곰팡이의 생명나무 시퀀싱 (Sequencing the fungal tree of life)

곰팡이의 생명나무 시퀀싱 (Sequencing the fungal tree of life)

원제: Sequencing the fungal tree of life
년도: 2011
저자: F. Martin et al.
노트: New Phytologist letters에 실린 article로 짧길레 곰팡이 생활양식(Lifestyle)의 기원을 좀 더 자세히 공부해 보고자, 후딱 번역해 보았습니다. 이글은 JGI의 곰팡이 sequencing project를 소개 합니다. 그리고 근균(mycorrhizae)이 다수의 부생균 계통에서 독립적으로 분화되어 나왔다고 주장합니다. 이것은 곰팡이 생활 양식의 독립적인 변화를 이야기 합니다. 

서문

육지 생태계는 수많은 종의 동물, 식물, 곰팡이 및 세균들이 커뮤니티를 이루어 매우 복잡하게 상호작용을 한다. 토양 안의 이런 생물들은 탄소의 순환, 물과 영양, 토양의 질 및 식물의 영양상태에 관여를 한다. 위험에 직면한 생태계의 미래에 대한 예측과 생태계 안의 복잡한 상호작용의 생물학적 화학적 작용을 완전히 이해하기 위해서는, 각각 하나의 생물이 아니라, 더 큰 단계인 커뮤니티 안의 멤버들, 서로 연결된 개체군 안에서의 상호작용을 보아야 한다. 이것을 확장된 표현형(extended phenotype)이라고 한다. 이런 연구 중 새로 떠오르는 모델은 토양성 곰팡이와 식물 커뮤니티간의 상호작용에 대한 연구이다.

 

곰팡이는 진핵생물 중 가장 크고 다양한 계(kingdom)에 속한다. 그리고 모든 육지 생태계에 생물학적으로 중요한 역할을 한다. 곰팡이는 지구적인 탄소 순환에 중심에 있고, 농업 또는 자연 생태계에서 주요한 식물병원균이고, 타가영양 또는 자가영양 생물과 같이 공생균으로도 존재하며, 재생 가능한 생물학적 연료 및 화학품을 만드는데 중요한 역할을 한다. 지구상에 곰팡이의 성공과 중요성은 이들이 생성하는 다양한 종류의 효소 및 대사물 때문이라고 할 수 있다. 이것은 곰팡이들의 다양한 범위의 영양공급 방식과 놀라울 만큼 다양한 탄소 자원의 활용 그리고 생태적 지위를 갖게 해 준다.

 

부생균, 공생균 및 식물병원균이 어떻게 이들만의 생활양식을 갖는지 이해하는 것은 이들의 생태학적 기능과 이에 따른 식물 커뮤니티에 대한 영향을 이해하는 것에 있어 매우 중요하다. 토양 곰팡이의 눈에 띄지 않는 성질과 접근하기 어려운 서식 환경 그리고 대다수의 곰팡이를 배양할 수 없는 우리의 능력은 이것들을 연구하기 매우 어렵게 만든다. 대규모의 DNA barcoding 조사의 진보가 이러한 한계들을 어느 정도 극복하게 해주었고, 근균(mycorrhizal)을 포함하여 다양한 토양 곰팡이 커뮤니티의 역학 및 구성을 결정할 수 있도록 해주었다. 약 몇 백 종의 곰팡이가 토양에서 활성화 되어 있고, 지속적인 metagenomics 및 metatranscriptomics 연구가 이들 유전체 및 발현되는 전사체에 기록되어 있는 기능들을 밝혀낼 것이다. 유전체 서열이 밝혀진 대부분의 곰팡이는 토양과 식물에 거주한다. 그리고 이들의 서열은 과학자들이 직접적으로 배양하거나 시퀀싱 할 수 없는 대다수의 토양 곰팡이 종들의 유전체 및 기능을 밝히는데 기초적인 유전체 정보를 제공해 줄 것이다. 안타깝게도 현재 진행중인 또는 시퀀싱이 끝난 표준유전체(reference genome)들은 의학 쪽으로 많이 치우친 상태이다. 생태학적 및 계통학적으로 다양한 곰팡이의 유전체 서열 정보의 더 많은 이용도는 이 종들에 대한 현재 진행중인 연구뿐만 아니라, 비교 유전체학을 통해 유전자의 진화, 유전체 구조, 대사 및 조절 경로, 부생/공생/병원균 생활 양식 연구 등 다른 서열정보의 가치를 향상 시킨다. 최근 미 에너지 공동 유전체 연구소(Department of Energy Joint Genome Institute, JGI)는 곰팡이 유전체학 프로그램(Fungal Genomics Program, FGP)를 출범했고, 이것의 목표는 에너지 및 환경을 위한 곰팡이의 다양성을 조사하는 것과 대규모 시퀀싱과 분석을 통해 이에 적용하는 것이다.

