Cinnabar-induced hormesis in Trichoderma longibrachiatum MD33: multi-omics elucidation of a fungal-specific dendrobine biosynthesis pathway
- 作者
- Archana Jain, Surendra Sarsaiya, Qihai Gong
- 单位
- Key Laboratory of Basic Pharmacology and Joint International Research Laboratory of Ethnomedicine of Ministry of Education, Zunyi Medical University, Zunyi, China; Bioresource Institute for Healthy Utilization, Zunyi Medical University, Zunyi, China
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2025）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2025.1657982
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析Trichoderma longibrachiatum MD33中石斛碱生物合成的真菌特异性途径及其调控机制，并阐明朱砂（HgS）诱导的hormesis效应与阈值，为可持续生产石斛碱提供代谢工程改造基础。
研究策略
通过整合转录组学和代谢组学分析，对不同浓度朱砂（HgS）处理下的T. longibrachiatum MD33进行多组学剖析，揭示低剂量HgS通过ROS信号激活甲羟戊酸途径和石斛碱合成基因，而高剂量导致代谢崩溃，并构建hormesis模型。
核心内容
本研究以产石斛碱的真菌长枝木霉MD33为对象，通过整合转录组学与代谢组学，系统解析了朱砂（HgS）诱导的hormesis效应及其对石斛碱生物合成的调控机制。多组学分析揭示了该菌中一条区别于植物的真菌特异性石斛碱合成途径，由细菌样萜烯环化酶与真菌CYP450修饰协同完成。研究发现低剂量HgS通过ROS信号激活bZIP和Zn-Cys6转录因子及MAP激酶级联，重新分配乙酰-CoA流向甲羟戊酸途径，上调HMGR、FPPS等合成基因，并诱导ROS响应性ABC转运蛋白介导石斛碱的细胞外囊泡主动外排。实验表明，4.0 μg/L HgS为最佳增产浓度，石斛碱产量达0.537 ng/mL，较对照组（0.433 ng/mL）提高24%；而6.0 μg/L时产量骤降至0.116 ng/mL，跌幅达73.2%，伴随菌落生长显著抑制和代谢组大面积失调（102个代谢物下调），表明高剂量引发代谢崩溃。该研究首次阐明了真菌中石斛碱生物合成的独立途径及HgS的激素效应阈值，为通过CRISPR编辑HMGR、FPPS等关键节点进行代谢工程改造、提升石斛碱产量与菌株抗逆性提供了分子蓝图。
创新点
['首次在T. longibrachiatum MD33中阐明真菌特异性石斛碱生物合成途径，该途径整合了细菌样萜烯环化酶与真菌CYP450修饰，与植物模型显著不同', '发现朱砂（HgS）诱导的hormesis效应，确定4.0 μg/L为最佳增产浓度，石斛碱产量提高24%', '鉴定出ROS响应性ABC转运蛋白参与石斛碱的细胞外囊泡分泌，提出真菌代谢物主动外排的新机制', '通过多组学整合揭示了低剂量HgS激活bZIP和Zn-Cys6转录因子及MAP激酶级联，协调次级代谢的调控网络']
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | Cluster-1146.1，受HgS上调，催化HMG-CoA生成甲羟戊酸，为石斛碱前体FPP提供原料 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | FPPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | Cluster-1140.0，合成FPP，为倍半萜前体 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 萜烯生物合成 | TPS1/2 | 萜烯合酶 | 催化 | Cluster-118.0和1223.6，环化FPP形成倍半萜骨架 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 石斛碱生物合成 | CYP450 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | Cluster-1058.0和1069.0，催化倍半萜的氧化修饰 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 石斛碱生物合成 | OMT | O-甲基转移酶 | 催化 | Cluster-1146.1和1299.0，催化甲基化修饰 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 石斛碱转运 | — | ABC转运蛋白 | 转运 | Cluster-1031.0和1341.0，介导石斛碱向胞外囊泡分泌 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 应激响应与调控 | — | bZIP转录因子 | 调控 | Cluster-1106.0，响应ROS信号，调控次级代谢基因表达 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 应激响应与调控 | — | Zn-Cys6转录因子 | 调控 | Cluster-1044.0、1116.0和1247.0，真菌特异性调控乙酰-CoA流向次级代谢 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 信号转导 | — | MAP激酶 | 调控 | Cluster-1284.0和1237.0，介导ROS激活的信号级联 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 抗氧化防御 | — | 过氧化物酶体过氧化氢酶 | 催化 | Cluster-1328.0、1328.1和1328.3，清除H2O2，维持氧化还原稳态 |
| Trichoderma longibrachiatum MD33 | 抗氧化防御 | — | 谷胱甘肽S-转移酶 | 催化 | Cluster-1113.0，参与解毒脂质过氧化物 |
关键发现
- 对照组石斛碱产量0.433 ng/mL
- 0 μg/L HgS处理时0.500 ng/mL（+15.5%）
- 0 μg/L时0.490 ng/mL（+13.2%）
- 0 μg/L时0.537 ng/mL（+24.0%）
- 0 μg/L时0.116 ng/mL（-73.2%）。菌落生长抑制：1.0 μg/L抑制37.5%（55±3.1 mm），2.0 μg/L抑制43.2%（50±2.8 mm），4.0 μg/L抑制65.9%（30±1.9 mm），6.0 μg/L抑制73.9%（23±1.5 mm）。转录组显示4.0 μg/L时DEGs为230上调/840下调，6.0 μg/L时441上调/994下调，且6.0 μg/L与对照组相关性仅0.22-0.34。代谢组显示1.0-4.0 μg/L时18个上调差异代谢物（含萜烯前体），6.0 μg/L时102个下调代谢物。
研究结论
本研究揭示了T. longibrachiatum MD33中真菌特异性石斛碱生物合成途径，与植物模型根本不同；朱砂（HgS）诱导的ROS信号通过代谢'开关'重新分配乙酰-CoA流向石斛碱前体，4.0 μg/L为最佳增产浓度，高剂量则导致代谢崩溃。该工作为代谢工程改造T. longibrachiatum MD33提供了蓝图，未来可通过CRISPR编辑HMGR、FPPS等调控节点提高石斛碱产量和菌株抗逆性。