0 引 言
草原黑蘑(
Agaricus arvensis),隶属于蘑菇属,主要分布于中国北方草原
[1]。作为一种珍贵的野生食用菌资源,草原黑蘑富含蛋白质、多糖等多种营养及活性成分,具有较高的食用价值和生态价值
[2]。同时,该类蘑菇可以与牧草共同形成蘑菇圈,维持草原生态系统的平衡与稳定性
[3]。然而,草原黑蘑对生长环境较为敏感。近年来,受草原生态环境退化及自身生长缓慢、适应性差等因素制约,在自然条件下,草原黑蘑生物量日趋减少,资源保护迫在眉睫
[4]。
目前,关于草原黑蘑的研究多集中在分类鉴定、生态学特性以及营养成分等方面
[5],而对其优质生长及环境适应的遗传基础、关键功能基因及其作用机制的研究相对较少,不利于该类野生真菌资源的科学保护与合理利用
[6]。为了加强资源保护,选育生长速度快且质量优异的菌株,进行驯化和人工栽培,既有利于这一珍稀食用菌资源的开发与保护,又可带动市场,获得可观的经济效益。
随着基因组学和转录组学等多组学技术的发展,食用菌研究正逐步由表型观察向分子层面解析转变
[7]。多组学手段在揭示生长发育、代谢调控及环境适应性相关的功能基因方面已展现出显著优势
[8]。在此背景下,开展草原黑蘑种质资源创新及其关键功能基因研究,对于保护草原珍稀菌物、推动资源保护与可持续利用具有重要意义。因此,有必要从基因层面入手,开展草原黑蘑关键性状的研究,解析其生长、代谢过程中涉及的重要基因和调控通路,为优良性状的挖掘和优质菌种的选育提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试草原黑蘑菌株,由内蒙古自治区农牧业科学院蔬菜花卉研究所食用菌工程中心提供。以制备出的草原黑蘑原生质体作为诱变材料,在超净工作台内用等离子体装置(工作电压为5 kV,理论等离子体密度为2.5×107 PCS/CM3)产生的常温空气等离子体进行处理。将原生质体稀释至1×105个/mL,取300 μL铺于预制马铃薯葡萄糖琼脂固体培养基(PDA)的直径为7 cm的培养皿中,置于等离子体发生装置针尖下方约5 cm处进行常温空气等离子体诱变(ARTP)处理,时间梯度设为40、60和80 s;然后将培养皿置于生物培养箱内25 ℃暗培养,结合再生情况、生长速度及拮抗实验进行筛选,从再生菌株中筛选出菌丝体质量优良、生长速率明显变快的突变菌株作为实验组(A组);将未经等离子体处理的原始菌株作为对照组(ck组)。每组均设置3个生物学重复(A1、A2、A3,ck1、ck2、ck3),菌丝体在PDA固体培养皿中培养后筛选最优菌株委托武汉华大基因技术服务有限公司进行转录组测序(RNA-seq)。
1.2 文库构建及测序
测序获得的原始图像数据经碱基识别后转化为原始序列数据。随后对原始序列数据进行过滤后获得高质量测序数据,并以测序通用格式保存。使用Trinity软件对高质量测序数据进行从头组装,采用CD-HIT软件对组装得到的转录本进行聚类去冗余,获得非冗余转录本集合。之后,使用Bowtie2软件将高质量测序数据比对至非冗余转录本集合,并通过RSEM软件计算基因和转录本的表达水平,最终转换为每千碱基转录本每百万比对片段数。进一步对组装获得的非冗余代表序列进行功能数据库注释,获得相应的基因功能注释信息。
1.3 差异表达基因筛选及富集分析
根据各个样品基因表达水平,用DESeq2软件对A组与ck组进行差异表达基因检测,差异表达基因筛选的阈值为|log2FoldChange|≥0.4、padj<0.05,用火山图比较差异表达基因的分布情况,对筛选出的差异表达基因进行GO功能富集和KEGG通路分析,从而获得差异表达基因的主要生物学功能及主要生物化学代谢途径。
