食用菌基因組學研究進展

余金鳳，周 汐，趙春燕，陳正啟，吳素蕊

（中華全國供銷合作總社昆明食用菌研究所，云南 昆明 650223）

“食用菌”俗稱“蘑菇”，人類對其認識和利用均有著悠久的歷史，我國是認識和利用食用菌最早的國家，其歷史可追溯到公元前4 000年到公元前3 000年的仰韶文化時期[1]。據估測，目前自然界的菌物有150萬種以上，其中大型真菌至少有14萬種[2]；世界范圍內存在的真菌約有10萬余種[3]，其中食藥用菌有2 300余種[4]；我國約有菌物1.6萬種[5]，其中食用菌近1 000種[6]，被廣泛食用的約200種[7]。食用菌是人們日常生活的重要植物性蛋白和營養(yǎng)要素來源之一，包含了擔子菌和子囊菌2門、30余科、130余屬的近1 000種[8]。近年來，因其在保健藥用方面具有較高的價值而被視為21世紀的一項新興朝陽產業(yè)[9]。

隨著高等真菌分子生物學的發(fā)展和基因工程技術應用的成功[10]，許多科學家開始關注食用菌基因工程的研究，尤其近幾年，無論是在理論上還是應用上均已取得了一些新突破，這為深入了解食用菌的遺傳本質，食用菌育種、生產及應用，開拓了更為廣闊的前景[11]。

1 食用菌基因組測序概況

過去，因染色體小，以細胞學為基礎對食用菌進行傳統(tǒng)遺傳學研究一直相對困難[12]。分子生物學的發(fā)展、組學技術的不斷完善、生物信息學的應用為食用菌遺傳學研究帶來了曙光[13]。組學數據在提供遺傳學研究基礎的同時，也為食用菌生理研究提供了研究方略[14]。特別是基因組測序對全面了解一個物種的分子進化、基因組成和基因調控等有著極其重要的意義[15]。根據文獻報道和數據庫信息可知，除未公布序列信息的香菇、杏鮑菇和黑木耳外[1]，截至2016年10月，已完成30種食藥用菌的基因組測序，包括傘菌目、多孔菌目、牛肝菌目、非褶菌目、肉座菌目、硬皮馬勃目、銀耳目及塊菌目中的20余科。現將測序名錄及部分數據信息概括如表1。

基因組研究主要包括兩個方面：以全基因組測序為目標的結構基因組學（structural genomics）和以基因功能鑒定為目標的功能基因組學（functional genomics)。結構基因組學僅僅是獲得測序數據和序列結構，而功能基因組學研究才更具意義，必將為食用菌育種和生產開拓新的更為廣闊的前景。

2 與食用菌木質纖維素代謝相關的基因研究

已知很多種食用菌可生活在腐殖質豐富的環(huán)境中，其營養(yǎng)物為較復雜的化合物，尤其木質纖維素是多數食用菌生長發(fā)育的主要營養(yǎng)來源[16]。木質纖維素是植物細胞壁的重要組成成分，包括纖維素、半纖維素和木質素，且大都不能被食用菌直接吸收利用，需要進一步降解[17]，其中木質素是最頑強的部分，常作為植物的第一道防線抵抗真菌的降解[18]。雖然已有研究表明食用菌能合成大量的酶參與木質纖維素的降解[19]，但參與這一過程的基因尚不清楚，因此這成為了研究者們關注的領域。

表1 完成基因組測序的食用菌名錄

雙孢蘑菇是市場消費量較大的食用菌品種，常生活在落葉下腐殖質富集的環(huán)境中，并具有強大的競爭力，已有試驗證實雙孢蘑菇具有分解植物細胞壁的能力，研究者欲進一步了解其與分解細胞壁成分相關的酶及調控基因，故完成了基因組測序，組裝后獲得30.23 Mb的測序數據，包括10 606個基因，注釋了蛋白10 448個。此外通過菌絲體的比較基因組學研究，發(fā)現在混合廢料培養(yǎng)時期，基因組中與木聚糖、纖維素、果膠和蛋白質降解相關的酶含量相對增多，同時與這些酶的合成相關的基因在這一時期高表達[17]，這間接闡述了雙孢蘑菇分解植物細胞壁的機制。

草菇是一種被廣泛食用的健康食物[20]，但由于在生長過程中對營養(yǎng)物質的生物轉換效率低使其發(fā)展受限[21]。研究者對單核狀態(tài)的草菇進行了全基因組測序，獲得35.7 Mb的基因組數據。有文獻報道，具有木質素降解能力的真菌在降解木質素時需要3個血紅素氧化酵素的共同作用，即木質素氧化酵素、錳過氧化物酶、多功能氧化物酶，比較基因組學研究的結果顯示草菇缺乏這樣的木質素降解酶系統(tǒng)，因此推斷這可能是導致其生物轉化率低的原因之一[22-24]。

2014年BUSK等[25]對朱紅栓菌等39個真菌的基因組信息進行了分析和比較，結果顯示除褐腐菌之外，纖維二糖水解酶和AA9溶解性多糖單氧酶幾乎是能降解纖維素的真菌的兩種標志性酶。此外還注釋到大量的內纖維素酶、β-葡萄苷酶，均為腐生真菌中能降解木質纖維素的酶[26-28]，此外，一些真菌雖不具有表達這些酶的基因，卻仍有一定的降解木質纖維素的能力[26]，這說明木質纖維素的降解可能有多種酶的參與。在暗褐網柄牛肝菌的基因組測序結果中也發(fā)現過很多基因，主要控制合成碳水化合物水解酶、碳水化合物酯酶、糖苷水解酶、糖基轉移酶、多糖裂解酶等，這些酶可能都參與了木質纖維素等多糖的水解[29]。

