全 文 ：·综述与专论· 2015, 31(2):26-34
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
真菌毒素是天然产生的毒素，主要包括黄曲霉
毒素、镰刀菌毒素、赭曲霉毒素、棒曲霉毒素、玉
米赤霉烯酮等，真菌毒素能够污染几乎所有种类的
食用和饲用农产品，在我国，小麦、玉米、稻谷、
花生等粮油产品受真菌毒素污染情况严重，此外，
奶制品、坚果、干果、香辛料、水果等食品也易受
到污染［1］。由于真菌毒素具有强毒性和致癌性，对
人类和动物健康造成了巨大的威胁［2］。农产品中真
菌毒素污染问题已成为世界各国高度关注的食品安
全热点。因此，合理控制和预防产毒真菌对于保障
农产品安全具有重要意义。真菌基因组的阐明将为
收稿日期 ：2014-11-02
基金项目 ：国家“973”计划项目（2013CB127805），国家公益性行业（农业）科研专项（201203037），科技基础性工作专项（2013FY113400）
作者简介 ：王龑，女，博士，助理研究员，研究方向 ：农产品真菌毒素预防控制 ；E-mail ：wangyan062006@163.com
通讯作者 ：刘阳，博士，研究员，研究方向 ：农产品真菌毒素防控和脱毒理论与技术及其应用 ；E-mail ：liuyang01@caas.cn
产毒真菌基因组研究进展
王龑1，2  刘阳1，2  刘伊宁1 
（1. 中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193 ；2. 农业部农产品加工重点实验室，北京 100193）
摘 要 ： 真菌毒素是产毒真菌产生的次生代谢产物，以木霉、曲霉、毛霉、青霉和根霉为主的丝状真菌是农产品中常见的
产毒真菌。阐明农产品中产毒致病微生物的基因组序列信息是揭示真菌特殊遗传性状的基础。截至 2013 年 12 月，共有子囊菌门
中 204 个种和担子菌门中 62 个种的基因组序列已经测序或公布，它们的基因组大小大部分在 30-40 Mb。整理了部分已完成基因
组测序的具有产毒能力或致病力的真菌基因组信息，并对真菌测序方案、主要产毒真菌及其比较基因组学的研究进展进行了综述。
关键词 ： 真菌 ；真菌毒素 ；农产品 ；基因组 ；比较基因组学
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.02.004
Advances in Studies on Genomics of Toxogenic Fungi
Wang Yan1，2 Liu Yang1，2 Liu Yining1
（1. Institute of Agro-Products Processing Science and Technology，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193 ；
2. Key Laboratory of Agro-Products Processing，Ministry of Agriculture，Beijing 100193）
Abstract ： Mycotoxins, a group of toxins structurally related to secondary metabolites are produced by some fungal strains. It is mainly
produced by filamentous fungi, including Trichoderma, Aspergillus, Chaetomium, Penicillium and Rhizopus, existed in agricultural products.
Illustrating the genome sequence information of the pathogenic microorganisms in agricultural products, is essential to reveal fungal specific
genetic traits. Until to December 2013, a total of 204 species in Ascomycetes and 62 species in Basidiomycete genomic information had been
sequenced or published, genomes size from approximately 30 Mb to 40 Mb. This review here provides an overview of available genomic
information of toxin-producing fungal or virulent fungus, summarizes the recent development in genome sequencing strategies and main fungal
produced mycotoxin, and proposes the future direction of the comparative genomics research on fungi.
