Multi-omics analysis of Taiwanofungus gaoligongensis: effects of different cultivation methods on secondary metabolites
- 作者
- Tingwen He, Xiaolong Yuan, Liangjun Xiao, Tanggeran Hu, Yi Wang, Xiaolei Zhao, Lu Li, Chengbo Peng, Hongling Zhang, Yuan Zheng
- 单位
- College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming, China; College of Biological and Food Engineering, Southwest Forestry University, Kunming, China; Yunnan Key Laboratory of Biodiversity of Gaoligong Mountain, Yunnan Academy of Forestry and Grass-Land, Kunming, China; Key Laboratory of State Forestry Administration on Highly-Efficient Utilization of Forestry Biomass Resources in Southwest China, Southwest Forestry University, Kunming, China; Edible/Medicinal Fungi Research Innovation Team, Modern Industry School of Edible-fungi, Southwest Forestry University, Kunming, China; Forest Resources Exploitation and Utilization Engineering Research Center for Grand Health of Yunnan Provincial Universities, Southwest Forestry University, Kunming, China
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2025）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2025.1620693
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析不同栽培方法对台湾灵芝（Taiwanofungus gaoligongensis）次级代谢产物（特别是萜类、antcin类及antrodin C）积累的影响，并揭示其生物合成的转录调控机制。
研究策略
采用整合多组学策略：对椴木栽培子实体、菌包栽培菌丝体（含C. kanehirae或C. camphora基质）及大米培养基菌丝体进行非靶向代谢组学与基于参考基因组的转录组学分析，结合qRT-PCR验证、共表达网络分析及启动子结合位点预测，鉴定关键酶基因和调控转录因子。
核心内容
该研究以台湾灵芝（Taiwanofungus gaoligongensis）为对象，通过非靶向代谢组学与基于参考基因组的转录组学分析，比较了椴木栽培子实体、含C. kanehirae或C. camphora基质的菌包栽培菌丝体及大米培养基菌丝体在次级代谢物积累上的差异。结果显示，菌包栽培能显著促进活性产物积累：NZJB和XZJB中三萜含量分别比大米培养基高7倍和3.9倍，antcin C在XZJB中比大米培养基高9.72倍，antrodin C在NZJB中比子实体高3.2倍；而子实体总萜类含量最高。转录组结合共表达网络与启动子结合位点预测揭示，TgHMGR在NZJB中显著高表达，可能是萜类生物合成的关键限速酶，并预测TgHSF4、TgMYB6等转录因子分别调控TgHMGR、TgFPPS2等关键基因。该研究首次为台湾灵芝不同栽培方式下的代谢差异提供了多组学层面的机理解释，为优化栽培策略、定向提高药用活性产物产量奠定了理论基础。
创新点
首次对台湾灵芝（T. gaoligongensis）开展不同栽培方法下的多组学研究；发现含C. kanehirae或C. camphora基质的菌包栽培可显著促进三萜、antcins和antrodin C等活性次级代谢物积累；鉴定TgHMGR可能为萜类生物合成的关键限速酶，并预测多个可能调控该途径关键基因的转录因子（如TgHSF4、TgMYB6等）。
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taiwanofungus gaoligongensis (strain YAF008) | 萜类生物合成（甲羟戊酸MVA途径） | TgHMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 可能为萜类生物合成的关键限速酶，在NZJB中表达显著高于XZJB和DM |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 萜类生物合成（MVA途径） | TgFPPS1 | 法尼基焦磷酸合酶1 | 催化 | 在子实体（GLG）中表达最高 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 萜类生物合成（MVA途径） | TgFPPS2 | 法尼基焦磷酸合酶2 | 催化 | 在DM中表达最高，可能受TgMYB6调控 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 三萜和麦角甾醇生物合成 | TgSQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 