ATP deficiency triggers ganoderic acids accumulation via fatty acid β-oxidation pathway in Ganoderma lucidum
- 作者
- Weidong Liu, Yin Sun, Sining Yue, Yi Kong, Qianqian Cong, Yufei Lan, Mingwen Zhao, Liang Shi
- 单位
- Key Laboratory of Agricultural Environmental Microbiology, Ministry of Agriculture; Microbiology Department, College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210095, China; Tai'an Academy of Agricultural Sciences, Tai'an, Shandong 271000, China
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2025）
- DOI
- 10.1186/s12934-025-02668-2
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
灵芝酸产量低是应用瓶颈，环境变化如何通过能量代谢影响其生物合成的机制尚不清楚。
研究策略
通过多种环境胁迫处理观察ATP与GA含量变化，利用RNAi沉默ATPsyn-beta和ATP合酶抑制剂（Oli）模拟ATP缺乏，分析乙酰-CoA来源相关通路，并通过共沉默和脂肪酸β-氧化抑制剂（etomoxir）验证脂肪酸β-氧化的关键作用。
核心内容
本研究以灵芝为对象，探究了能量代谢（ATP水平）对灵芝酸（GA）生物合成的调控机制。作者首先通过热激、氮限制及MeJA、SA等环境胁迫处理，发现GA含量上升46.3%–170.5%，而ATP含量下降52.0%–74.5%，初步建立了ATP缺乏与GA积累的负相关关系。进一步利用ATP合酶抑制剂Oli和沉默ATPsyn-beta基因模拟ATP缺乏，证实ATP减少69.3%–91.1%可显著促进GA合成（最高增加72.8%），同时上调甲羟戊酸途径关键基因hmgr、sqs、osc表达139.9%–178.7%。机制解析表明，ATP缺乏时乙酰-CoA含量增加约一倍，而脂肪酸β-氧化抑制剂etomoxir可逆转GA升高幅度约30%–37%，共沉默β-氧化相关基因acd或hcd-r2则完全消除乙酰-CoA和GA的积累。由此揭示，ATP缺乏通过激活脂肪酸β-氧化途径补给乙酰-CoA，进而驱动甲羟戊酸途径促进灵芝酸合成。该发现为通过调控能量代谢提升灵芝酸产量提供了新的理论策略。
创新点
揭示了ATP缺乏与灵芝酸积累之间的负相关调控关系，发现脂肪酸β-氧化是ATP缺乏条件下乙酰-CoA补给的主要途径，为通过调控能量代谢提高灵芝酸产量提供新策略。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ganoderma lucidum | 灵芝酸生物合成（甲羟戊酸途径） | hmgr | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 限速酶，ATP缺乏时转录上调 |
| Ganoderma lucidum | 灵芝酸生物合成（甲羟戊酸途径） | sqs | 角鲨烯合酶 | 催化 | 限速酶，ATP缺乏时转录上调 |
| Ganoderma lucidum | 灵芝酸生物合成（甲羟戊酸途径） | osc | 氧化鲨烯环化酶 | 催化 | 限速酶，ATP缺乏时转录上调 |
| Ganoderma lucidum | 能量代谢/ATP合成 | ATPsyn-beta | ATP合酶β亚基 | 能量供给 | RNAi沉默导致ATP缺乏，促进GA积累 |
| Ganoderma lucidum | 脂肪酸β-氧化 | acd | 中链酰基辅酶A脱氢酶 | 催化 | ATP缺乏时转录上调，共沉默逆转乙酰-CoA和GA积累 |
| Ganoderma lucidum | 脂肪酸β-氧化 | hcd-r2 | 3-羟酰基辅酶A脱氢酶 | 催化 | ATP缺乏时转录上调，共沉默逆转乙酰-CoA和GA积累 |
| Ganoderma lucidum | 脂质代谢 | tgl | 三酰甘油脂肪酶 | 催化 | ATP缺乏时转录上调，与脂肪酸动员有关 |
| Ganoderma lucidum | 糖酵解 | hk | 己糖激酶 | 催化 | ATP缺乏时转录上调 |
| Ganoderma lucidum | 糖酵解 | pfk | 磷酸果糖激酶 | 催化 | ATPsyn-beta沉默时转录上调 |
| Ganoderma lucidum | 糖酵解 | pk | 丙酮酸激酶 | 催化 | ATP缺乏时转录上调 |
| Ganoderma lucidum | 丙酮酸氧化脱羧 | pdc | 丙酮酸脱氢酶复合体 | 催化 | ATP缺乏时酶活性下降，但转录无显著变化 |
关键发现
- 热激、氮限制、MeJA和SA处理使GA含量分别增加170.5%、46.3%、52.4%和50.7%，ATP含量分别下降60.0%、67.0%、74.5%和52.0%
- Oli处理（0.5-2 μM）使ATP降低68.9%-91.1%，GA增加62.9%-72.8%
- ATPsyn-beta沉默株ATP减少69.3%-75.2%，GA增加39.1%-47.8%
- Oli处理或ATPsyn-beta沉默使MVA途径关键基因hmgr、sqs、osc转录上调139.9%-178.7%
- 乙酰-CoA含量在Oli处理和沉默株中分别增加104.1%和105.9%-118.3%
- 脂肪酸β-氧化抑制剂etomoxir可使ATPsyn-beta沉默株的GA升高幅度逆转36.9%和30.5%，Oli处理的逆转31.2%
- 共沉默acd或hcd-r2能消除ATPsyn-beta沉默引起的乙酰-CoA和GA积累。
研究结论
细胞内ATP缺乏是环境胁迫诱导灵芝酸积累的关键触发因素，其通过激活脂肪酸β-氧化途径增加乙酰-CoA供给，进而上调MVA途径促进灵芝酸合成。该发现为通过调控能量代谢提高灵芝酸产量提供了理论依据。