2014年，PARK等[30]完成了金針菇的基因組測序，獲得35.65 Mb數據，包括12 218個基因，其中很多特有的基因均與木質素和碳水化合物的降解有關。由于木質素的存在，木材才具有較高的抵抗生物降解的能力[31-32]，而金針菇對木材的降解通常是從木質素開始的，木質素的矩陣結構一旦消除，那么纖維素和半纖維素化合物的降解就簡單易行了[33]，這極有可能就是木質素對木材有強降解力的原因。研究還發(fā)現金針菇在降解木材的同時可產生乙醇，基因組數據中也發(fā)現了與之相關的基因[34-35]。由于木質纖維素是自然界中最豐富的生物能源，因此將其應用于生物乙醇的生產是有望實現的。

靈芝是一種名貴藥材，基因組測序結果包括38.24 Mb數據，包含基因數量為12 080個。從測序結果中注釋了16個漆酶、7個氧化酵素、9個乙二醛氧化酶類、40個促進幾丁質降解的酶，此外還比對到36個與降解木質素相關的氧化還原酶基因[36]。漆酶是一種最常見的木質素降解酶，且具有底物專一性[37]；而乙二醛氧化酶類有促進氧化酵素反應的作用[38]，因此推測這些基因均可能與生物降解有關，負責降解植物細胞壁中的主要化合物（包括纖維素、半纖維素、木質素和幾丁質）。靈芝還具有一些能降解工業(yè)污染物的酶[39]，這些酶的應用可作為一種積極有效的控制環(huán)境污染的手段。

除此之外，在木耳[40]及裂褶菌[41]的基因組數據中也找到了與木質纖維素降解相關的基因，這將促進研究者對其生存機制的深入認識。

3 食用菌中活性成分的基因研究

已知靈芝多糖提取物可提高老鼠的免疫力，以抵抗癌癥，靈芝酸具有抗腫瘤、調節(jié)免疫、抗氧化的作用[42-45]。但因這些活性物質的自然產量低，大量提取難度大，所以有研究者建議用生物學合成甲氫戊酸的通路來合成靈芝酸的主干三萜烯[46]，但至今這仍僅僅是一種構想，原因是目前僅找到部分參與此通路的基因，三萜烯合成之后的修飾過程（比如環(huán)化和糖基化作用）還少有人研究[47]。通過基因組測序，有望對靈芝酸合成關鍵步驟中酶的結構進行描述。此外，基因組注釋結果顯示靈芝能合成多達400種具有生物活性的化合物，因此靈芝可作為藥學和工業(yè)中新化合物的來源，但其活性成分的積累和藥理機制還有待探索和研究[48]。Liu等[47,49]對靈芝進行代謝通路分析后發(fā)現：靈芝菌絲生長至14～18 d時三萜類化合物的合成通路被激活，18 d時可最早發(fā)現三萜類化合物，30 d時含量達到最大值；此外，30 d時所產生的靈芝多糖在對抗腫瘤上表現出相對高的生物學活性，同時參與這一化合物合成通路的基因在這一時期均有表達。對于萜類化合物，很多大型真菌中均有發(fā)現，且萜類化合物大多具有抗菌性和抗細胞毒性[50]，有望用于醫(yī)藥學中。

蛹蟲草是另一類知名藥用菌，雖為傳統(tǒng)中藥材，但他們在西方也備受關注[51-52]。蛹蟲草的基因組中包括9 651個可編碼蛋白質的基因，其中一些基因控制合成的化合物具有藥理學活性，包括蟲草素、蟲草酸、多糖和大環(huán)內酯類[53]。蟲草素是一種廣譜抗菌素[54]，具有抗病毒和抗腫瘤的作用，但其生物合成途徑還不清楚。此外，在冬蟲夏草基因組中沒有發(fā)現目前已知的人類真菌毒素的基因[53]，表明其確是可放心使用的藥材。

4 在人工栽培方面的基因研究

目前，利用基因組測序手段對食用菌進行栽培方面的研究相對匱乏，僅在子實體細胞壁的形成方面有一些報道。已知擔子菌在子實體的形成時期和菌蓋溶解時期細胞壁的結構會發(fā)生改變[55]。以金針菇為對象，對其不同生長時期特異表達的基因進行分析，發(fā)現有很多與子實體細胞壁形成相關的基因，且這些基因僅在特定的時期表達，比如在子實體形成時期甲殼素脫乙酰酶基因會特異性地表達[33]。這些結果為進一步研究真菌出菇提供了一個重要的突破口。

5 食用菌基因組學的未來

食用菌種類龐大且多樣，我國不僅是全球食用菌食用和生產種類最多的國家，還是食用菌食品類型最多的國家[56]，但是目前對食用菌的認識大多集中在分類方面，對其分子生物學方面的研究還遠遠不夠。然而，隨著組學技術的成功應用和不斷完善，在基因水平上了解食用菌的發(fā)生、生長和繁殖已不再是夢。完整的食用菌基因組測序為真菌界乃至生物界的進化研究提供了空前的機會，對重要的食用菌和藥用菌基因組序列進行測定，這不僅可以推動食用菌在食品行業(yè)的發(fā)展，還可以為醫(yī)學及藥學產品的開發(fā)利用提供依據[12]。應用比較基因組學的方法研究食用菌的基因組，不僅有助于了解不同生境下食用菌的生理特性、形態(tài)差異及代謝多樣性，還可為將來食用菌的馴化栽培提供參考，但獲得基因組序列只是基因組學研究的冰山一角[12]，全基因組序列的公布已經推動了大量相關的基因研究，但是對這些數據中的大量信息還未全部解析，相信隨著生物技術的快速發(fā)展，將從基因組序列中解讀出更多的信息，食用菌產業(yè)的發(fā)展將會邁上新臺階。

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