重磅丨基于转录组学分析，吴清平院士团队首次揭秘灵芝孢子形成的遗传调控网络- 大数跨境

广东粤微灵芝

2021-04-16

导读：本研究对推动优质灵芝菌种选育具有重要意义

近日，广东省科学院微生物研究所、广东粤微食用菌技术有限公司吴清平院士团队在国际著名生物学期刊GENES上联合发表了《灵芝孢子形成过程中减数分裂，碳水化合物和次生代谢相关基因的转录组学分析》（Transcriptional Dynamics of Genes Purportedly Involved in the Control of Meiosis, Carbohydrate, and Secondary Metabolism during Sporulationin Ganoderma lucidum）。

（备注：转录组学分析（Transcriptional Dynamics)是从RNA层次研究基因表达的情况，是目前研究细胞表型和功能的一个非常重要和前沿的研究手段）

本论文是由吴清平院士团队蔡曼君博士等科研人员，以粤微专有灵芝品种（赤芝YW-1）为实验材料，对灵芝孢子形成过程开展了系统的转录组学研究。基于测序数据，深入分析了灵芝孢子形成前后的基因表达模式、调控网络及三萜类代谢产物的生物合成途径。

该研究成果为认识大型担子菌孢子形成过程提供重要信息，为不同产孢灵芝品种选育提供重要基因资源，满足灵芝产业对子实体和灵芝孢子的不同需求。

灵芝（Ganoderma lucidum）孢子是灵芝的生殖细胞，具有与子实体相似的代谢物，如多糖，核苷，三萜类和生物碱。随着破壁技术和提取工艺的日益完善，灵芝孢子已广泛应用于免疫调节、抗肿瘤、护肝、抗氧化和抗突变等方面。

虽然灵芝孢子的药理活性已得到多方面的证实，但关于灵芝孢子形成的遗传调控网络尚未清楚。

本研究的主要内容包括：

灵芝不同发育时期的转录组学分析

通过显微观察，选取灵芝孢子形成前（YW1）、孢子开始形成（YW2）与孢子大量形成（YW3）三个时期的组织进行转录组学分析。基因表达水平的相关性分析结果显示，3个生物学重复间相关性较高，不同发育时期之间相关性较低，表明灵芝孢子形成过程基因表达具有明显时空性。

灵芝孢子形成过程的转录组数据分析

碳代谢途径为灵芝孢子形成提供能量

实验通过对差异表达基因进行GO、KEGG富集分析，提示碳水化合物代谢途径显著富集，包括甲烷代谢、碳代谢、乙醛酸酯和二羧酸酯代谢、蔗糖和淀粉代谢。

KEEG富集分析

科研人员对参与这些途径的基因进行分析发现，海藻糖合成酶、苹果酸合酶和甲酸脱氢酶编码基因在孢子形成过程中上调表达，推测海藻糖、苹果酸和NADH在孢子形成过程中积累，为孢子形成和子实体发育提供能量。

灵芝三萜和甾醇合成途径

次级代谢物是灵芝的有效成分之一，实验提示，萜类合成途径在孢子形成过程中显著富集（图a）。进一步分析表明，25%的萜类合成途径的关键基因在孢子形成过程中下调表达，其他基因保持稳定的表达模式。

灵芝三萜和甾醇的合成途径

此外，发现两个烟曲霉素β-反式佛手柑合成酶基因在孢子形成过程中差异表达，已有研究表明，这类基因作用于维生素K2的合成，该合成途径是法尼基二磷酸酯途径的支路。上述结果表明，灵芝孢子形成过程中羊毛甾醇合成途径的下调可能是由于支路合成途径上调，也说明不同代谢物有不同的积累模式。

灵芝孢子形成的转录调控途径

灵芝孢子形成过程中，24个转录因子差异表达，其中有15个编码锌指蛋白，包括6个C2H2，7个C6，2个GATA，1个CCHC转录因子。4个基因的同源基因已被证实参与调控孢子形成，包括HOP1, CON7, AbaA, ZFP1。为解析孢子形成的调控途径，我们对835个DEG的启动子区进行顺式作用元件预测分析，106个DEG含有GATA转录因子结合元件（[A/T]GATA[A/G]）。

转录因子编码基因的表达

其中2个基因(GL17992和GL17803)为灵芝孢子形成相关基因，GL17992编码减数分裂重组蛋白，在人类和酵母中的同源蛋白为SPO11，其突变导致部分或彻底不育。GL17803在酵母中的同源基因为Mei2，作用于减数分裂前期DNA合成的起始。GL17803在YW2和YW3中上调表达，因此，推测GL17803可能也作用于减数分裂前期的S期，在营养生长阶段被抑制。

研究展望

灵芝已在中药中应用数千年，但灵芝孢子只有30多年的应用历史。灵芝孢子粉除了具有类似于子实体的活性成分外，还含有一些特定的代谢产物。目前的研究主要集中在药理学方面，但对灵芝孢子基本生物学的理解非常有限。

本论文通过对粤微专有灵芝品种（赤芝YW-1）的灵芝孢子三个发育阶段的研究，首次在转录组学水平上揭示与灵芝孢子形成密切相关的碳水化合物代谢途径、减数分裂途径和转录调控基因的表达模式。

该研究成果将为认识大型担子菌孢子形成过程提供重要信息，为不同产孢灵芝品种选育提供重要基因资源，对推动优质灵芝菌种选育具有重要意义。

文章来源:
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

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粤微，源自60年权威科研机构——广东省科学院微生物研究所，专注灵芝等食药用菌功效研究！产品出口至美国、加拿大、英国、新加坡、泰国、香港、澳门等多个国家和地区。

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