Key words ： fungi ；mycotoxin ；agricultural products ；genome ；comparative genomics
真菌特性的分析提供强有力的依据，为揭示真菌特
殊性状的遗传基础和分子机理奠定基础。对于深入
解析种植、生长、运输、储藏过程中产毒真菌菌群
的发生和形成，真菌毒素的合成路径及其调控机制、
产毒真菌与农产品互作、危害储粮品质的机理具有
深远的实际意义。
最近 10 年来真菌基因组学研究发生根本性的变
化，真菌已成为真核生物基因组研究的最佳模式生
物。本研究整理了部分已完成基因组序列测定的具
有产毒能力真菌的信息，并对真菌测序方案、真菌
毒素主要产毒菌及其比较基因组学的研究进展进行
2015,31(2) 27王龑等：产毒真菌基因组研究进展
了综述。
1 基因组研究技术进展
真菌多样性丰富，基因组具有相对较小、重复
序列高、易于突变等特点，因此，真菌基因组的测
序研究是很有必要的。通过真菌基因组学的研究可
以了解真菌各种代谢过程、遗传机制和生命活动所
需要的基本条件，以及微生物特殊功能如致病性的
遗传基础等［3，4］。
真 菌 基 因 组 测 序 分 为 基 因 组 从 头 测 序（De
novo）和基因组重测序（Genome re-sequencing）。基
因组从头测序是指不需要任何现有的序列资料就可
以对某个微生物物种进行测序，利用生物信息学分
析手段对序列进行拼装，从而获得该真菌的基因组
图谱［5］。基因组重测序是对基因组序列已知的真菌
进行基因组测序，并在个体水平或群体水平进行差
异性分析的方法。真菌基因组重测序能够检测全基
因组的罕见变异。
随着科学技术的发展，目前测序技术已经发展
到第三代。第一代 Sanger 测序法，基本原理是基
因组 DNA 经酶切后的片段亚克隆至 2 kb 的小文库
和 10-20 kb 的大文库中。从两端开始对克隆进行测
序（即正义链和负义链），然后组装成连续的叠连
群（Contigs），最终形成完整的基因组［5］。第二代
测序技术的核心思想是边合成边测序（Sequencing
by Synthesis），即通过捕捉新合成的末端的标记来确
定 DNA 的序列，在 Sanger 测序方法的基础上，用
不同颜色的荧光标记 4 种不同的 dNTP，当 DNA 聚
合酶合成互补链时，每添加一种 dNTP 就会释放出
不同的荧光，根据捕捉的荧光信号并经过特定的计
算机软件处理，从而获得待测 DNA 的序列信息。现
有 的 技 术 平 台 主 要 包 括 Roche/454 FLX、Illumina/
Solexa Genome Analyzer 和 Applied Biosystems SOLID
system［6］。这 3 个技术平台各有优点，454FLX 的测
序片段比较长，高质量的读长（Read）能达到 400
bp ；Solexa 测序性价比最高，不仅机器的售价比其
他两种低，而且运行成本也低，在数据量相同的情
况下，成本只有 454 测序的 1/10 ；SOLID 测序的准
确度高，原始碱基数据的准确度大于 99.94%，而在
15× 覆盖率时的准确度可以达到 99.999%，是目前
第二代测序技术中准确度最高的。第三代基因测序
技术即基于纳米孔的单分子读取技术。荧光标记的
脱氧核苷酸被掺入 DNA 链的时候，它的荧光就同时
能在 DNA 链上探测到。当它与 DNA 链形成化学键
的时候，它的荧光基团就被 DNA 聚合酶切除，荧
光消失，合成的 DNA 链和天然的 DNA 链完全一样。
单分子的 DNA 聚合酶被固定在直径只有几十纳米的
纳米孔内，当某一种荧光标记的脱氧核苷酸被掺入
到 DNA 链时，这种特定颜色的荧光会持续一小段时
间，直到新的化学键形成，即荧光基团被 DNA 聚合
酶切除为止［5，7］。第三代测序技术主要有 3 个优势：
一是实现了 DNA 聚合酶自身的反应速度，一秒可以
测 10 个碱基，测序速度是化学法测序的 2 万倍 ；二
是实现了 DNA 聚合酶自身的延续性，一个反应就可
以测非常长的序列，读长达几千个碱基 ；三是测序
精度非常高，达到 99.9999%。此外，第三代测序可
以直接测 RNA 的序列，大大降低体外逆转录产生的
系统误差 ；可以直接测甲基化的 DNA 序列，通过
DNA 聚合酶复制碱基时停顿的时间不同，判断模板
的 C 碱基是否甲基化［7］。
2 常见重要致病真菌基因组信息
随着测序技术的发展和测序服务的普及，大
量真菌基因组陆续完成测序和注释，截止到 2013
年 12 月， 在 NCBI 基 因 组 数 据 库 中 共 有 子 囊 菌
门（Ascomycota） 中 204 个 种 的 基 因 组 序 列 和 担
子 菌 门（Basidiomycete） 中 62 个 种 的 基 因 组 序 列
已经公布。子囊菌门中公布的基因组序列包括盘
菌 亚 门（Pezizomycotina） 的 145 个 种 和 酵 母 亚 门
（Saccharomycotina）的 59 个种。
