基于转录组分析的金针菇冷诱导原基形成的调控网络
发布时间：2022-01-09 13:05
金针菇是低温结实型菌类,原基形成需要低温诱导,子实体发育也需要较低的温度,因此在工厂化生产过程中能源消耗大,生产成本高。本研究利用转录组测序对金针菇菌丝体和原基进行RNA-Seq分析,筛选得到7 935个差异表达基因,在原基形成后,有4 025个基因上调表达以及3 910个基因下调表达。通过GO注释和KEGG通路注释等生物信息学手段对代谢途径进行分析,可推测冷诱导形成原基的代谢调控为:当金针菇菌丝细胞接受到冷信号后,糖分转运相关的基因表达量下降,导致碳源摄取效率下降,因而糖酵解途径大部分相关基因表达量下调,进而导致三羧酸循环的底物乙酰辅酶A（乙酰Co A）合成量减少,整个细胞能量产出下降。此负反馈信号使细胞内储存的脂质进行氧化代谢的基因表达上调,产出乙酰Co A以供三羧酸循环产能。此负反馈导致不饱和脂肪酸的合成基因表达上调,以调节细胞流动性;同时磷脂和鞘脂代谢通路的相关基因表达大多上调,合成增多,细胞膜的组分因此改变,因此细胞进行重构进入另一种状态。与DNA复制、RNA转录和蛋白质合成的相关基因表达均大部分上调,表明了原基形成时细胞正处于增殖旺盛时期。本研究结果从分子水平上揭示了金针菇...
【文章来源】：菌物学报. 2020,39(06)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
金针菇材料
在糖类物质摄取方面，注释与糖类物质转运相关的转录本中有30个出现了基因的表达差异，80%的基因处于下调，说明此时原基状态的金针菇摄取糖分的能力变差。因此也影响糖的初步利用，导致糖酵解途径前半段的异构酶、磷酸化酶基因表达量下调。值得注意的是，糖酵解途径中的果糖-二磷酸醛缩酶（EC:4.1.2.13）基因表达量上调，其酶促产物甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸是丙酮酸的前体物质。与此同时，丙酮酸脱羧酶（EC:4.1.1.1）基因表达下调以及利用乙酰CoA的柠檬酸合酶（EC:2.3.3.1）基因大幅度上调，说明丙酮酸的转化趋于三羧酸循环产能的方向。可推测由于糖分的摄取降低，碳水化合物代谢的能力下降，细胞正常生长需要的能量则需要额外的补充，只能通过加大三羧酸循环增加产能，而这额外的前体物质乙酰CoA则需要从其他途径中补充。在三羧酸循环中，有3个基因的表达量发生了变化，但幅度不大，而且都涉及辅酶NADH或FADH2主要产能物质的反应。金针菇细胞的增殖与细胞壁和细胞质的合成息息相关，其中糖酵解主导细胞壁的生成。食用菌细胞壁主要含有几丁质和β-葡聚糖，其他为半纤维素和甘露聚糖等。葡聚糖在食用菌中对维持细胞稳定（如抗逆性）起着关键作用（Manzi&Pizzoferrato 2000）。我们的研究发现与几丁质合成酶（EC:2.4.1.16）和几丁质脱乙酰酶（EC:3.5.1.41）注释的基因多数呈现差异的均为下调，可推测其产物壳聚糖产量下降。在另一方面，虽然与β-葡聚糖合成相关的酶并无明显差异，但是生成其重要的前体物UDP-葡萄糖的UTP-1-磷酸葡萄糖尿酰转移酶（EC:2.7.7.9）基因上调，导致UDP-葡萄糖生成增多，也因此可能导致β-葡聚糖的产量增加。Jayakumar et al.(2011）认为真菌细胞壁的组成是可变的，取决于细胞的年龄和环境因素。综上所述，表明金针菇此时的细胞壁组成成分发生了改变，壳聚糖的比例下降，葡聚糖的比例上升，是形成原基的一个重要原因。