 

에너지와 환경을 위한 곰팡이 유전체학

JGI FGP의 곰팡이 유전체 백과사전(http://www.jgi.doe.gov/fungi)은 3 분야의 곰팡이 유전체를 목표로 한다: 식물 건강, 생물정제, 곰팡이 다양성. 식물 건강은 식물과 상리공생균 및 기생균의 상호작용에 의해 결정된다. 식물표면에서 공생균 및 기생균의 기주에 대한 영향은 관계가 없다. 이들은 아마도 식물의 방어체계를 벋어날 수 있는 공통적인 특징을 공유함으로써, 기주한테서 영양분을 얻고 (예: Laccaria bicolor와 Melampsora larici-populina의 effector 비슷한 분비단백질의 역할), 기주 안에서 살며 (예: 반활물영양체인 Mycospharella graminicola), 부생과 기생(또는 공생) 생활 양식에 대한 균형을 맞출 것이다 (예: Heterobasidion annosum). 비교 유전체학은 포플러, 소나무, 유칼립투스와 같은 생물에너지 공급원료 및 삼림수의 지속 가능한 성장에 매우 중요한 위의 기작들을 이해하게 도와줄 것이다. 생물정제는 산업적 기주인 Trichoderma reesei와 Aspergillus niger 등을 포함한다. 새로운 ‘모듈’ 또는 ‘파트’(이는 원하는 속성을 가진 다른 곰팡이에서 유래된 대사 과정, 효소 및 조절 인자를 말함)를 이미 설립된 산업적 기주 안에 삽입하여 효율적으로 생물 자원을 생물연료와 지속 가능한 화합물로 변환하는 새로운 응용 생물학적 방법을 개발하고 촉진 시킬 수 있을 것이다. 곰팡이의 생태 및 계통학적 다양성에 대한 연구는 우리에게 극한 환경에 존재하는 열안정 효소 및 열내성 기주 등과 같은 유용한 ‘모듈’ 또는 ‘파트’를 가져다 줄 것이고, 곰팡이 진화에 대한 실마리를 제공해 줄 것이다. 유전체 시퀀싱 기술의 급격한 발전은 단일의 참고유전체 시퀀싱을 넘어서, 여러 다른 생물들의 리시퀀싱을 가능하게 해주었다 (예: 외균근 모델 종인 L. biocolor의 여러 균주 리싱퀀싱). 유전자 발현, 곰팡이 다양성 전반의 유전체 변이 그리고 토양과 같은 복잡계(complex system)의 metagenomics 등의 비교 분석을 통해서, 우리는 더 높은 수준에서 곰팡이의 생활양식, 식물과의 상호작용, 진화를 이해하고, 에너지와 환경을 위한 실제적 응용을 할 수 있는 강력한 기반을 갖추었다.

 

부생 담자균아문 시퀀싱 (Sequencing saprotrophic Agaricomycotina)

다양한 곰팡이는 기본 식물 조직, 삼출물, 체관부 수액으로부터 영양분을 얻는다. 하지만 오직 적은 수만 효율적으로 목재를 분해할 수 있다. 대부분의 목재부후균은 담자균아문에 속하고, 균근과 병원균도 여기에 속한다. 담자균아문 중에 다계통발생적 집합인 백색부후균은 탄소인 세포벽 탄수화물과 에너지원을 얻기 위해 분해가 어려운 목질소(lignin)를 해분해하고 광물화 할 수 있는 특이한 능력을 가졌다. 다른 집합인 갈색부후균은 섬유소(cellulose)를 빠르게 분해하지만 목질소를 잘 분해할 수는 없고, 이것은 미생물 부식에 강한 고분자 물질로 남아있는다. 두 종류의 목재부후균은 삼림생태계의 흔한 서식균이고 탄소 순환에 대한 중요한 역할을 한다. 담자균아문에 속한 3 종의 목재부후균 유전체(Phanerochaete chrysosporium, Postia placenta, Schizophyllum commune)가 출판되었다. P. chrysosporium은 백색 섞음 종이고, P. placenta는 갈색 섞음 종이다. 이 둘은 Polyporales에 속한 곰팡이만 근본적으로 다른 분해 작용을 하는 것을 밝혀졌다. 예를 들자면, Phanerochaete는 class II fungal peroxidases를 발현하는 유전자 15개를 가지고 있는 반면, Postia는 기능을 모르는 오직 하나의 낮은 산화 환원 전위를 갖는 peroxidase를 가지고 있다. 더하여 Postia는 기존의 모든 섬유소분해성 곰팡이가 가지고 있다고 생각된 exocellobiohydrolases와 cellulose-binding modules이 없는 것으로 밝혀졌다. 반면에 S. commune은 가장 큰 섬유소분해효소 세트를 가지고 있는 곰팡이 중 하나이다. 연관되어 있는 3 근연종에서의 이런 발견은 담자균아문안에서 분해기작이 다양화되었다는 것을 암시하고, 이 분기군안에서 더 넓은 범위의 샘플링이 필요하다는 것을 알려준다.