最早完成测序的种属一般都是具有某一生物
学功能并用于工业化生产的。真菌的基因组测序
工 作 是 从 酵 母 开 始 的， 酿 酒 酵 母（Saccharomyces
cerevisiae）、 粟 酒 裂 殖 酵 母（Schizosaccharomyces
pombe）是食品工业的常见菌，用于面包、酒类生
产 ；粗 糙 脉 孢 菌（Neurospora crassa） 是 生 物 学 研
究 的 模 式 菌 株， 分 别 在 1965 年、1997 年、2002
年 和 2003 年 测 序 完 成［8-10］。 米 曲 霉（Aspergillus
orzaye）和烟曲霉（Aspergillus fumigatus）的全基因
组序列于 2005 年完成测序和注释［11，12］。黑曲霉
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.228
（Aspergillus niger）、 棒 曲 霉（Aspergillus clavatus）、
黄 曲 霉（Aspergillus flavus）、 寄 生 曲 霉（Aspergillus
parasiticus）、构巢曲霉（Aspergillus nidulans）和土曲
霉（Aspergillus terreus）等丝状真菌基因组序列也相
继完成测序和 / 或注释［4，13］。除曲霉属外，产黄青
霉（Penicillium chrysogenum）和链格孢菌（Alternaria
brassicicola）的基因组也陆续完成测序［14］。表 1 列
出了已经完成的一些农产品中常见致病真菌的基因
组测序、注释的相关信息［8-10］。这些真菌的基因组
大小大部分为 30-40 Mb，进一步进行比较基因组学
研究，将有助于了解真菌的生物特性，解决农业、
工业和医学等领域的重大问题。
表 1 农产品中常见致病真菌的基因组信息
物种 菌株 分类 基因组大小 /Mb 在线数据
Alternaria brassicicola ATCC 96866 Ascomycete 30 http ：//www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/?term=Alternaria+brassicicola
Ashbya（Eremothecium） gossypii ATCC 10895 Ascomycete 9.20 GenBank NC_005782 to 89
Aspergillus clavatus NRRL 1 Ascomycete 27.86 GenBank AAKD03000000
Aspergillus flavus NRRL 3357 Ascomycete 36.79 GenBank AAIH00000000
Aspergillus fumigatus Af 293 Ascomycete 29.38 GenBank AAHF00000000
Aspergillus kawachii IFO 4308 Ascomycete 37.11 PRJDA66971
Aspergillus nidulans FGSC A4 Ascomycete 30.07 GenBank AACD01000000
Aspergillus niger ATCC 1015 Ascomycete 37.20 http ：//genome.jgi-psf.org/Aspni1/Aspni1.home.html
Aspergillus niger CBS 513.88 Ascomycete 37.20 http ：//www.dsm.com/en_US/html/dfs/genomics_aniger.htm
Aspergillus oryzae RIB40 Ascomycete 37.12 http ：//www.bio.nite.go.jp/dogan/MicroTop?GENOME_ID=ao
Aspergillus sojae NBRC 4239 Ascomycete 39.77 PRJDA60265
Aspergillus terreus NIH 2624 Ascomycete 29.33 GenBank AAJN01000000
Botryotinia fuckeliana B05.10 Ascomycete 42.66 GenBank AAID01000000
Coprinus cinereus 7#130 Basidiomycete 36.26 GenBank AACS00000000
Fusarium graminearum PH-1 Ascomycete 36.43 GenBank AACM02000000
Fusarium oxysporum FGSC 4286 Ascomycete 61.34 GenBank AAXH00000000
Fusarium verticillioides 7600 Ascomycete 41.77 GenBank AAIM02000000
