大规模多组学谱系图揭示了环境与进化驱动的真菌系群地理与代谢多样性

为什么隐藏的真菌化学很重要

世界上一些最严重的食品与健康威胁往往是看不见的。生活在土壤和农作物上的微小真菌可以合成强效化学物质，污染食物、破坏收成，甚至引发致命感染。最臭名昭著的罪魁之一是黄曲霉（Aspergillus flavus），这是一种常见霉菌，可产生黄曲霉毒素——一种强效的肝致癌物。该研究以前所未有的规模绘制了不同环境与进化历史如何塑造全球范围内黄曲霉的地理分布与化学特征，并探讨了这在变暖世界中的未来风险含义。

追踪一种霉菌的全球足迹

研究者收集了来自四大洲的超过一千株黄曲霉菌株，来源包括土壤、农作物和患者样本，其中超过500株来自中国多个气候区并为本研究新测序。通过基因组测序、化学谱分析和基因表达测量，他们构建了该霉菌的详细家系树。该树显示出八个主要的遗传亚群（或分支），其中一些与特定区域和气候紧密相关。来自临床感染的菌株往往聚为一类，暗示某些谱系特别适合感染人类，而另一些则更扎根于环境生态位，例如特定土壤或寄主植物。

高危区、低危区与毒素风险的变化

将这一遗传图与气候和地理数据叠加后，团队发现了毒素产量的明显地理格局。来自较暖、低纬度地区——尤其是中国南部和中部的菌株——更可能产生高水平的黄曲霉毒素。较冷的高纬度地区则倾向于富含产生很少或不产生黄曲霉毒素但常产生其他霉菌毒素（如环吡唑酸）的菌株。这意味着就黄曲霉毒素而言被认为“更安全”的菌株，在化学上依然可能以其他方式具有危险性。研究还显示，某些来自与临床分离株同一分支的环境菌株携带已知致病基因的额外拷贝，表明无害的田间真菌与人类病原体之间的界线可能很薄。

真菌的工具箱内部

为了解驱动这些差异的因素，科学家们检查了该真菌制造专用化学物质的遗传工具箱。他们构建了一个包含超过15,000个基因的“泛基因组”，将几乎所有菌株共有的稳定核心与在群体间变化的大量灵活性辅助基因区分开来。许多可变基因属于生物合成基因簇——编码合成特定分子所需酶的DNA片段。令人意外的是，这些基因簇的差异仅能部分解释为何某些群体比其他群体产生更多黄曲霉毒素或其他毒素。许多看似完整的黄曲霉毒素簇的菌株产生的毒素很少，而一些低黄曲霉毒素谱系则在其他、较少表征的化学家族上投入甚多。

调控因子、代谢与气候的烙印

更深层的解释在于基因如何被调控以及真菌如何通过代谢通路分配能量和构件。生活在不同气候下的群体在感知光照、温度、营养与pH的调控基因以及参与基础能量途径（如糖类分解与脂肪酸合成）的基因上呈现出不同模式。通过将遗传变体、本地气候与土壤测量值以及代谢物谱之间进行统计关联，作者显示诸如温度、湿度、降雨量、土壤pH与体积密度等环境因子持续偏好某些调控与代谢基因组合。在实验室中敲除选定的调控基因会导致毒素产生发生巨大变化，经常使高黄曲霉毒素菌株的化学谱变得类似天然低黄曲霉毒素群体。这表明气候驱动的选择作用通过调控子和核心代谢可以在不对毒素合成簇进行重大改变的情况下重塑真菌的化学生产。

这对食品安全与未来意味着什么

综上所述，结果表明黄曲霉并非简单地在“有毒”和“无毒”形态间切换。相反，它携带一个广泛的化学工具箱，该工具箱通过当地环境对辅助基因、调控回路和初级代谢的调整而被调谐。随着全球变暖导致气候带移动，研究提示偏好温暖与潮湿环境的高毒性分支可能扩展到新地区，而作为生物防治剂使用的非黄曲霉毒素菌株自身也可能携带其他较少被监测的毒素。对普通读者而言，关键讯息是：我们食物的安全性与真菌疾病风险与气候和土壤条件紧密相连——预测和管理这些风险将越来越依赖于理解真菌在自然栖息地中的隐藏化学特性。

引用: Xie, H., Hu, J., Zhao, X. et al. Large-scale multi-omics profiling reveals environmental and evolutionary drivers of fungal phylogeographic and metabolic diversity. Nat Commun 17, 4121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70721-8

关键词: 黄曲霉毒素, 黄曲霉（Aspergillus flavus）, 霉菌毒素, 气候变化, 真菌基因组学