Heat Stress Modulates Mycelium Growth, Heat Shock Protein Expression, Ganoderic Acid Biosynthesis, and Hyphal Branching of Ganoderma lucidum via Cytosolic Ca2+
- 作者
- Xue Zhang, Ang Ren, Meng-Jiao Li, Peng-Fei Cao, Tian-Xi Chen, Guang Zhang, Liang Shi, Ai-Liang Jiang, Ming-Wen Zhao
- 单位
- Key Laboratory of Microbiological Engineering of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, and Department of Microbiology, College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu, People's Republic of China
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2017）
- DOI
- 10.1128/AEM.01036-16
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
热应激如何通过胞质Ca2+信号调控灵芝的菌丝生长、菌丝分支、灵芝酸生物合成和热休克蛋白表达。
研究策略
采用药理学抑制剂（BAPTA、EGTA、LaCl3、neomycin）和RNAi基因沉默（cch、plc）等，结合荧光成像、UPLC和qRT-PCR，研究钙信号在热应激响应中的作用。
核心内容
该研究以灵芝为对象，探究热应激通过胞质钙信号调控菌丝生长、分支、灵芝酸生物合成及热休克蛋白表达的机制。通过药理学抑制剂（BAPTA、EGTA、LaCl3、neomycin）和RNAi沉默钙信号关键基因cch、plc，结合荧光成像、UPLC和qRT-PCR分析，发现42°C热应激显著抑制菌丝生长并增加分支间距，同时促进灵芝酸积累，12小时和24小时处理使总灵芝酸含量分别增加约65%和80%，角鲨烯和羊毛甾醇含量分别提升1.9倍和2.0倍。热应激还迅速诱导多个HSP基因表达上调，其中hsp22在30分钟时最大上调210倍。胞质钙浓度在20分钟达到峰值2.5倍增加，而钙螯合剂处理可降低约80%的钙信号并部分抵消热应激效应，外源钙能恢复。沉默cch或plc的菌株中HSP表达显著降低，表明钙通透性通道和磷脂酶C参与热激信号转导。该工作首次在高等担子菌中确立了胞质Ca2+作为二级信使介导热应激响应的角色，为解析灵芝活性成分合成调控机制及高产育种提供了理论基础。
创新点
首次在高等担子菌中揭示胞质Ca2+作为热激信号转导第二信使，调控菌丝分支、灵芝酸生物合成和热休克蛋白积累。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 灵芝酸生物合成（甲羟戊酸途径） | hmgr | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 热应激12 h后表达上调2倍 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 灵芝酸生物合成（甲羟戊酸途径） | sqs | 角鲨烯合酶 | 催化 | 热应激12 h后表达上调3.5倍 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 灵芝酸生物合成（甲羟戊酸途径） | osc | 羊毛甾醇合酶（氧化鲨烯环化酶） | 催化 | 热应激12 h后表达上调13倍 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 热休克响应 | hsp17.4 | 小热休克蛋白HSP17.4 | 调控 | 热应激10 min后表达最大上调110倍 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 热休克响应 | hsp22 | 小热休克蛋白HSP22 | 调控 | 热应激30 min后表达最大上调210倍 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 热休克响应 | hsp70 | 热休克蛋白HSP70 | 调控 | 热应激60 min后表达最大上调60倍 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 热休克响应 | hsp90 | 热休克蛋白HSP90 | 调控 | 热应激10 min后表达最大上调27倍 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 钙信号转导 | cch | 钙通透性通道蛋白Cch | 转运 | 热应激10 min后表达上调3.4倍；RNAi沉默株降低热应激下HSP表达 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 钙信号转导 | plc | 磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C | 催化 | 热应激10 min后表达上调3.9倍；RNAi沉默株降低热应激下HSP表达 |
| 灵芝（Ganoderma lucidum） | 钙信号转导 | yvc | 液泡钙通道蛋白Yvc | 转运 | 热应激10 min后表达上调3.7倍 |
关键发现
- 热应激（42°C）抑制灵芝菌丝生长：60、90、120 min处理使菌丝生长速率分别降低35%、50%、55%
- 60、90 min处理使菌丝分支间距分别增加1.23、1.3、1.4倍。热应激促进灵芝酸（GA）积累：12 h和24 h处理使GA含量分别增加约65%和80%
- 12 h处理使角鲨烯和羊毛甾醇含量分别增加1.9和2.0倍，24 h处理分别增加2.3和3.0倍
- hmgr、sqs、osc表达量在12 h后分别增加2倍、3.5倍和13倍。热应激诱导热休克蛋白（HSP）基因表达：hsp17.4在10 min时最大上调110倍，hsp22在30 min时最大上调210倍，hsp70在60 min时最大上调60倍，hsp90在10 min时最大上调27倍。热应激使胞质Ca2+浓度在20 min时达到最大2.5倍增加，并上调钙信号相关基因（plc、cch、yvc在10 min时分别增加3.9、3.4、3.7倍）。钙螯合剂EGTA、BAPTA、LaCl3和neomycin显著降低热应激诱导的胞质Ca2+水平（分别降低约80%、60%、55%、70%、62%），并部分抵消热应激引起的菌丝分支减少、GA积累和HSP表达
- 外源CaCl2可恢复这些效应。cch和plc沉默株在热应激下HSP表达显著降低（hsp17.4降低53%和70%，hsp22降低92%和73%，hsp70降低68%和57%，hsp90降低63%和56%），外源Ca2+可部分恢复。
研究结论
热应激通过胞质Ca2+信号转导调控灵芝的菌丝生长、菌丝分支、灵芝酸生物合成和热休克蛋白表达，其中钙通透性通道基因cch和磷脂酶C基因plc参与热激诱导的HSP表达调节。