Hyaloperonospora parasitica Emoy2 Oomycete 79.50 http ：//genome.wustl.edu/pub/organism/Fungi/Hyaloperono-spora_
parasitica/assembly/Hyaloperonospora_parasitica-2.0/
Magnaporthe grisea 70-15 Ascomycete 41.62 GenBank AACU02000000
Mycosphaerella fijiensis CIRAD 86 Ascomycete 73.40 http ：//genome.jgi-psf.org/Mycfi1/Mycfi1.download.ftp.html
Mycosphaerella graminicola IPO323 Ascomycete 41.20 http ：//genome.jgi-psf.org/Mycgr1/Mycgr1.download.ftp.html
Nectria haematococca MPVI Ascomycete 51.15 GenBank AF178385
Neosatorya fisheri NRRL 181 Ascomycete 32.55 http ：//www.tigr.org/tdb/e2k1/nfa1/
Neurospora crassa OR74A Ascomycete 39 GenBank AABX00000000
Phaeosphaeria nodorum SN15 Ascomycete 37.24 GenBank AAGI00000000
Phytophthora infestans T30-4 Oomycete 225.60 http ：//www.broad.mit.edu/annotation/genome/phytophthora_
infestans/Home.html
Phytophthora sojae P6497 Oomycete 95 GenBank AAQY00000000
Penicillium chrysogenum Wisconsin 54-1255 Ascomycete 32.19 http ：//www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/304658/
Penicillium digitatum Pd1 Ascomycete 26.08 PRJNA157543
Penicillium digitatum PHI26 Ascomycete 25.99 PRJNA157541
Penicillium digitatum Pd01-ZJU Ascomycete 25.01 PRJNA178915
Penicillium oxalicum JU-A10-T Ascomycete 30.69 PRJNA60881
penicillium paxilli ATCC 26601 Ascomycete 34.80 PRJNA189173
Penicillium roqueforti FM164 Ascomycete 29.01 http ：//www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCA_000513255.1/
Puccinia graminis f. sp. tritici CRL75-36-700-3 Basidiomycete 81.52 GenBank AAWC01000000
Pyrenophora tritici-repentis Pt-1C-BFP Ascomycete 37.21 GenBank AAXI01000000
Sclerotinia sclerotiorium 1980 Ascomycete 38.33 GenBank AAGT01000000
Trichoderma reesei QM6a Ascomycete 33.40 http ：//genome.jgi-psf.org/Trire2/Trire2.home.html
Trichoderma reesei RUT C-30 Ascomycete 32.68 PRJNA207855
Ustilago maydis 521 Basidiomycete 19.68 GenBank AACP01000000
2015,31(2) 29王龑等：产毒真菌基因组研究进展
3 部分完成全基因组序列测定的真菌
3.1 曲霉菌（Aspergillus）
曲霉菌属于子囊菌门（Ascomycota）盘菌亚门
（Pezizomycotina），目前测序研究的主要有曲霉属 9
个种。棒曲霉生长在土壤、霉果皮、动物粪等基物上，
产生可能使人类和动物致病的棒曲霉素（Patulin）；
黄曲霉感染花生、玉米等谷物，产生高致癌的黄曲
霉素（Aflatoxin）威胁人畜类健康 ；烟曲霉感染玉米
和豆粕等谷物，是临床上重要的条件致病真菌，过