1.4 WGCNA分析
基于差异表达基因,进一步采用加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA)构建基因共表达网络,识别与目标表型相关的共表达基因模块及其枢纽基因(hub genes)。通过分析基因在不同样本中的表达模式,识别协同表达的基因集合,评估模块内基因的关联强度及其与表型特征的相关性,从而揭示基因网络与生物学表型之间的关系,筛选出与目标表型显著相关的基因模块。进一步结合Cytoscape3.10.3对模块网络进行可视化,筛选模块中连接度较高的枢纽基因,并挖掘关键的生长调控候选基因。
1.5 RT-qPCR验证
为验证转录组测序数据中差异表达基因表达趋势的可靠性,选取与中央碳代谢、细胞壁调控、谷胱甘肽代谢及蛋白质稳态相关的候选基因进行RT-qPCR分析。采用SYBR Green荧光定量体系进行扩增。每个样品设置3个生物学重复和3个技术重复。采用2-ΔCt法计算候选基因的相对表达量,并将RT-qPCR结果与转录组测序表达趋势进行比较,以评价转录组测序结果的可靠性。
2 结果与分析
2.1 转录组测序、组装结果分析
对草原黑蘑诱变前后6个样品转录组测序,然后对原始数据进行过滤,得到结果如
表1所示,各样品经质量过滤后保留下来的高质量测序碱基数量均达到6.25 Gb,基因集的平均比对率为86.57%,每个样本的Q20值均大于98%,Q30值均大于92%,经组装共得到33 486条非冗余代表序列,N50为1 995,GC含量均大于47%,使用BUSCO对组装完整性进行评估,所有样本的完整性均在95%以上,表明本实验测序数据质量好、覆盖率高,组装质量整体较高,可用于后续分析。
为了反映样本间基因表达的相关性,计算了每两个样品之间所有基因表达量的皮尔逊(Pearson)相关系数,结果如
图1所示,各生物学重复整体一致性较高,未发现明显离群样本,说明实验组和对照组之间基因表达存在差异。
2.2 差异表达基因的筛选
为挖掘在等离子体诱变下促进草原黑蘑菌丝体生长的关键基因,对A组与CK组样品进行基因表达量比较分析,筛选|log
2FoldChange|≥0.4、padj<0.05的基因作为差异表达基因,得到差异表达基因(DEGs)共1 756个,其中上调基因数为1 196个,下调基因数为560个,如
图2所示。
2.3 差异表达基因的GO功能富集及KEGG代谢通路分析
根据GO注释结果探究差异表达基因的主要生物学功能,差异表达基因按照功能被注释到生物过程、细胞组分、分子功能3个组类的47个小类中,对其进行富集并展示
q值最小的前20个GO条目,如
图3所示。在细胞组分方面,基因显著富集于膜系统、细胞壁及胞外区域等条目,表明生长过程中细胞通过强化膜完整性及细胞壁构建,为菌丝扩展提供结构基础。在生物学过程方面,基因显著富集于代谢重组与胁迫响应过程,包括谷胱甘肽代谢、鞘脂与脯氨酸合成、脂肪酸延伸及蛋白质重折叠等条目,反映出细胞在抗氧化防御、膜脂合成等方面所具备的调节作用。在分子功能方面,富集于催化与转移酶活性,包括谷胱甘肽转移酶、脂肪酸延伸酶等关键酶类,从功能上支持相关代谢通路的运行。
鞘脂生物合成过程、内质网腔、真菌型细胞壁、伴侣蛋白辅因子依赖的蛋白质重折叠、细胞壁的结构组成成分、极长链脂肪酸生物合成过程、精氨酸经鸟氨酸向脯氨酸的分解代谢过程、饱和脂肪酸延长过程、精氨酸分解代谢至谷氨酸的过程、单不饱和脂肪酸延长过程、多不饱和脂肪酸延长过程、鸟氨酸-α-酮酸转氨酶活性及脂肪酸延伸酶活性通路中富集到的基因全部上调表达,为菌丝体生长速度的提升提供代谢与结构基础。同时,参与鞘脂降解途径的葡萄糖神经酰胺酶活性所富集到的基因全部下调表达,可能进一步促进了鞘脂类物质的积累。
