Identification of a key gene involved in triterpenoid biosynthesis in Sanghuangporus baumii under Mn2+ induction and its regulatory role
- 作者
- Zengcai Liu, Chenyuan Si, Wenqi Xiao, Anxin Wang, Li Zou
- 杂志
- BMC Plant Biology（2025）
- DOI
- 10.1186/s12870-025-07200-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
桑黄（Sanghuangporus baumii）三萜类化合物天然产量低，生物合成途径认知不足，限制其药理应用。
研究策略
通过Mn2+诱导桑黄菌丝体，测定生物量、总三萜含量，结合转录组分析鉴定候选关键基因HMGS，并在酿酒酵母中异源表达验证其调控三萜合成的作用。
核心内容
该研究以桑黄菌丝体为对象，利用Mn2+诱导处理结合转录组分析，探究三萜生物合成的关键基因及其调控机制。实验设置不同浓度Mn2+处理，测定生物量、总三萜含量及乙酰辅酶A水平，并通过Pearson相关性分析锁定候选基因，最终在酿酒酵母中异源表达验证其功能。结果表明，1 mM Mn2+使菌丝生物量增加至4.46±0.04 g/L，而10 mM Mn2+虽抑制生长却使总三萜含量达28.7±0.3 mg/g，为对照组的2.03倍，同时乙酰辅酶A含量提升2.63倍。转录组分析发现HMGS基因表达上调26倍，且与三萜含量高度相关。异源表达HMGS的酿酒酵母菌株角鲨烯产量达1.13±0.01 mg/L，为对照组的1.92倍；进一步添加5 mM Mn2+和2 mg/L丙酮酸后，角鲨烯产量提升至2.37±0.02 mg/L。该研究首次证实HMGS是Mn2+调控桑黄三萜合成的关键酶，Mn2+与丙酮酸联合添加可有效提高角鲨烯产量，为桑黄三萜的代谢工程优化提供了重要靶点和策略基础。
创新点
首次报道Mn2+对桑黄三萜生物合成的影响；通过转录组与Pearson相关性分析锁定HMGS为关键基因；异源表达证实HMGS功能，并发现Mn2+与丙酮酸联合添加能协同提高角鲨烯产量。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | HMGS | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 关键基因，Mn2+诱导下表达上调26倍，催化乙酰-CoA生成HMG-CoA |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | AACT | 乙酰-CoA酰基转移酶 | 催化 | 与三萜含量高度相关（R>0.90） |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 与三萜含量高度相关（R>0.90） |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | MVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 表达随Mn2+浓度升高而增加 |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 与三萜含量高度相关（R>0.90） |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | MVD | 甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶 | 催化 | 表达随Mn2+浓度升高而增加 |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | IDI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 与三萜含量高度相关（R>0.90） |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | FPPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 表达随Mn2+浓度升高而增加 |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 甲羟戊酸途径（三萜生物合成） | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子FPP生成角鲨烯 |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 丙酮酸代谢/三萜前体供给 | PDH1 | 丙酮酸脱氢酶 | 催化 | Mn10组表达为Mn0组的2.21倍，提供乙酰-CoA |
| Sanghuangporus baumii DL102 | 过氧化物酶体通路 | SOD2 | 超氧化物歧化酶 | 催化 | Mn2+诱导上调，导致H2O2积累，可能与高浓度Mn2+毒性相关 |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | 甲羟戊酸途径（异源表达） | HMGS（来自桑黄） | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 异源表达菌株Sc-HS1，角鲨烯产量提高1.92倍；添加Mn2+和丙酮酸后进一步提高至2.37 mg/L |
关键发现
- 1 mM Mn2+使桑黄菌丝生物量增加0.42 g/L（达4.46±0.04 g/L）
- 10 mM Mn2+时总三萜含量最高为28.7±0.3 mg/g，为对照组的2.03倍
- 乙酰辅酶A含量在Mn10组为158.65 nmol/g，为Mn0组的2.63倍
- HMGS表达上调26倍，且与三萜含量高度相关（R>0.90）
- 异源表达HMGS的酿酒酵母Sc-HS1角鲨烯产量为1.13±0.01 mg/L，为Ck组（0.59±0.03 mg/L）的1.92倍
- 添加5 mM Mn2+和2 mg/L丙酮酸后，Sc-HS1角鲨烯产量提升至2.37±0.02 mg/L，Ck组为1.6±0.01 mg/L。
研究结论
Mn2+对桑黄生长和代谢具有双向作用：1 mM Mn2+促进菌丝生物量积累，10 mM Mn2+抑制生长但显著促进三萜积累；HMGS是Mn2+调控三萜生物合成的关键酶，异源表达验证其功能，且Mn2+与丙酮酸联合添加是提高角鲨烯产量的最有效策略。这为通过代谢工程优化桑黄三萜生产奠定了基础。