JGI의 새로운 계획은 12가지의 목을 대표하는 목재부후균 30종을 목표로 한다. 첫해에 시퀀싱할 첫 번째 그룹 14종(9 백색부후균, 5갈색부후균)은 지정되었다. 이 중 5종은 현재 유전체가 출판되지 않은 다양한 목재부후균 종을 포함하는 주요 담자균아문 분기군(Auriculariales, Dacrymycetales, Hymenochaetales, Corticiales)을 대표하는 것들이다. 두 번째 그룹에 속한 종들은 목재부후균 유전체의 계통학적 다양성을 좀 더 확장한다 (아직 샘플링이 되지 않은 Atheliales, Amylocorticiales, Jaapiales, Phallomycetidae). 이런 유전체지도의 비교 분석은 Illumina RNA-Seq으로 결정된 유전자 발현 프로파일과 12종의 곰팡이에 대한 단백질 질량 분석을 통합할 것이다. 이 중 5종에 대한 유전체 서열 (P. chrysosporium, P. placenta, Pleurotus ostreatus, Serpula lacrymans, ㅠ. annosum) 은 이미 사용가능 하고, 다른 7종의 유전체 (Gloeophyllum trabeum, Fistulina hepatica, Fomitiporia mediterranea, Dacryopinax spathularia, Fomitopsis pinicola, Auricularia auricular-judae, Punctularia strigosozonata) 시퀀싱도 위에서 말했던 것 같이 부생 담자균아문 프로젝트 안에서 시행 되고 있다. 다른 종류의 부후균 종 및 분기군에 대한 비교 전사체 분석은 이들의 생물학적 생활 양식에 대한 이해와 목질섬유소 분해에 대한 전략을 더욱 잘 알게 해줄 것이다.

 

근균 유전체 시퀀싱

대부분 숲의 토양 안에서는 몇 백 종의 외근균이 나무의 곁뿌리와 상리 공생을 이룬다. 자연환경에서의 외근균 공생에 대한 유전체학적 연구는 아직 초기 단계이다. 하지만 환경 유전체학 연구는 빠르게 발전하고 있고 영양소 순환과 식물 건강에 대한 근균의 역할을 이해하는 것에 매우 중요하다. 근균 연구 미래에 대한 중요한 단계는 다양한 근균 뿐만 아니라 이들의 식물 기주에 대한 유전체도 시퀀싱 되어야 한다는 것이다. 현재까지 2종의 상리공생균의 유전체가 시퀀싱 되었다 (담자균문 L. bicolor, 자낭균문 T. melanosporum). 공생에 관계된 유전자들의 네트워크를 바탕으로 보면, 외근균 생활양식의 진화는 꽤 다양하게 발전한 것으로 보인다. 공생 분기군과 공생의 종류의 다른 점을 더 깊게 이해하기 위해 JGI는 다른 목에 속한 근균 25종에 대한 시퀀싱을 목표로 정하였다. 차세대 유전체 시퀀싱 플랫폼을 통하여 Amanita muscaria, Cenococcum geophilum, Hebeloma cylindrosporum, L. amethystina, Oidiodendron maius, Piloderma croceum, Paxillus involutus, Pisolithus microcarpus, P. tinctorius의 유전체 DNA가 현재 시퀀싱 중에 있고, Boletus edulis, Cantharellus cibarius, Coltricia cinnamomea, Cortinarius glaucopus, Gymnomyces xanthosporus, Lactarius quietus, Meliniomyces bicolor, Paxillus rubicundulus, Ramaria formosa, Rhizoscyphus ericeae, Scleroderma citrinum, Suillus luteus, Sebacina vermifera, Tomentella sublilacina, Tricholoma matsutake, Tulasnella calospora, Terfezia boudieri의 유전체가 곧 시퀀싱 될 것이다. 시퀀싱이 된 근균 종은 식물의 건강과 생장을 촉진할 수 있는 능력, 계통학적 새로움, 다른 종류의 근균 공생(외근균, 진달래형 균근, 난초형 근균), 생태적 지위 및 기주 특이성을 바탕으로 선택 되었다. 이미 사용가능한 L. bicolor 및 T. melanosporum 유전체와 현재 시퀀싱 중인 근균 유전체의 비교 유전체 분석은 아래와 같은 새로운 식견을 제공해 줄 것이다.