对差异表达基因进行KEGG代谢通路富集分析,主要参与KEGG代谢通路的5个分支:细胞过程、环境信息处理、遗传信息处理、代谢、有机系统,根据KEGG代谢通路注释分类,对其进行富集分析并对
q值最小的前20条通路进行展示,如
图4所示。富集到的通路为:代谢物生物合成、谷胱甘肽代谢、鞘脂代谢、脂肪酸延长、精氨酸和脯氨酸代谢、戊糖磷酸途径、牛磺酸和次牛磺酸代谢、内质网蛋白加工、碳代谢、
N-聚糖生物合成、精氨酸生物合成、其他聚糖降解、糖酵解/糖异生、三羧酸循环(TCA)、碳青霉烯类生物合成、氨基酸生物合成、果糖和甘露糖代谢、甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢以及抗坏血酸和醛酸代谢。其中的脂肪酸延长、N-聚糖生物合成、精氨酸生物合成、TCA等途径富集到的基因全部上调表达,提示草原黑蘑生长速度加快可能是能量代谢(糖酵解、TCA)、结构合成(脂肪酸延长、鞘脂代谢、N-聚糖生物合成)和胁迫响应(谷胱甘肽代谢、脯氨酸合成)等通路的协同作用。
2.4 相关KEGG通路分析
戊糖磷酸途径(pentose phosphate pathway,PPP)与糖酵解/糖异生(glycolysis/gluconeogenesis)和TCA循环途径共同构成中央碳代谢网络,通路间碳分配的作用决定了细胞生长、生物量的合成和积累能力
[9]。本研究中的差异表达基因功能注释与通路富集分析显示,处理组在与中央碳代谢和能量转换相关的关键通路中发生了协同调控,在有氧条件下,草原黑蘑细胞以葡萄糖为碳源,通过糖酵解生成丙酮酸并进入线粒体,经乙酰辅酶A进入TCA,这是细胞能量代谢与碳代谢的核心路径。
在糖酵解/糖异生通路中,富集到16个差异表达基因,分布在10个关键反应节点,如
图5所示,主要参与葡萄糖活化、丙酮酸生成等过程。其中,己糖激酶、磷酸葡萄糖异构酶等糖酵解起始节点上调表达,提示葡萄糖利用及代谢启动能力增强;同时,果糖-1,6-二磷酸醛缩酶、丙酮酸激酶等下游节点上调,表明碳流更倾向于向丙酮酸方向转化。相对而言,部分糖异生关键节点未同步上调,说明碳源主要用于能量生成和合成代谢,而非储存。
与糖酵解通路中碳流增强的变化相一致,PPP中共有13个差异表达基因分布于10个关键节点,如
图6所示,表明在碳输入增加的背景下,部分碳流被分流至该通路。其氧化阶段关键酶(如葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶)上调,显示细胞在碳通量提高的同时增强了NADPH的生成能力,为脂质合成及谷胱甘肽介导的抗氧化过程提供还原力,而转酮酶和转醛酶等节点的上调,可能有助于在PPP与糖酵解之间更灵活地调配碳源,为核苷酸和细胞结构成分的持续合成提供更多原料。
在TCA通路中,共富集到8个差异表达基因,对应调控8个关键反应节点,均呈上调表达,如
图7所示,线粒体中央碳代谢增强,有利于持续生成NADH/FADH
2并提供多种生物合成所需的原料,如氨基酸、脂质及细胞壁多糖前体。
在结构层面,真菌型细胞壁构建、细胞壁结构组成成分功能条目中富集到的差异表达基因均呈上调表达,以及膜脂合成相关的功能条目同样以上调表达为主,表明碳代谢与能量代谢所提供的物质与能量基础可能被有效转化用于细胞壁和膜系统的持续构建,从而为菌丝生长和生物量形成提供支持
