Hymenopellis radicata (Changgenggu) 不同生长阶段的转录组分析

《Journal of Future Foods》：Transcriptomic Analysis of Different Growth Stages of Hymenopellis radicata (Changgenggu)

　　常压菇（Hymenopellis radicata）子实体形成分子机制研究，基于转录组测序分析三个栽培菌株在晚原基期、幼菇期、采收期和伞盖开放期的基因表达动态。共发现12,993-12,123个阶段特异性表达基因及9,097个全周期共表达基因，功能富集分析揭示谷胱甘肽代谢、核糖体功能、鞘脂类合成、半乳糖代谢等代谢通路关键作用，并通过qRT-PCR验证差异表达基因可靠性，为分子育种提供理论依据。

　　### 解读：揭示Hymenopellis radicata菌盖发育的分子机制

Hymenopellis radicata，俗称“长根菇”，是一种广泛分布于热带和亚热带地区的食用菌类。它不仅在营养价值方面表现出色，还因其独特的风味和潜在的药用价值而受到越来越多的关注。作为一种稀有且具有重要价值的材料，Hymenopellis radicata的驯化与栽培研究在近年来取得了显著进展，特别是在中国山东、四川和江苏等地已经建立了大规模的栽培体系。然而，尽管栽培技术不断进步，其生命周期、生长代谢以及菌盖形成背后的分子机制仍然不够明确，这在一定程度上限制了进一步的品种改良和优化栽培策略的实施。

为了更深入地理解Hymenopellis radicata菌盖发育的分子基础，研究人员对三种适合大规模栽培的菌株（Or003、Or004和Or019）在四个关键生长阶段进行了转录组测序分析。这些阶段包括晚期菌丝阶段（S1）、幼年菌盖阶段（S2）、采收阶段（S3）以及菌盖完全展开阶段（S4）。通过对这些阶段的差异表达基因（DEGs）进行比较和分析，研究团队期望能够识别出与菌盖分化、生长及成熟相关的基因，从而为后续的分子育种提供重要的遗传信息。

#### 研究方法概述

本研究采用高通量测序技术，对菌株在不同生长阶段的转录组进行了深入分析。实验材料的选择基于前期研究，所选菌株具有良好的大规模栽培潜力。在样本采集过程中，研究人员根据菌盖的发育过程，将其划分为四个主要阶段，并对每个阶段进行了生物重复采集，总共获得了36个样本。样本采集后，通过液氮快速冷冻并保存于-80℃冰箱中，以确保其质量。

RNA提取和转录组测序的流程严格遵循标准操作规范。首先使用TRIzol试剂提取总RNA，并通过NanoDrop 2000分光光度计检测RNA的纯度。RNA完整性则通过Agilent 2100生物分析仪进行评估。随后，研究人员构建了转录组文库，并使用Illumina Novaseq 6000平台进行测序。所有转录组测序和初步数据分析均由上海OE生物科技有限公司完成。

为了确保数据的可靠性，研究团队对原始测序数据进行了质量评估和处理。使用fastp软件对原始数据进行过滤，去除低质量的reads，生成清洁数据。接下来，利用HISAT2软件将清洁数据与Hymenopellis radicata的参考基因组进行比对，随后使用DESeq2软件进行差异基因表达分析。该分析基于严格的筛选标准，即q值小于0.01且倍数变化（FC）大于2的基因被定义为DEGs。随后，对这些DEGs进行了基因本体（GO）和KEGG通路的富集分析，以识别其在生物过程、细胞组分和分子功能方面的显著性。

#### 差异基因表达分析

在差异基因表达分析中，研究人员发现不同生长阶段的DEGs数量存在显著差异。例如，在S2阶段（幼年菌盖阶段），三种菌株表现出更多的下调基因；而在S4阶段（菌盖完全展开阶段），上调基因的数量显著增加。这种变化趋势表明，随着菌盖的发育，基因表达模式也在不断调整，以适应不同阶段的生理需求。