敏体质者、器官移植患者及免疫缺陷患者等更易感
染 ；米曲霉产生蛋白酶、淀粉酶、糖化酶、纤维素
酶和植酸酶等复合酶，是生产在大肠杆菌中不能表
达的真核生物活性蛋白的理想载体 ；黑曲霉用于工
业生产柠檬酸、药品、酶和食品，大部分菌株都产
生有机酸和水解酶，部分菌株具有致病力，产生赭
曲霉毒素（Ochratoxin）；白曲霉用于酿造烧酒，白
曲霉生长在蒸熟的谷物培养基上，分泌多聚糖水解
酶，把谷物中的淀粉物质转化成糖类，与黑曲霉不同，
白曲霉不产生赭曲霉毒素 ；构巢曲霉能诱导产生异
核体或二倍体、有性和无性孢子，是遗传学和生物
化学研究的模式生物之一 ；土曲霉产生的次生代谢
产物——他汀（Lovastatin），临床上被广泛应用于心
脏病预防。这些曲霉近缘种的基因组大约为 30-37
Mb，分布于 5 或 8 条染色体。
3.1.1 黄曲霉 黄曲霉菌是一种自然界中常见霉菌，
其严重威胁人畜健康。黄曲霉普遍存在于花生、玉
米或黄豆中，对作物造成严重霉害 ；同时会产生高
致癌、致畸毒性的黄曲霉素（Aflatoxin）。黄曲霉素
主要有 B1、B2、G1、G2，以及另外两种代谢产物
M1、M2。其中 AFB1 是最危险的致癌物，在玉米、
花生、棉花种子以及一些干果中常被检测到。黄曲
霉为单倍体，产生无性孢子，基因组约 36 Mb，分
布于 8 条染色体。
3.1.2 烟曲霉 烟曲霉在潮湿环境中普遍存在，可
侵染棉铃和苹果等，引起果实腐烂，或寄藏于种子上，
造成农产品单位产量和质量的下降，造成巨大的经
济损失。由于烟曲霉作为重要的人类致病菌，烟曲
霉的基因组 2005 年被测序完成，在最近 12 年中烟
曲霉导致的疾病发生率增加了 14 倍，尤其是过敏体
质者、器官移植患者、艾滋病毒携带者、艾滋病患者、
慢性肉芽肿病及重症联合免疫缺陷等患者更易感染。
烟曲霉对其他哺乳动物也产生致病性，研究表明烟
曲霉可以导致鸟类肺部和气囊感染。基因组测序分
析将有助于理解烟曲霉的生物学特性，识别烟曲霉
致病性的分子机制。烟曲霉基因组约 30 Mb，分布
于 8 个染色体，可能有 9 900-11 000 个基因。
3.1.3 棒曲霉 棒曲霉可生长在土壤、果皮、动物
粪便等基质物上，能够产生使人类和动物畸变、癌
变的棒曲霉素（Patulin）。目前这种毒素在果品、蔬
菜、果蔬汁、果酒等食品中均有被发现，并引起世
界各卫生组织极大的关注。棒曲霉与烟曲霉、土曲
霉这两大病原真菌亲缘关系较近。棒曲霉为单倍体，
基因组约 28 Mb，分布于 5 条染色体，大约有 9 323
个基因。
3.1.4 构 巢 曲 霉 构 巢 曲 霉 也 称 为 小 巢 状 曲 菌
（Emericella nidulans），通常为单倍体，但能诱导为
异核体或二倍体，产生有性和无性孢子，而其他大
部分曲霉是无性的。构巢曲霉菌属于同宗配合菌，
即任何两个菌株间均可直接进行交配产生子囊孢子。
目前构巢曲霉是遗传学和生物化学上研究得最广泛
的生物之一，已经得到了数百个基因的突变株。构
巢曲霉也是研究细胞生物学的模式生物之一，它还
用来表达哺乳动物基因。构巢曲霉中的乙醇脱氢酶
基因 lacA 可调控启动子，能够被乙醇诱导表达，同
时又能被葡萄糖抑制，是基因表达调控中重要的工
具元件。研究构巢曲霉基因组将有助于了解构巢曲
霉的生物学特性，与寄主的相互作用以及曲霉菌的
致病性，还能促进疫苗和药物的研制开发。构巢曲
霉与黑曲霉、米曲霉、黄曲霉和烟曲霉等亲缘关系
较近。构巢曲霉基因组约 31 Mb，分布于 8 条染色体，
含 11 000-12 000 个基因。
3.1.5 黑曲霉 黑曲霉用于工业生产柠檬酸、药品、
酶和食品。黑曲霉具有表型多样性，在全球均有发
现，包括海洋和陆地菌株，广泛分布于世界各地的
粮食、植物性产品和土壤中，大部分菌株都产生
有机酸和水解酶，有的菌株还可将羟基孕甾酮转
化为雄烯，部分菌株具有致病力，产生赭曲霉毒
素（Ochratoxin）。生长适温 37℃，最低相对湿度为
88%，能引致水分较高的粮食霉变。黑曲霉基因组
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.230
约 34 Mb，分布于 8 条染色体，含 10 947 个基因。
3.1.6 白曲霉（Aspergillus kawachii） 白曲霉用于
酿造烧酒，是日本传统的蒸馏酒，原料主要包括大米、
大麦、番薯、马铃薯和荞麦。在生产烧酒的过程中，
白曲霉生长在蒸熟的谷物培养基上，分泌的酶包括
各种多聚糖水解酶，把谷物中的淀粉物质转化成糖
类。白曲霉与黑曲霉在进化上亲缘关系最近，在食
品生产工业上使用，能够产生大量的柠檬酸防止细
菌污染。但是，与黑曲霉不同，不产生赭曲霉毒素。
白曲霉基因组大小约 36.5 Mb，含有 11 475 个基因。
3.1.7 土曲霉 丝状真菌土曲霉能够产生次生代谢
产物他汀。在过去 10 年中，他汀类降胆固醇药物在
临床上被广泛应用于心脏病预防。目前应用的 5 个
他汀类药物中，土曲霉能发酵产生其中 3 个 ：普伐