[10]。由此得到上述关键通路中的关键节点基因Unigene10089-S2、Unigene24622-S1、Unigene6909-S5、Unigene22879-S6以及谷胱甘肽代谢通路关键节点基因Unigene24037-S5,同时发现了一个在线粒体内部帮助蛋白质进行正确重折叠的分子伴侣蛋白基因hspa9(Unigene22493-S1)表达在A组中上调。
2.5 WGCNA分析鉴定草原黑蘑生长速度加快的关键基因
采用WGCNA对差异表达基因进行进一步分析,相关度较高的基因被分配到同一个模块中,样本层次聚类结果显示6个样本均无离群现象。采用ward.D2算法进行层次聚类,设定最小模块大小为minModuleSize=150,将表达模式相似的基因归类至不同颜色模块。通过计算各模块的特征表达值并绘制模块与表型之间的相关性热图,依据皮尔逊相关系数及
P值(
P<0.05)选择
图8中与目标性状最显著相关(
r=0.96,
P=0.002)的黑色模块。
进一步筛选模块内前150个基因-基因调控对,共48个基因作为模块的hub基因,用Cytoscape软件保留节点连接度大于4的调控对进行基因调控网络可视化,如
图9所示。
对目标基因集进行GO功能分析显示,其主要位于膜内在成分和内质网膜等细胞结构,涉及多种与氧化还原调控和蛋白加工相关的分子功能。上述结果表明,该基因集可能通过增强内质网介导的蛋白质加工与糖基化能力、维持膜系统稳定性以及提高抗氧化防御水平
[11],协同支撑草原黑蘑菌丝生长与生物量积累,从而在其快速生长过程中发挥重要作用。得到候选的关键基因Unigene1172-S2、Unigene19331-S6、Unigene7645-S1。值得一提的是,Unigene7645-S1注释为蛋白磷酸酶Ptc1(K19704),并富集于真菌型细胞壁和胞外区域相关GO条目,提示其可能参与细胞壁结构调控过程,其在处理组中显著上调,表明细胞可能通过加强细胞壁完整性相关调控来维持结构稳定并适应快速生长的需求
[12-13],已有研究表明,Ptc1类蛋白磷酸酶可通过调控MAPK及相关应激信号通路以及调节细胞壁合成相关酶的磷酸化状态,在细胞生长与环境响应过程中发挥重要调节作用
[14]。这与前文富集分析的结果相呼应,为后续性状验证提供了候选的通路与基因基础。
2.6 候选差异表达基因的RT-qPCR验证
以AbActin和AbEFa作为内参基因,选取包括上述分析所得的候选关键差异表达基因在内的10个基因进行RT-qPCR分析,结果如
图10所示。根据实验组与对照组之间基因表达量的倍数变化及P值对表达差异进行统计标注,
P值越小代表表达差异越显著,图中处理组7个基因显著上调,2个基因显著下调,1个基因虽呈上调趋势但差异不显著。
如
表2所示,各基因的qRT-PCR表达变化趋势与转录组测序结果基本一致,仅J基因表达不一致,进一步支持了转录组测序结果及候选基因筛选结果的可靠性,为前文挖掘得到的候选关键基因提供了支持。
3 讨 论
已有研究认为,糖酵解、PPP和TCA等中央碳代谢通路通过碳通量分配共同影响细胞生长、生物量积累和合成能力
[9]。单一代谢酶的调控难以改变整体表型,需将PPP置于中央代谢网络中理解其功能,并从网络层面说明其通过与其他通路协同调控碳流,为合成代谢和生物量形成提供物质基础;关于蟹味菇(
Hypsizygus marmoreus)的研究中分析了中央碳代谢对菌丝生长和生产性状的影响,通过分子生物学手段提高了PPP中关键酶G6PDH的表达水平,处理组菌丝生长速率明显加快,表现出显著提升的葡萄糖利用能力和PPP相关代谢活性,这点与本实验结果相吻合,其菌丝生长速率及出菇周期明显加快。进一步的栽培实验结果显示,G6PDH表达增强可使蟹味菇出菇周期缩短约4~5 d,同时单袋产量提高约7.4%