脂质不仅在糖酵解不足的情况下作为后备物质功能，而且参与了细胞膜的形成（Athenaki et al.2018）。细胞膜的主要成分是磷脂和鞘脂以及真菌中特有的麦角甾醇。在分析甘油磷脂通路的时候，发现与烷酰基CoA相关的酶，如磷酸甘油酯O-酰基转移酶（EC:2.3.1.42）、3-磷酸甘油-O-酰基转移酶（EC:2.3.1.15）和溶血磷脂酸酰基转移酶（EC:2.3.1.51）都有小幅度的上调，为磷脂的合成提供了充足的底物。通过对整个甘油磷脂通路基因上下调分析，可得知双磷脂酰甘油、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺的生成会增加，但没有明显通路表明其他类型的磷脂会减少。值得注意的是，在甘油脂代谢途径中发现，三酰甘油作为能量储备的重要物质之一，其对应的合成酶二酰甘油酰基转移酶（EC:2.3.1.158）的转录本基因有4倍的下调，说明此时原基状态的金针菇正处于放能状态，也是由于碳源供应不足导致减缓储能，同时有更多的二酰甘油作用于磷脂的生成，推高细胞膜在原基状态时的合成速率。在分析鞘磷脂代谢途径的时候，发现基因上调的转录本占整个途径有差异的大部分，而且上调基因中的鞘磷脂磷酸二酯酶（EC:3.1.4.12）和鞘脂4-去饱和酶（EC:1.14.19.17）的生成物是神经酰胺。神经酰胺在细胞增殖、程序性细胞死亡（细胞凋亡）和细胞信号转导中起重要作用（Slotte 2013）。在对于产生甾醇的合成途径分析时，发现角鲨烯合成酶（EC:2.5.1.21）相关的转录本有2倍的上调，其产物角鲨烯是一种链状三萜化合物，开环的胆固醇具有良好抗氧化活性（赵振东和孙震2004），推测寒冷的状态下会刺激细胞中的抗氧化物质生成以更好地保护细胞。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国五种重要食用菌学名新注[J]. 戴玉成,杨祝良. 菌物学报. 2018(12)
[2]泛素连接酶APC/C参与的泛素化与细胞周期调节[J]. 付航玮,钟浩,陈平. 中国生物化学与分子生物学报. 2017(07)
[3]35种食用菌菌丝生长和子实体分化温度的聚类分析[J]. 庞杰,孙国琴,于静,孟虎,王海燕,刘燕,杨志刚. 中国食用菌. 2015(06)
[4]泛素-蛋白酶体途径及意义[J]. 吴慧娟,张志刚. 国际病理科学与临床杂志. 2006(01)
[5]逆境对真菌膜脂肪酸成分的影响[J]. 陆合,张学昆,李加纳,雷天刚. 微生物学杂志. 2005(02)
[6]生物活性物质角鲨烯的资源及其应用研究进展[J]. 赵振东,孙震. 林产化学与工业. 2004(03)
硕士论文
[1]低温胁迫下金针菇差异蛋白组学研究[D]. 元玲刚.山西农业大学 2016
[2]金针菇生活史各阶段核相研究[D]. 许昭仪.湖南师范大学 2014
本文编号：3578773
【文章来源】：菌物学报. 2020,39(06)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
金针菇材料
在糖类物质摄取方面，注释与糖类物质转运相关的转录本中有30个出现了基因的表达差异，80%的基因处于下调，说明此时原基状态的金针菇摄取糖分的能力变差。因此也影响糖的初步利用，导致糖酵解途径前半段的异构酶、磷酸化酶基因表达量下调。值得注意的是，糖酵解途径中的果糖-二磷酸醛缩酶（EC:4.1.2.13）基因表达量上调，其酶促产物甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸是丙酮酸的前体物质。与此同时，丙酮酸脱羧酶（EC:4.1.1.1）基因表达下调以及利用乙酰CoA的柠檬酸合酶（EC:2.3.3.1）基因大幅度上调，说明丙酮酸的转化趋于三羧酸循环产能的方向。可推测由于糖分的摄取降低，碳水化合物代谢的能力下降，细胞正常生长需要的能量则需要额外的补充，只能通过加大三羧酸循环增加产能，而这额外的前体物质乙酰CoA则需要从其他途径中补充。在三羧酸循环中，有3个基因的表达量发生了变化，但幅度不大，而且都涉及辅酶NADH或FADH2主要产能物质的反应。金针菇细胞的增殖与细胞壁和细胞质的合成息息相关，其中糖酵解主导细胞壁的生成。