他 汀（Pravastatin）， 辛 伐 他 汀（Simvastatin） 和 洛
伐他汀（Lovastatin）。此外，土曲霉也能产生对人
类和其他动物有害的棒曲霉素（Patulin）和橘霉素
（Citrinin）。土曲霉是单倍体，基因组大约 35 Mb，
分布于 8 条染色体，可能含有 996 个基因。
3.2 灰葡萄孢霉（Botryotinia fuckeliana）
灰葡萄孢霉是一种植物致病菌，可引起灰霉腐
败（Gray mold rot）或灰霉病（Botrytis blight），感染
超过 200 种植物，包括大部分的蔬菜、水果、多种
乔木、灌木、花卉和杂草。灰葡萄孢霉在全球造成
的农作物损失占全部损失的 20%，每年约有 10-100
亿欧元。在特定环境下，灰葡萄孢霉可造成葡萄贵
腐（Noble rot），这是酿造贵腐酒等餐后甜酒必需的。
灰葡萄孢霉是丝状真菌单倍体，基因组约 38 Mb，
分布于 30 个染色体，可能有 11 000-17 000 个基因。
3.3 链格孢菌（Alternaria brassicicola）
链格孢菌是无性生殖有丝真菌，在芸苔属植物
上引起黑斑病，包括花椰菜、甘蓝、油菜和芥菜上
均会发病，侵害叶、茎、荚。叶片染病病斑圆形至
椭圆形，黑褐色，大小 2-5 mm，具同心轮纹，湿度
大时，病部生有黑灰色霉状物，即病原菌分生孢子
梗和分生孢子。病菌以菌丝体或分生孢子在病残体
或留种株上越冬，也可以分生孢子附着在种子表面
越冬，翌年以分生孢子进行初侵染和再侵染，借气
流传播致病，一般发生在农作物的夏季生长期。在
采后油菜作物上因为链格孢菌引起的损失达 60% 以
上。链格孢菌基因组约 29.6 Mb，分布于 9 条染色体。
3.4 镰刀菌
3.4.1 轮状镰刀霉菌（Fusarium verticillioides） 轮
状镰刀霉菌又称为串珠状赤霉（Gibberella monilifor-
mis），是全球性感染玉米的真菌。一定的环境条件，
串珠镰刀菌使玉米内核和穗腐烂，导致农作物重大
的经济损失。串珠状赤霉也产生致癌物伏马菌素
（Fumonisin mycotoxins）。如果食用了含伏马菌素的
玉米可引起人类和动物多种疾病。串珠状赤霉是单
倍体，基因组约 46 Mb，分布于 11 条染色体，可能
含有 16 000 个基因。
3.4.2 禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum） 禾谷
镰刀菌又称为玉蜀黍赤霉（Gibberella zeae），是小
麦和大麦赤霉病的病原体。我国每年小麦赤霉病受
害面积在 4 00×104 hm2 以上，重发区已经由长江中
下游向北扩展到山东、河南、河北等小麦主产区，
2010 年发病面积甚至超过约 0.667×108 hm2，给小麦
生产造成巨大损失，严重影响籽粒品质。镰刀菌产
生的脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxynivalenol）严重威
胁食品安全。DON 毒素具有很强的细胞毒性和胚胎
毒性，能引起人类食管癌、IgA 肾病、克山病和大
骨节病等。玉蜀黍赤霉还产生对人类及动物健康造
成严重危害的呕吐毒素（Vomitoxin）。玉蜀黍赤霉基
因组约 40 Mb，分布于 4 条染色体，可能有 11 000-
14 000 个基因。
3.5 青霉（Penicillium）
3.5.1 指状青霉（Penicillium digitatum） 指状青霉
是一种腐生真菌，是橘科水果采后重要的致病菌，
能引起柑橘类绿霉病（Citrus green mould），世界范
围内 90% 的橘类水果损失是由指状青霉引起的。指
状青霉的基因组测序有助于阐释致病机制的遗传基
础和高度的宿主特异性，检测刺激代谢物基因簇，
包括吲哚二萜，棒曲霉素钙激活钾通道阻断剂。指
状青霉基因组约 26 Mb，大约含有 9 000 个基因。
3.5.2 产黄青霉（Penicillium chrysogenum） 产黄青
霉也称为点青霉，是无性丝状真菌，至今 60 年来一
直用于生产青霉素，普遍的细菌类抗生素，是青霉
素 V 和青霉素 G 商业的主要来源。菌株训化用于提
2015,31(2) 31王龑等：产毒真菌基因组研究进展
高青霉素的产量，主要是扩大基因组上产生青霉素
的基因簇片段，目前青霉素的生物合成基因已经被
清楚的鉴定注释了。产黄青霉是单倍体，基因组约
34.1 Mb，分布于 4 条染色体，可能有 11 000-12 000
个基因。
3.6 稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）
稻瘟病菌无性型称 Pyricularia grisea，是单倍体
丝状菌，是稻瘟病的病原体。稻瘟病是一种世界性
水稻病害，每年因此病害损失的粮食可供养 6 000
万人。由于水稻产量增加，近年来因稻瘟病造成的
损失日益加大。虽然抗稻瘟病的水稻已经研究出来，