[15]。在本研究中,诱变处理后的样品同样表现出PPP关键酶G6PDH及非氧化支路酶的协同上调,表明其细胞内部对碳源的利用方式更有利于生物合成和生长,这为其生长速度提升提供了重要的参考。除关键酶G6PDH表达量增强外,非氧化支路关键酶也同步上调,G6PDH的上调增强了PPP的入口通量,而非氧化支路相关酶的激活则提高了前体的供给能力,使碳更倾向于支持核苷酸合成、氨基酸合成以及细胞结构与生物量的积累
[16]。结合已有研究对PPP作为中央代谢枢纽在增强真菌环境适应能力和生产率中的作用
[17],本研究通过诱变处理获得了代谢特征相似、但更接近天然调控状态的PPP激活模式。
同时,关于蟹味菇生长促进机制的代谢组学研究中指出,中央碳代谢中PPP的增强可提高糖酵解与TCA的运行效率,从而显著提升细胞能量供给水平。其结果表明,TCA关键中间代谢物及ATP/ADP比值的升高,不仅有利于能量生成,同时通过连接氨基酸代谢促进生物量积累,为菌丝快速生长和后续发育提供代谢基础
[18]。在本研究中,TCA及糖酵解通路的显著富集及关键节点的整体上调,表明诱变处理后草原黑蘑中央碳代谢呈现协同增强特征。结合差异表达基因功能注释结果可以看出,糖酵解关键节点的上调增强了葡萄糖向丙酮酸转化的能力,而TCA通路中关键节点的上调,则有利于丙酮酸进入线粒体并参与中央碳代谢运行,从而为细胞提供能量生成的潜力及多种生物合成所需的中间代谢物。综合来看,样品经诱变处理后的中央碳代谢状态整体增强,且该状态在代谢层面上为菌丝生长和生物量积累提供了有利条件,推测诱变处理可能通过重塑中央碳代谢网络,为样品后续生长性能提升及增产奠定了重要基础。总体来看,这些变化在代谢和功能层面上共同指向一种有利于生物量积累的状态,为生长速度提升性状提供了合理的基础。
对于hspa9同源基因(Unigene22493-S1)上调表达,已有研究通过拟南芥mtHSC70-1缺失突变体的表型与机制分析表明,线粒体Hsp70功能受损会导致明显的生长发育缺陷,并出现胚胎发育异常等表型,提示其对高能量需求发育阶段的线粒体功能维持具有重要作用
[19];而通过生化分析强调Ssc1作为线粒体基质的主要Hsp70,参与胞质蛋白向线粒体基质的转运及其后续折叠过程,解释了其为何会直接影响呼吸代谢与细胞生长能力
[20]。本研究中,hspa9同源基因在处理组中上调,属于线粒体Hsp70分子伴侣家族,主要参与核编码线粒体蛋白的导入、折叠与装配,并在维持线粒体稳态和能量代谢连续性中发挥关键作用。此基因往往在高代谢、生长活跃情况下上调,保障线粒体在复杂代谢环境中稳定运行。
4 结 论
综合以上结果可知,常温空气等离子体处理草原黑蘑原生质体可诱导基因表达的广泛变化,对这些差异表达基因的GO功能富集及KEGG代谢通路分析表明,试验组表现出以中央碳代谢重新分配为核心的变化特点,其中PPP和TCA关键酶的协同上调,表明其细胞内部对碳源的利用方式更有利于生物合成和生长。而细胞壁相关通路以及膜脂和鞘脂代谢的上调,表明这种增长在结构构建方面有所体现,从而支持菌丝体实现快速增长。总体来看,这些变化在代谢和功能层面上共同指向一种有利于生物量积累的状态,为快速生长的性状提供了合理的基础与解释,同时潜在候选基因的上调维持了菌丝体在高速生长压力下生命活动的稳定,过程中筛选所得草原黑蘑菌丝体加快生长速度的关键调控潜在基因的具体功能仍需后续通过药理学实验、遗传突变体表型分析或基因编辑等方法进一步验证。
国家自然科学基金项目(62361047)
国家自然科学基金项目(32160216)