食用菌细胞壁主要含有几丁质和β-葡聚糖，其他为半纤维素和甘露聚糖等。葡聚糖在食用菌中对维持细胞稳定（如抗逆性）起着关键作用（Manzi&Pizzoferrato 2000）。我们的研究发现与几丁质合成酶（EC:2.4.1.16）和几丁质脱乙酰酶（EC:3.5.1.41）注释的基因多数呈现差异的均为下调，可推测其产物壳聚糖产量下降。在另一方面，虽然与β-葡聚糖合成相关的酶并无明显差异，但是生成其重要的前体物UDP-葡萄糖的UTP-1-磷酸葡萄糖尿酰转移酶（EC:2.7.7.9）基因上调，导致UDP-葡萄糖生成增多，也因此可能导致β-葡聚糖的产量增加。Jayakumar et al.(2011）认为真菌细胞壁的组成是可变的，取决于细胞的年龄和环境因素。综上所述，表明金针菇此时的细胞壁组成成分发生了改变，壳聚糖的比例下降，葡聚糖的比例上升，是形成原基的一个重要原因。
脂质不仅在糖酵解不足的情况下作为后备物质功能，而且参与了细胞膜的形成（Athenaki et al.2018）。细胞膜的主要成分是磷脂和鞘脂以及真菌中特有的麦角甾醇。在分析甘油磷脂通路的时候，发现与烷酰基CoA相关的酶，如磷酸甘油酯O-酰基转移酶（EC:2.3.1.42）、3-磷酸甘油-O-酰基转移酶（EC:2.3.1.15）和溶血磷脂酸酰基转移酶（EC:2.3.1.51）都有小幅度的上调，为磷脂的合成提供了充足的底物。通过对整个甘油磷脂通路基因上下调分析，可得知双磷脂酰甘油、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺的生成会增加，但没有明显通路表明其他类型的磷脂会减少。值得注意的是，在甘油脂代谢途径中发现，三酰甘油作为能量储备的重要物质之一，其对应的合成酶二酰甘油酰基转移酶（EC:2.3.1.158）的转录本基因有4倍的下调，说明此时原基状态的金针菇正处于放能状态，也是由于碳源供应不足导致减缓储能，同时有更多的二酰甘油作用于磷脂的生成，推高细胞膜在原基状态时的合成速率。在分析鞘磷脂代谢途径的时候，发现基因上调的转录本占整个途径有差异的大部分，而且上调基因中的鞘磷脂磷酸二酯酶（EC:3.1.4.12）和鞘脂4-去饱和酶（EC:1.14.19.17）的生成物是神经酰胺。神经酰胺在细胞增殖、程序性细胞死亡（细胞凋亡）和细胞信号转导中起重要作用（Slotte 2013）。在对于产生甾醇的合成途径分析时，发现角鲨烯合成酶（EC:2.5.1.21）相关的转录本有2倍的上调，其产物角鲨烯是一种链状三萜化合物，开环的胆固醇具有良好抗氧化活性（赵振东和孙震2004），推测寒冷的状态下会刺激细胞中的抗氧化物质生成以更好地保护细胞。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国五种重要食用菌学名新注[J]. 戴玉成,杨祝良. 菌物学报. 2018(12)
[2]泛素连接酶APC/C参与的泛素化与细胞周期调节[J]. 付航玮,钟浩,陈平. 中国生物化学与分子生物学报. 2017(07)
[3]35种食用菌菌丝生长和子实体分化温度的聚类分析[J]. 庞杰,孙国琴,于静,孟虎,王海燕,刘燕,杨志刚. 中国食用菌. 2015(06)
[4]泛素-蛋白酶体途径及意义[J]. 吴慧娟,张志刚. 国际病理科学与临床杂志. 2006(01)
[5]逆境对真菌膜脂肪酸成分的影响[J]. 陆合,张学昆,李加纳,雷天刚. 微生物学杂志. 2005(02)
[6]生物活性物质角鲨烯的资源及其应用研究进展[J]. 赵振东,孙震. 林产化学与工业. 2004(03)
硕士论文
[1]低温胁迫下金针菇差异蛋白组学研究[D]. 元玲刚.山西农业大学 2016
[2]金针菇生活史各阶段核相研究[D]. 许昭仪.湖南师范大学 2014
本文编号：3578773
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