为了进一步验证转录组数据的可靠性，研究团队随机选取了15个DEGs进行定量荧光实时PCR（qRT-PCR）分析。结果表明，这些基因的相对表达趋势与转录组数据高度一致，进一步支持了研究结论的准确性。

#### 基因功能与代谢通路分析

通过GO功能注释和KEGG代谢通路分析，研究人员揭示了与菌盖发育相关的多个重要代谢过程。例如，在晚期菌丝阶段（S1），DEGs主要富集在减数分裂、核糖体功能、半乳糖代谢、糖酵解/糖异生、鞘脂类生物合成、丙酮酸代谢等通路中。这些通路的富集表明，菌丝向菌盖的转变过程中，遗传物质的复制和碳水化合物代谢是关键因素，为后续的生长发育提供了必要的能量支持。

在幼年菌盖阶段（S2），DEGs的富集进一步扩展到核糖体功能、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶/受体、天冬氨酸代谢、磷酸戊糖途径、溶酶体等。这些基因的表达变化可能与菌盖的进一步分化和形态形成有关。而在采收阶段（S3），DEGs的富集则涉及溶酶体、淀粉和蔗糖代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成、硫代谢、丙酮酸代谢以及抗坏血酸和醛糖代谢。这些代谢过程的活跃可能为菌盖的进一步成熟和重量增加提供了必要的物质基础。

在菌盖完全展开阶段（S4），DEGs的富集主要集中在半乳糖代谢、溶酶体、鞘脂类代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、甘油三酯代谢等。这些基因的表达模式可能与菌盖的最终形态形成和孢子释放密切相关。此外，研究还发现一些基因在整个发育过程中表现出一致的表达趋势，例如g10341（转-乙酰辅酶A 2-甲基转移酶）在整个发育过程中显著上调，而其他五种基因则在所有阶段均呈下调趋势，这表明这些基因在菌盖的整个发育过程中扮演着重要角色。

#### 代谢通路的深入分析

在代谢通路的分析中，研究团队发现Hymenopellis radicata的菌盖发育涉及多种复杂的代谢过程。其中，谷胱甘肽代谢（KO00480）是一个关键的通路，涉及多个差异表达基因。这些基因主要调控谷胱甘肽（GSH）向L-半胱氨酰甘氨酸、半胱氨酸结合物和氧化谷胱甘肽（GSSH）的转化，从而维持细胞的抗氧化能力。此外，核糖体通路（KO03010）的富集表明，核糖体在菌盖的生长过程中起着至关重要的作用，因为其是蛋白质合成的主要场所，为细胞增殖和菌盖发育提供了必要的物质基础。

在鞘脂类生物合成（KO00603）通路中，研究发现55个差异表达基因显著富集。这些基因涉及乳糖基鞘氨醇、糖鞘脂和红细胞糖脂的合成与代谢，可能在菌盖的形成和发育过程中发挥重要作用。进一步的聚类分析表明，这些基因的表达模式与菌盖的发育阶段密切相关，可能在不同阶段表现出不同的调控特征。

#### 研究意义与未来展望

本研究通过转录组测序和差异基因表达分析，揭示了Hymenopellis radicata菌盖发育的分子机制。这些发现不仅为理解菌盖的生长和发育提供了新的视角，还为后续的分子育种提供了重要的遗传信息。通过进一步的基因克隆和表达载体构建，可以更深入地研究这些差异表达基因的功能，从而开发出具有优良农艺性状的新品种。

此外，研究还强调了菌盖发育过程中多种代谢通路的协同作用。例如，碳水化合物代谢和氨基酸代谢的活跃为菌盖的生长提供了必要的能量和营养支持。同时，抗氧化系统的维护和细胞结构的形成也是菌盖发育的重要组成部分。这些发现不仅有助于优化栽培技术，还可能为开发新的药物或功能性食品提供理论依据。

综上所述，本研究通过系统性的转录组分析，揭示了Hymenopellis radicata菌盖发育的分子机制，为未来的研究和应用提供了重要的基础。随着分子生物学技术的不断进步，对食用菌类生长和发育机制的深入研究将有助于提高其产量和质量，推动其在农业和医药领域的广泛应用。