但稻瘟病菌可迅速产生抗性。除了水稻，某些稻瘟
病菌还可感染大麦、小麦、珍珠粟和草坪。稻瘟病
菌是一种理想的研究植物病原真菌和宿主相互作用
的模式生物。稻瘟病菌基因组约 40 Mb，分布于 7
条染色体。
3.7 粗糙脉孢菌
粗 糙 脉 孢 菌 属 于 子 囊 菌 亚 门 脉 孢 菌 属
（Neurospora），是一种多细胞丝状真菌，是 20 世纪
现代遗传学和分子生物学研究的模式物种。1941 年
Beadle 和 Tatum 两位科学家通过 X 射线诱导处理粗
糙脉孢菌，获得了大量的营养缺陷突变体，在对这
些突变体研究分析以后，提出了一个基因对应一种
酶的假说。粗糙脉孢菌是单倍体雌雄异体子囊菌，
仅能识别蓝光 / 紫外光范围，子囊孢子减数分裂产
物的有序重排有利于基因重组分析。粗糙脉孢菌基
因组约有 40 Mb，分布于 7 条染色体。
3.8 颖枯壳针孢（Phaeosphaeria nodorum）
颖枯壳针孢无性型称 Stagonospora nodorum，属
于子囊菌半知菌亚门（Deuteromycotina），分生孢子
器散生，是小麦的主要病害，主要为害小麦未成熟
穗部和茎秆，也为害叶片和叶鞘，引起有重大经济
损害的禾草壳针孢叶斑病，也称为小麦颖枯病。病
害多发生于潮湿阴冷的气候，多雨年份和潮湿地区
发生尤其严重。颖枯壳针孢菌基因组约 30 Mb，分
布于 24 条染色体。
3.9 核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）
核盘菌属于子囊菌亚门核盘菌属（Sclerotinia），
是已知具有最广泛宿主的真菌病原体，危害作物和
蔬菜，它引起如菜豆菌核病（White mold of bean），
向 日 葵 烂 盘 型 菌 核 病（Head rot of sunflower）， 油
菜 菌 核 病（White mold of canola） 和 大 豆 菌 核 病
（Sclerotinia stem rot of soybean）。核盘菌是研究寄主 -
病原物相互作用的模型。核盘菌是单倍体，基因组
38 Mb，分布于 3 条染色体。
3.10 里氏木霉（Trichoderma reesei）
丝状真菌里氏木霉是多细胞的真核微生物，属
于半知菌亚门木霉属（Trichoderm），其作为工业菌
株用于分解不同植物材料的酶类，包括纤维素酶、
半纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶等。里氏木霉对人体
无毒性，在产酶条件下也不产生真菌毒素和抗生素，
适合用于工业生产蛋白酶类。里氏木霉是单倍体，
基因组 33 Mb，分布于 7 条染色体。
3.11 禾柄锈菌（Puccinia graminis）
禾柄锈菌属于担子菌门，引起谷类作物，如小麦、
燕麦、黑麦、大麦等的秆锈病。秆锈病，也称为黑
锈或秆黑锈病，是世界上最具破坏性的禾谷类作物
病害。禾柄锈菌具有复杂的生命周期，包括 5 个孢
子阶段和两个非常不同的宿主，即以杂草为初宿主，
通常以小蘖属植物为转换寄主。因为初寄主专一
性，禾柄锈菌有很多专化型，如 Puccinia graminis f.
sp.tritici 可侵染小麦。禾柄锈菌为单倍体，基因组约
80 Mb，分布于 18 条染色体。
3.12 玉米瘤黑粉菌（Ustilago maydis）
玉米瘤黑粉菌是一种担子菌，通常以一种丝状
菌丝体存在，异宗配合。常为害玉米叶、秆、雄穗
和果穗等部位的幼嫩组织，产生大小不一的病瘤，
是我国玉米上分布最广的主要病害之一，北方发生
较为普遍而严重。在玉米瘤黑粉菌的生活史中，有
两种不同形态的细胞，即单倍体细胞（担孢子）和
双核菌丝体。单倍体细胞没有致病性，在特定培养
基上芽殖产生“酵母”状菌落。不同遗传型的单倍
体细胞融合形成双核菌丝，双核菌丝能在寄主植物
体内迅速发育，刺激寄主组织形成肿瘤，并继而经
过细胞核融合，产生双倍体的冬孢子。玉米瘤黑粉
菌基因组约 20 Mb，分布于 23 条染色体。
4 真菌基因组研究的应用及未来
比较基因组学（Comparative genomics）在对未
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.232
知生物的基因组图谱和测序基础上，与已知基因和
基因组结构进行比较，通过序列同源比对和计算机
分析从而了解基因的功能、表达机理和物种进化。
随着已测序基因组数量的不断增加，一方面，比较
基因组学应用于基因鉴别及基因表达的调控元件的
研究［15］；另一方面，比较基因组学能够帮助鉴定亲
缘关系较近的物种之间的区别，包括致病性、次级
代谢模式或其他特性［13，16，17］。大量预测到的微生
物代谢物的生物合成基因所反映的不是标准的发酵
条件下产生的，特殊条件下会激活这些基因。这些
隐藏的基因簇大多编码一些重要致病因子的生物合
成，如毒素、药物等，随着高通量筛选平台的发展，
一些小分子在生物系统上的功能逐渐显现出来。基
