近日，廣東省科學(xué)院微生物研究所、廣東粵微食用菌技術(shù)有限公司吳清平院士團(tuán)隊(duì)在國際著名生物學(xué)期刊GENES上聯(lián)合發(fā)表了《靈芝孢子形成過程中減數(shù)分裂，碳水化合物和次生代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析》（Transcriptional Dynamics of Genes Purportedly Involved in the Control of Meiosis, Carbohydrate, and Secondary Metabolism during Sporulationin Ganoderma lucidum）。
（備注：轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析（Transcriptional Dynamics)是從RNA層次研究基因表達(dá)的情況，是目前研究細(xì)胞表型和功能的一個(gè)非常重要和前沿的研究手段）
本論文是由吳清平院士團(tuán)隊(duì)蔡曼君博士等科研人員，以粵微專有靈芝品種（赤芝YW-1）為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)靈芝孢子形成過程開展了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究。基于測序數(shù)據(jù)，深入分析了靈芝孢子形成前后的基因表達(dá)模式、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及三萜類代謝產(chǎn)物的生物合成途徑。
該研究成果為認(rèn)識(shí)大型擔(dān)子菌孢子形成過程提供重要信息，為不同產(chǎn)孢靈芝品種選育提供重要基因資源，滿足靈芝產(chǎn)業(yè)對(duì)子實(shí)體和靈芝孢子的不同需求。
靈芝（Ganoderma lucidum）孢子是靈芝的生殖細(xì)胞，具有與子實(shí)體相似的代謝物，如多糖，核苷，三萜類和生物堿。隨著破壁技術(shù)和提取工藝的日益完善，靈芝孢子已廣泛應(yīng)用于免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、護(hù)肝、抗氧化和抗突變等方面。
雖然靈芝孢子的藥理活性已得到多方面的證實(shí)，但關(guān)于靈芝孢子形成的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚未清楚。
本研究的主要內(nèi)容包括：
▋靈芝不同發(fā)育時(shí)期的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析
通過顯微觀察，選取靈芝孢子形成前（YW1）、孢子開始形成（YW2）與孢子大量形成（YW3）三個(gè)時(shí)期的組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。基因表達(dá)水平的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，3個(gè)生物學(xué)重復(fù)間相關(guān)性較高，不同發(fā)育時(shí)期之間相關(guān)性較低，表明靈芝孢子形成過程基因表達(dá)具有明顯時(shí)空性。
靈芝孢子形成過程的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析
▋碳代謝途徑為靈芝孢子形成提供能量
實(shí)驗(yàn)通過對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行GO、KEGG富集分析，提示碳水化合物代謝途徑顯著富集，包括甲烷代謝、碳代謝、乙醛酸酯和二羧酸酯代謝、蔗糖和淀粉代謝。
KEEG富集分析
科研人員對(duì)參與這些途徑的基因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，海藻糖合成酶、蘋果酸合酶和甲酸脫氫酶編碼基因在孢子形成過程中上調(diào)表達(dá)，推測海藻糖、蘋果酸和NADH在孢子形成過程中積累，為孢子形成和子實(shí)體發(fā)育提供能量。
▋靈芝三萜和甾醇合成途徑
次級(jí)代謝物是靈芝的有效成分之一，實(shí)驗(yàn)提示，萜類合成途徑在孢子形成過程中顯著富集（圖a）。進(jìn)一步分析表明，25%的萜類合成途徑的關(guān)鍵基因在孢子形成過程中下調(diào)表達(dá)，其他基因保持穩(wěn)定的表達(dá)模式。
此外，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)煙曲霉素β-反式佛手柑合成酶基因在孢子形成過程中差異表達(dá)，已有研究表明，這類基因作用于維生素K2的合成，該合成途徑是法尼基二磷酸酯途徑的支路。上述結(jié)果表明，靈芝孢子形成過程中羊毛甾醇合成途徑的下調(diào)可能是由于支路合成途徑上調(diào)，也說明不同代謝物有不同的積累模式。
▋靈芝孢子形成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控途徑
靈芝孢子形成過程中，24個(gè)轉(zhuǎn)錄因子差異表達(dá)，其中有15個(gè)編碼鋅指蛋白，包括6個(gè)C2H2，7個(gè)C6，2個(gè)GATA，1個(gè)CCHC轉(zhuǎn)錄因子。4個(gè)基因的同源基因已被證實(shí)參與調(diào)控孢子形成，包括HOP1, CON7, AbaA, ZFP1。為解析孢子形成的調(diào)控途徑，我們對(duì)835個(gè)DEG的啟動(dòng)子區(qū)進(jìn)行順式作用元件預(yù)測分析，106個(gè)DEG含有GATA轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件（[A/T]GATA[A/G]）。
轉(zhuǎn)錄因子編碼基因的表達(dá)
其中2個(gè)基因(GL17992和GL17803)為靈芝孢子形成相關(guān)基因，GL17992編碼減數(shù)分裂重組蛋白，在人類和酵母中的同源蛋白為SPO11，其突變導(dǎo)致部分或徹底不育。GL17803在酵母中的同源基因?yàn)镸ei2，作用于減數(shù)分裂前期DNA合成的起始。GL17803在YW2和YW3中上調(diào)表達(dá)，因此，推測GL17803可能也作用于減數(shù)分裂前期的S期，在營養(yǎng)生長階段被抑制。
■研究展望
靈芝已在中藥中應(yīng)用數(shù)千年 ，但靈芝孢子只有30多年的應(yīng)用歷史。靈芝孢子粉除了具有類似于子實(shí)體的活性成分外，還含有一些特定的代謝產(chǎn)物。目前的研究主要集中在藥理學(xué)方面，但對(duì)靈芝孢子基本生物學(xué)的理解非常有限。
本論文通過對(duì)粵微專有靈芝品種（赤芝YW-1）的靈芝孢子三個(gè)發(fā)育階段的研究，首次在轉(zhuǎn)錄組學(xué)水平上揭示與靈芝孢子形成密切相關(guān)的碳水化合物代謝途徑、減數(shù)分裂途徑和轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因的表達(dá)模式。
該研究成果將為認(rèn)識(shí)大型擔(dān)子菌孢子形成過程提供重要信息，為不同產(chǎn)孢靈芝品種選育提供重要基因資源，對(duì)推動(dòng)優(yōu)質(zhì)靈芝菌種選育具有重要意義。
文章來源:
Cai,M.;Liang,X.;Liu,Y.;Hu,H.;Xie,Y.;Chen,S.;Gao,X.;Li,X.;Xiao,C.;Chen,D.;etal.TranscriptionalDynamicsofGenesPurportedlyInvolvedintheControlofMeiosis,Carbohydrate,andSecondaryMetabolismduringSporulationinGanodermalucidum.Genes2021,12,504.
https://doi.org/10.3390/genes12040504