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鲁东大学程显好团队在蛹虫草单交配型菌株的生物学和杂交特性及无性传代导致菌株快速退化的机制研究方面取得新进展

2024-07-10 15:060

改革开放40多年以来,我国食用菌产业飞速发展,子囊菌类群的食用菌(如蛹虫草和羊肚菌)品种的快速发展,是我国近20年来产业创新的重要标志,因其生产技术的独特性和先进性,被商务部、科技部列为禁止出口和限制出口技术。

国际上食用菌产业的育种基础理论体系主要是以“担子菌”为对象建立的,而子囊菌作为低等真菌向高等真菌进化中间阶段的真菌类群,其细胞核有了不同交配型的分化,但还没有像担子菌一样,两种不同交配型的细胞核迁移到同一细胞内,以锁状联合的细胞繁殖方式形成稳定遗传的双核结构,表现在生产应用上的遗传学特性和稳定性与担子菌明细不同。当前对于子囊菌类群的食用菌品种的基础生物学研究还不够深入系统,导致其基础育种理论体系不完整,特别是菌种退化等问题长期困扰着生产稳定性,影响了产业健康发展。

鲁东大学程显好教授在第十二届全国食用菌学术研讨会上作题为蛹虫草育种基础生物学问题及新品种选育的报告

近期,鲁东大学程显好团队在分别Archives of Microbiology、PeerJ和食用菌学报发表文章“Biological characteristics of Cordyceps militaris single mating-type strains”、“Effects of mating-type ratio imbalance on the degeneration of Cordyceps militaris subculture and preventative measures”和“蛹虫草单交配型菌株配对出菇特性”,揭示蛹虫草单交配型菌株的生物学和杂交特性及菌株无性传代快速退化的机制,可助力产业建立蛹虫草杂交育种体系、解决菌株传代退化问题。

1、蛹虫草单交配型菌株的生物学和杂交特性

自然界中蛹虫草菌丝体或孢子体中,一般都是含有两种不同交配型细胞(mat1-1型和mat1-2型)的异核体体系,为“双交配型”菌丝体或菌株,也只有含有两种不同交配型细胞的异核体,才能完成完整的有性生殖过程,产生子囊孢子。菌丝体或菌株如果在某种条件下,缺失了一种交配型细胞核,成为只有单一交配型细胞核的同核体(mat1-1型或mat1-2型),就是“单交配型”菌丝体或菌株,自然界中这种菌丝体或菌株大部分不能形成子实体,但也有“单交配型”菌丝体或菌株发生变异,能够形成子实体,却也不能完成完整的有性生殖过程,即不能产生子囊孢子。

按照单交配型菌株能否出菇特性,可以将单交配型菌株分为三个类型:不出菇型、非稳定出菇型和稳定出菇型,见图1A。大多数为不出菇型,少部分为不稳定出菇型,极个别为稳定出菇型(图1B、图1A)。从非稳定出菇型子实体中,通过组织分离获得纯菌株,再次进行子实体栽培出菇验证(图2B),会出现不出菇和不稳定出菇两种现象,所以称为非稳定出菇。

 

图1 单交配型菌株的3种出菇类型、稳定出菇的单交配型菌株子实体形态及生物转化率

A单交配型菌株的出菇类型:①:不能出菇型;②:非稳定出菇型;③:稳定出菇型

B CMDB01、CMSY01、CMJB02单交配型菌株的子实体形态 C CMDB01、CMSY01、CMJB02单交配型菌株的子实体生物转化率 注意:数据采用邓肯多重比较分析,不同字母表示显著差异(P<0.05),下同。  

 

图2 CMXF07、CMXF09、CMMS05单交配型菌株及不稳定出菇型菌株的出菇稳定性验证

A CMXF07、CMXF09、CMMS05的单交配型菌株出菇验证(a:CMXF07;b:CMXF09;c:CMMS05)B不稳定出菇的单交配型菌株出菇稳定性验证

目前蛹虫草行业的生产菌株既有双交配型出菇型菌株(含mat1-1型和mat1-2型,有子囊孢子产生),也有单交配型出菇型菌株(mat1-1型,子座表面光滑,无子囊孢子产生)。从采集的野生标本中,也分离到了多株单交配型出菇型菌株,既有mat1-1型,也有mat1-2型,形态上也表现出多态性,见图3。通过杂交手段,可通过mat1-1型单交配型出菇型菌株,与其他mat1-2菌株(不出菇型)杂交,在杂交子代中获得mat1-2型单交配型出菇型菌株,反之亦然。

图3 6株供试菌株的出菇验证

(A:CMDB01;B:CMSY01;C:CMJB02;D:CMXF07;E:CMXF09;F:CMMS05,第二行是其子实体显微结构图)

双交配型出菇型菌株分离获得的不出菇或非稳定出菇的MAT1-1型菌株和MAT1-2型菌株,呈现出杂交可育特性,即两种交配型同时存在时,不但可以结实,而且可育形成子囊果,产生子囊孢子。单交配型出菇型菌株分离获得的稳定出菇型单交配型菌株,有的表现为杂交可育,有的表现为杂交不育(图4)。

  

图4 CMDB01、CMSY01、CMJB02与CMMS05单交配型菌株配对杂交子实体形态

稳定出菇的单交配型菌株菌丝生长速度比不出菇和非稳定出菇的单交配型菌株更快。双交配型出菇型菌株分离出的MAT1-2和MAT1-1型菌株的生长速度,和两种交配型的比例呈正相关,即比例高的单交配型菌株生长速度更快。MAT1-2型菌株菌丝体腺苷产量与MAT1-1型菌株相比更为稳定,稳定出菇型、非稳定出菇型和不出菇型菌株在虫草素含量方面没有显著性差异,但在CMXF09和CMMS05两个菌株,其MAT1-2型菌株虫草素含量明显高于MAT1-1型菌株。

2、蛹虫草无性传代导致的菌株快速退化机制

以6株不同蛹虫草菌株为研究对象,采用原始菌株传代和拆分成不同交配型菌株后分别传代两种方式,连续传代10代以上,测试出菇性能及两种交配型比例变化情况。

 

对于双交配型出菇型菌株,某种交配型核型的丢失或者两种交配型比例偏离是出菇性状快速退化的主要原因,丢失一种交配型核型导致不出菇;两种交配型比例偏离可导致产量性状变化。发生哪种核型丢失、核型比例偏离向哪个方向发展,都是随机性的。对于单交配型出菇型菌株,则其传代稳定性较强,传代至11代能正常出菇。

  

两种交配型菌株接种比例从1:9到9:1的不同条件下,对产量的影响因菌株而已,即有的菌株敏感,有的菌株不敏感。

 

所以对于双交配型出菇型菌株,生产上拆分成两种单交配型菌株分别传代、分别制种,生产使用前再混合的传代和用种方式,能够有效解决菌株在传代过程中的出菇性能快速退化问题;选育产量性状对交配型比例不敏感的菌株,以及传代稳定、不易发生交配型丢失的菌株,是蛹虫草育种的重要方向;定向选育单交配型出菇的特殊菌株,也是有意义的育种路线。

中国菌物学会 2024 年学术年会将于8 月 23—26 日(23 日会议报到,26 日离会)在福建省福州市福州数字中国会展中心(福州市长乐区东湖路 35 号)举办,会议同期举行组学时代食用真菌遗传学研究范式研讨会。诚邀广大菌物学的同仁们互相交流,碰撞思想。诚邀广大菌物学的同仁们互相交流,碰撞思想。

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