因组挖掘和宏基因组分析技术，与相关基因分析工
具组合分析大的生物合成基因簇，在异源源系中高
效克隆表达，揭开棘手的或神秘的化合物的面纱，
这个跨学科的研究领域已经打开了天然产物发现的
新时代［18，19］。
基因组测序使得真菌次级代谢产物合成基因的
鉴定快速发展，在丝状真菌中，代谢相关基因一般
是以基因簇（Genes clusters）的形式分布，经过基
因组注释后，在曲霉属真菌中至少发现了 30-40 个
典型基因簇存在，这些基因簇一般与聚酮体或非核
糖体多肽的合成相关。基于海量信息和比较基因组
学的基因组采矿技术（Genome mining）能够挖掘和
鉴别一些真菌基因组中未知蛋白功能，在模式微生
物构巢曲霉基因组隐藏的代谢途径中分析发现了新
的聚酮合酶 - 非核糖体肽合酶（PKS-NRPS）混合代
谢物［3，20］。黑曲霉基因组数据经过精确的比对分析
并结合代谢网络的重构鉴定出了许多与 DNA 复制、
物质转运和胞内 / 胞外酶生产相关的蛋白，丰富了
黑曲霉发酵产柠檬酸的分子机制，同时预测出伏马
菌素和赭曲霉毒素 A（OTA）合成的基因簇信息［4］。
比较基因组学技术分析烟曲霉和米曲霉，提高了功
能注释和代谢途径的模拟分析，分析表明 3 个物种
间存在超过 500 个非编码区域是保守的，为真菌基
因组进化和基因调控研究提供新的理解［13］。
真菌毒素合成主要通过聚酮代谢 PKS（Polyke-
tide synthase）、NRPS 非核糖体多肽合成（Nonriboso-
mal peptide synthetase）、PKS-NRPS 混合代谢、萜类
化合物代谢、氨基酸相关代谢。PKS 和 NRPSs 在大
多数真菌基因组中都存在，导致了许多次生代谢物
的物种多样性，通常参与生物合成同一种代谢产物
的基因位于同一个基因簇［21］。在克隆了几个重要的
黄曲霉毒素合成基因之后，黄曲霉毒素合成基因簇
在黄曲霉和寄生曲霉中被发现［22］，有 30 个基因参
与黄曲霉毒素的生物合成，黄曲霉毒素合成基因集
中位于三号染色体大约 75 kb 的区域内，离端粒大
约 80 kb。碳黑曲霉（Aspergillus carbonarius）、赭曲
霉（Aspergillus ochraceus） 和 疣 状 青 霉（Penicillium
verrucosum）都能够产生 OTA，有研究认为 PKS 参
与 OTA 合 成 的 第 一 步， 催 化 合 成 OTA 的 主 体 结
构异香豆素。进化树分析 6 个已知产 OTA 菌株的
PKSs 序列的 KS 和 AT 结构域，证实不同真菌 OTA
PKS 酶结构和进化的多样性，KS 和 AT 结构域被认
为 是 PKS 的 保 守 区 域， 参 与 OTA 的 合 成。Chiang
等［3］采用基因组采矿技术结合代谢组学分析揭示了
构巢曲霉中一个含有两个真菌聚酮合酶的基因簇编
码一个聚酮化合物。经过比较基因组分析，在不同
物种间仅有一小部分鉴定到的基因簇是保守的［23］。
Callaghan 等［24］采用基因组步移技术和序列比对分
析，鉴定到在疣状青霉上存在 PKS 基因，且与红曲
霉橘毒素合成基因簇同源性最高，在 PKS 上下游亦
存在氧化还原蛋白和转运蛋白，参与疣状青霉 OTA
的合成。Atoui 等［25］分析了 9 个赭曲霉和 5 个炭黑
曲霉的 KS 结构域序列，结果表明 KS 结构域分布在
5 个不同的基因簇上，表明 PKS 基因具有不同的生
物学功能。
Bhatnagar 等［26］以解决黄曲霉毒素污染为例，
综述了采用基因组、蛋白组和代谢组的方法挖掘有
用的信息，形成有效的战略揭示真菌产生真菌毒素
的机制，有助于开发具有真菌抗性的作物，减少
作物的真菌毒素污染。Yu 等［27］构建黄曲霉菌丝
cDNA 表达文库，采用表达序列标签（ESTs）技术
分析营养和环境条件对黄曲霉毒素合成的影响，从
7 218 个表达序列中鉴定到 110 个序列影响黄曲霉毒
素 的 合 成。2011 年，Yu 等［28］ 采 用 RNA-Seq 技 术
对不同温度条件下黄曲霉转录组分析研究，表明在
适合黄曲霉生长的 37℃和适合黄曲霉产生黄曲霉毒
素的 30℃，存在 1 153 个差异表达基因，在 30℃条
2015,31(2) 33王龑等：产毒真菌基因组研究进展
件下 30 个黄曲霉毒素生物合成基因转录本的表达丰
度是 37℃条件下的 3 300 倍，鉴定到两个温度对毒
素的负调控因子 aflR 和 aflS。
大量真菌基因组陆续完成测序和注释，产毒真
菌的后基因组时代已经开启，研究真菌基因组有助
于人们理解不同生长环境下真菌的生理特性、形态
差异、进化和代谢多样性。后基因组学的研究，对
于深入解析种植、生长、运输、储藏过程中产毒真
菌菌群的发生和形成，真菌毒素的合成路径及其调
控机制、产毒真菌与农产品互作、危害储粮品质的
机理提供新的思路。
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（责任编辑 狄艳红）