 

l  나무와 근균 공생의 복잡한 상호작용에 대한 깊은 이해

l  경제적으로 중요한 다른 부생균과 병원균의 비교 유전체학

l  공생에 관계된 중요한 유전자의 생물정보학적 발견

l  다양한 생태계와 환경조건에 안에서 공생균의 적응적 특징을 밝혀낼 수 있는 분자 마커

 

이런 유전체 데이터는 근균 지식의 유전학 기반에 대한 독자적 평가를 제공함으로써, 사실 근균이 다수의 부생균 계통에서 독자적으로 분화되어 나온 것처럼 보이게 한다.

곰팡이 생명나무에 대한 탐험

곰팡이 생명 나무(The fungal tree of life, FTOL)은 곰팡이 비교 생물학의 기반이고 계통학적 연구에 상당한 초점이다. FTOL의 초기 분기 계통은 매끄러운 후부의 편모를 가지고 있는 종으로 구성되어 있다. 편모를 가진 곰팡이들은 이전에 호상균문으로 분류 되었지만, 지금은 다수의 측계통군으로 분류가 된다. 남아있는 초기 분기 계통은 전합균문의 곰팡이와 수지상체 균근으로 무격막의 균사 성장과 포자낭을 형성하지 않는 특징을 가지고 있다. 이들은 접합균문으로 분류되지만 호상균문과 같이 다수의 측계통군으로 이루어져 있을 수 도 있다. 쌍핵균아계(Dikarya)는 곰팡이의 가장 분화된 계통군으로 자낭균(효모와 곰팡이)과 담자균(버섯과 선반곰팡이)으로 이루어져 있다.

 

FTOL에 대한 우리의 깊은 이해는 형태학적인 상동관계, 생태 및 생리의 진화 그리고 이전의 진가를 알지 못했던 계통학적 다양성에 대한 개념을 정제하는 결과를 가져왔다. 중요하게도 FTOL은 유전체 시퀀싱을 위한 우리의 분류군 결정에 대한 정보를 제공한다. 앞서 강조했듯이, 쌍핵균아계의 시퀀싱은 현재 경제적 및 의학에 중요한 계통군에 초점이 맞춰져 있다. 이런 데이터들이 곰팡이 생물학에 대한 견문을 넓히고, 곰팡이에 대한 더욱 완전한 이해와 잠재적인 적용 및 인류 사회에 대한 혜택을 가져올 것이며, FTOL을 통해 현재 부족한 부분을 채울 수 있을 것이다.

 

FTOL의 유전체 범위를 더욱 넓히기 위한 첫걸음으로 JGI FGP’s Genomic Encyclopedia of Fungi project는 FTOL의 샘플링 되지 않은 10종의 곰팡이의 시퀀싱을 목표로 한다. 이런 종들은 진핵생물의 진화에 10억년 이상을 대표하고 다양한 생태학적 지위를 차지한다 (곤충 내부기생균 및 호삼투성균류) 그리고 새로운 대사 능력을 보여준다 (유해한 식물 화합물의 해독 및 극한 환경에서의 군체 형성). 곰팡이는 5000년 이상 인류의 이익을 위해 발효에서 항생제까지 다양하게 사용되어 왔다. 하지만 우리는 이들의 대사 잠재력의 오직 일부만 사용하고 있다. 곰팡이들 유전체의 시퀀싱은 계통유전체학 분석을 통한 초기 곰팡이의 진화를 이해하는데 크게 기여를 할 것이고, 곰팡이의 유전체적 및 대사적 다양성을 완벽하게 평가하는 결과를 가져 올 것이다.

 

전망

유전체 분석은 여태까지 생태학적으로 연관된 몇 종의 곰팡이로 제한되어 있었다. 2년 안에 우리는 유전체 시퀀싱이 대규모로 환경과 진화의 측면으로 변화되는 것을 볼 수 있을 것 이다. 토양성 곰팡이 커뮤니티의 환경 유전체학은 이런 진핵미생물의 생물학적 및 생태학적 역할에 대한 이해를 더욱 도울 것 이다. 현재 JGI project에 선택된 여러 종의 곰팡이는 토양 곰팡이의 ribosomal DNA를 대규모 454 pyrosequencing으로 찾아낸 것이고, 식물과 상호작용을 한다고 알려져 있다. 생명나무 전반의 시퀀싱된 유전체는 몇 천의 metagnomic 레퍼토리를 정리하고 분류하는데 사용될 것이다. 이것은 분명히 식물 미생물 상호작용에 더욱 깊은 이해를 가져온다.