参与三萜前体合成 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 三萜生物合成 | TgOSC | 2,3-氧化鲨烯环化酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化为羊毛甾醇等 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成 | TgErg2 | C-8甾醇异构酶（推测） | 催化 | 可能受TgZnF1调控 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成 | TgErg3 | C-5甾醇脱氢酶（推测） | 催化 | 可能受TgMYB9调控 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成 | TgErg5 | C-22甾醇脱氢酶（推测） | 催化 | 可能受TgHOX1调控 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成 | TgErg6_1 | C-24甾醇甲基转移酶（推测） | 催化 | 可能受TgHMG8调控 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成 | TgErg6_2 | C-24甾醇甲基转移酶同工酶 | 催化 | 与antcin积累正相关 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成 | TgErg11 | 羊毛甾醇14α-脱甲基酶 | 催化 | 麦角甾醇合成关键酶 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成 | TgErg25 | C-4甲基甾醇氧化酶（推测） | 催化 | 与antcin I显著正相关 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成 | TgErg26 | C-3甾醇脱氢酶（推测） | 催化 | 与多种antcin正相关 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 萜类生物合成信号调控 | TgHSF4 | 热激转录因子4 | 调控 | 可能调控TgHMGR表达 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 萜类生物合成信号调控 | TgMYB6 | MYB转录因子6 | 调控 | 可能调控TgFPPS2表达 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成调控 | TgZnF1 | 锌指转录因子1 | 调控 | 可能调控TgErg2表达 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成调控 | TgMYB9 | MYB转录因子9 | 调控 | 可能调控TgErg3表达 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成调控 | TgHOX1 | 同源异型盒转录因子1 | 调控 | 可能调控TgErg5表达 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 麦角甾醇生物合成调控 | TgHMG8 | HMG-box转录因子8 | 调控 | 可能调控TgErg6_1表达 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | antrodin C生物合成 | wrbA | NAD(P)H依赖性黄素氧化还原酶（推测） | 催化 | 在NZJB中高表达，参与antrodin C合成 |
| Taiwanofungus gaoligongensis | 萜类生物合成（MVA途径） | TgAACT | 乙酰辅酶A乙酰转移酶 | 催化 | MVA途径第一个酶，催化两分子乙酰辅酶A生成乙酰乙酰辅酶A |
关键发现
- 在菌包栽培（NZJB和XZJB）中，三萜含量分别比大米培养基（DM）高7倍和3.9倍
- antcin C在XZJB中最高（比DM高9.72倍，占XZJB总antcins的98%），antcin I在NZJB中最高（比DM高12.83倍，占NZJB总antcins的87%）
- antrodin C在NZJB中最高，比GLG（椴木栽培子实体）高3.2倍、比DM高4.08倍。此外，子实体中总萜类含量最高，分别为DM、NZJB、XZJB的5.9、2.2、3.2倍
- 二萜含量在NZJB中为DM的9倍，三萜为7倍
- XZJB中二萜为5.4倍、三萜为3.9倍。还发现，dankasterone A在DM中比GLG高54倍，ergosterol peroxide高5.8倍
- nerolidol在NZJB和XZJB中比GLG高55和53倍
- sesamin在NZJB中比GLG高11倍
- antrodin C在NZJB中比GLG高3.2倍。转录组分析显示不同栽培方法下相关基因表达差异显著，TgHMGR在NZJB中显著高表达，与三萜积累相关。共表达和启动子结合位点预测提示TgHSF4和TgMYB6可能分别调控TgHMGR和TgFPPS2，TgZnF1、TgMYB9、TgHOX1、TgHMG8可能分别调控TgErg2、TgErg3、TgErg5和TgErg6_1。
研究结论
本研究表明，含C. kanehirae或C. camphora基质的菌包栽培能显著提高台湾灵芝菌丝体中萜类（尤其三萜）、antcins和antrodin C等活性次级代谢物的含量，其中三萜和antcin类含量在NZJB和XZJB中显著高于DM，antrodin C在NZJB中甚至超过子实体。TgHMGR被证实可能是萜类生物合成的关键限速酶，并受TgHSF4等转录因子调控。这些发现为优化人工栽培策略、提高药用活性产物产量提供了理论基础。