中研院追溯基因演化史 全球首發真菌發光論文

夏夜除了螢火蟲，有些野菇蕈類也會在樹下散發着微微冷光，但蕈類發光原因一直是演化學家好奇的問題。(中研院提供／李侑珊臺北傳真)

中央研究院生物多樣性研究中心副研究員蔡怡升研究團隊，追溯基因演化史，發表全球第一份真菌發光論文。(中研院提供／李侑珊臺北傳真)

夏夜除了螢火蟲，有些野菇蕈類也會在樹下散發着微微冷光，但蕈類發光原因一直是演化學家好奇的問題。中央研究院生物多樣性研究中心副研究員蔡怡升最新研究指出，蕈類最早的發光基因簇始於1.6億年前，團隊也發現這些基因的特殊演化機制漸淘汰，研究使用我國物種解開生態謎題，有助發光基因轉殖於植物應用。論文在11月獲《美國國家科學院院刊》（PNAS）刊登，並被選封面故事，爲全球首篇探討真菌發光基因演化的學術文章。

蔡怡升表示，真菌生物特徵的展現，不只由單一一個基因所控制，大多是被基因簇所調控。俄國科學家在2018年已發現蕈類發光的主要基因簇，但基因體結構及其演化歷史還有待探索，若能掌握完整的基因體，並研究其變異的歷史，便有機會更全面地探討蕈類調控發光的機制、目的及意義。

小菇支系（Mycenoid lineage）是世界三大含有發光真菌的支系之一。針對小菇支系，研究團隊採集了我國4種發光及1種不具發光的物種，解序其基因體。小菇支系具有約600個物種，但僅11％具發光特性。

蔡怡升研究團隊發現，相較於其他支系，小菇支系的基因體大小差異特別大。其中，在較大的基因體裡，能促進基因體擴大的跳躍基因——轉位子（transposable element）也較多，而負責抑制轉位子的甲基化（methylation）則被稀釋，因此基因體演化出高變異性且不斷擴大。

沿着基因線索往前追溯，再透過化石資料校正及分析42個菇類總共五十萬多個基因，團隊推估出世界上第一株發光蕈類，應出現於距今1.6億年前的侏羅紀。接着在其後的白堊紀 （距今約1.4億年前）分化出小菇支系，正值開花植物大量出現在地球的時期。

團隊推測，這些植物提供的多樣棲地或營養源的出現，加上小菇支系本身擁有的高變異基因體，促使小菇支系演化出分解不同死亡植物或與植物共生的多樣物種。但因爲小菇支系的發光基因簇位在高變異的位置，在演化過程中被不斷重組，部分蕈類發光的功能也因此漸漸被淘汰，導致現今存在的發光基因也就散落在不同分支。

而目前之所以還有發光蕈類存在，可能是因爲其冷光剛好對適應環境有所幫助，例如，可透過光線吸引昆蟲啃食、幫助散播孢子。

其實，發光蕈不是永遠都在發光，不同組織及發育階段也有不同的發光程度。有些只在菌絲髮光，有些則在成熟子實體的柄或蕈蓋發光。研究團隊本次也發現，在不同發育階段及組織，有另外54個基因的表現量都跟着發光基因簇一同改變。代表這些基因可能正調控着真菌的發光程度。若能進一步掌握其調控，將有助瞭解真菌調控發光的生態意義。

目前這些發光蕈類的基因可以活用於各領域，例如可用於追蹤體內轉殖之癌細胞，或透過創造能自體發光的植物或環境污染的生物感測警示器。此外，有些小菇屬真菌會導致咖啡產生葉斑病，或本身是開花植物的營養來源，持續探索這些蕈類的基因體，都有助於提升生物資源的利用。

論文第一及共同作者柯惠棉博士表示，這是全球第一個發表的小菇支系完整基因體的研究。除了有助於瞭解生物在面對不同環境的生存策略，也提供了研究的藍圖。未來，研究團隊將進一步探討物種調控發光的機制。

蔡怡升也強調，雖然臺灣目前對蕈類的研究着重於食用或藥用功能，但發光蕈的應用已愈發成熟且備受重視，本次研究定序的5個物種皆在臺灣採集，如目前僅在臺灣發現的墾丁小菇及金星小菇等，也將成爲國際間研究真菌的重要基因體資源。

本研究由中研院前瞻計劃及科技部支持，通訊作者爲本院多樣性研究中心蔡怡升副研究員及柯惠棉博士後研究人員。其他多樣中心的參與者包含：協助基因體分析的李昕翰、林展伊、劉育菁、陸敏；實驗設計參與者爲呂美曄、李政怡、張瓊之；中研院植物暨微生物學研究所陳柏仰副研究員、謝若微；中興大學的高孝偉教授爲臺灣多種發光小菇的發現者併爲此研究打下基礎；期刊封面照片爲屏東科技大學陳彤恩同學提供。