过分裂并自我组织，形成一个成体的微缩版本，拥有像心脏、叶片或根部这样截然不同的器官。这一过程被称为胚胎发生，它创造了执行特定功能的专门化组织。然而，真菌构建其复杂结构的方式则完全不同。真菌不是通过细胞分裂来形成器官，而是生长出长长的、丝状的管状结构，称为菌丝，这些菌丝向外分支并交织在一起。几个世纪以来，科学家们一直在争论这些由丝线编织而成的菌毯（即蘑菇）是否拥有具有专门功能的真正组织，或者它们仅仅是相似细胞的松散集合体。这个问题之所以难以回答，是因为这些丝线是微观的，且结构极其微小，使得人们很难观察到蘑知道蘑菇的一个部分在遗传上如何不同于另一个部分。
研究人员现在已经以前所未有的细节水平绘制了蘑菇的遗传活动图谱，揭示了这些真菌结构确实拥有真正的组织。通过研究常见的墨帽真菌（common ink cap mushroom），他们发现果实体的不同区域会开启独特的基因集，从而创造出截然不同的功能区，就像人类体内的器官一样。最令人惊讶的是，控制这些蘑菇寻找配偶的遗传系统，竟然就是指导其组织生长的同一套系统。这表明，进化重新利用了一种古老的交配信号，来解决如何从简单的丝线构建复杂多细胞结构的复杂问题。
为了揭示这些隐藏的模式，研究人员转向了一种模型蘑菇——灰黑拟真菌（Coprinopsis cinerea）。他们首先在受控环境中培育这种真菌，并等待其形成微小的发育中果实体。利用一种称为激光捕获显微切割的技术，他们将蘑菇切成极薄的切片，并使用激光分离出特定的、微观的组织区域。他们收集了九种不同类型的组织样本，范围从保护性的外皮到产生孢子的内部核心，涵盖了从生长早期到接近成熟的蘑菇阶段。由于样本非常微小，团队不得不开发专门的方法来提取并测序RNA，因为RNA记录了哪些基因在每个特定位置是活跃的。
所得出的遗传图谱显示了清晰的分工。研究人员发现，保护脆弱内部结构的蘑菇外层表达了与防御和抗水性相关的基因。这些区域产生的蛋白质可以抵御水分并驱逐昆虫或其他真菌。相比之下，构成菌盖、菌柄和菌褶的内部核心组织，则忙于涉及快速生长、能量生产和细胞分裂的基因。产生孢子的菌褶展现出了一种独特的遗传特征，专注于DNA修复与复制。这种遗传活动的清晰分离证实了蘑菇的不同部分不仅在物理上是截然不同的，而且在功能上是专门化的，作为具有专门职责的真正组织在运作。
最出人意料的发现出现在研究人员寻找控制这种分化的“主开关”时。他们发现，在特定组织中最为活跃的基因，并不是那些通常与动物或植物发育相关的基因。相反，关键的调节因子是与交配相关的基因。在真菌中，交配通常发生在果实体形成之前，即两条兼容的菌丝融合之时。这一过程依赖于被称为信息素（pheromones）和受体的化学信号，使菌丝能够识别伙伴。研究表明，这些信息素和受体基因，以及帮助处理它们的酶，在蘑菇生长过程中的特定组织中被激活。
为了证明这些基因确实在驱动组织的形成，研究人员创建了禁用特定交配基因的突变版本蘑菇。当移除这些基因时，蘑菇无法正常发育。一些突变体长出的菌盖畸形或粘连在一起，而另一些则完全无法形成菌褶。在某些情况下，蘑菇在极早期阶段就停止了生长。这些结果证明，交配系统不仅仅是过去的遗留物，而是构建蘑菇的活跃必需品。研究人员得出结论，进化劫持了这一古老的通信系统——该系统最初用于帮助菌丝寻找彼此——转而用于帮助菌丝将自身组织成复杂的、多细胞的结构。
这项研究还观察了这些遗传模式在数百万年间是如何变化的。通过将蘑菇的基因与其他真菌进行比较，团队发现负责组织专门化的基因非常古老，可以追溯到数亿年前。然而，利用这些基因构建组织的方式似乎是一种较近期的创新。研究人员观察到，随着蘑菇的发育，遗传活动变得更加保守，这意味着后期阶段依赖于更古老、更稳定的遗传程序。这种模式与动物不同，在动物中，早期阶段往往是最保守的。在蘑菇中，最后出现的组织——菌褶，表达的是最古老的基因集，这反映了它们作为孢子生产主要场所的角色。
这项工作为蘑菇如何构建其复杂形状提供了第一个清晰的遗传学解释。它表明，尽管生长于简单的丝线之上，这些真菌仍能实现与动物和植物相当的组织水平。研究结果表明，形成复杂组织的能力并不局限于通过细胞分裂生长的生物，也可以出现在通过延伸丝线生长的生物中。通过重新利用古老的交配系统来控制发育，蘑菇找到了构建多细胞身体体的独特解决方案。这一发现弥补了我们对复杂生命如何进化的理解鸿沟，表明自然界可以通过截然不同的遗传路径，达成相似的解决方案——即专门的组织和器官。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。