可栽培食用菌子實體發(fā)育相關的調控基因研究進展*

袁鵬宇，崔鳳仙，周國平，安 霜，周 雪，李宗菊

（云南大學生命科學學院，云南 昆明 650091）

可培養(yǎng)食用菌子實體的生長發(fā)育受到外在因素和內在因素的共同調控，外在環(huán)境因素如濕度、光照、CO2濃度以及溫度等。內在因素主要是遺傳基因。而遺傳基因等的調控也是近年來研究的熱點，比如吳小梅等[1]利用高通量測序技術對雙孢蘑菇（Agaricus bisporus）原基期、采收期和開傘后期等不同發(fā)育時期進行了RNA-Seq分析，其結果表明采收期_vs_原基期的差異基因以及開傘后期_vs_原基期的差異基因主要參氨基酸代謝、核苷酸代謝、碳水化合物代謝、脂類代謝、能量代謝這五大代謝通路中。Wang等[2]利用轉錄組測序技術對香菇子實體的候選基因和信號通路等進行了研究，研究結果表明候選基因不僅參與子實體生長發(fā)育過程中的嘌呤和脂肪酸等代謝，其也可用作商業(yè)和醫(yī)藥上相關食用菌分子鑒定的依據(jù)。謝寶貴等[3-5]，系統(tǒng)地分析了金針菇完整生活史過程中調控其生長發(fā)育的不同影響因子，對與之調控相關基因的表達情況以及功能等進行了比較全面的研究，這些相關的調控基因在其完整生活史過程中的不同生長發(fā)育階段都分別扮演著至關重要的角色。本文通過對裂褶菌（Schizophyllum commune）、糙皮側耳（Pleurotus ostreatus）、香菇（Lentinus edodes）、雙孢蘑菇（Agaricus bisporus）、金針菇（Flammulina velutipes）、草菇（Volvariella volvacea）等食用菌的幾大類子實體調控基因進行綜述，為野生食用菌基因功能相關方面的研究提供借鑒和一定的理論基礎。

1 可培養(yǎng)食用菌子實體相關調控基因代表類型

1.1 疏水蛋白編碼基因

疏水蛋白（hydrophobin） 涉及真菌的多個發(fā)育過程，并且可能在真菌生態(tài)學中起重要作用，包括孢子傳播，發(fā)病機理和外生菌根的形成[6-7]等。

Wessels等[8]、Wetter等[9]研究發(fā)現(xiàn)當裂褶菌的疏水蛋白編碼基因SC3表達受阻時，裂褶菌在封閉的培養(yǎng)環(huán)境中不會形成氣生菌絲，在未封閉的環(huán)境中會形成與野生型相反的親水性氣生菌絲，氣生菌絲的形成是裂褶菌生長發(fā)育過程中的重要階段，其參與裂褶菌空氣中成熟子實體的形態(tài)發(fā)生以及生殖結構的生長分化，有助于無性或有性孢子的傳播。

Groot等[10-11]在雙孢蘑菇中發(fā)現(xiàn)2條編碼疏水蛋白的基因hypA和hypB，在未分化的白色菌絲中可檢測到hypA高表達，而在成熟的子實體中hypB基因高表達。Lugones等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)編碼疏水蛋白基因ABH3對雙孢蘑菇氣生菌絲的生長具有誘導作用，而另一編碼疏水蛋白基因ABH1與其子實體表面的疏水性和內部結構的形成有關。

徐珍等[14]研究結果顯示，金針菇疏水蛋白編碼基因fvh1在雙核菌株中菌絲階段的表達量相比于其他階段高；基因fv-hyd1在雙核菌株、單核菌株中，原基階段的表達量相比于子實體階段都要低。Ando等[15]研究發(fā)現(xiàn)在誘導金針菇子實體之前，fvh1基因在菌絲中不表達，而在誘導子實體之后或之間，該基因特異性表達。Maria等[16]研究表明在糙皮側耳中，疏水蛋白編碼基因fbh1只在子實體階段表達，而在其它階段均不表達。Zhang等[17]的研究發(fā)現(xiàn)在低溫條件下生長發(fā)育的白靈菇（Pleurotus nebrodensis），其子實體中疏水蛋白編碼基因PN1的表達水平顯著降低，并在這個過程中白靈菇菌蓋的表面容易受到病菌的侵染，由此推測該基因在白靈菇的生長發(fā)育過程中，對其子實體起到一定的保護作用。

1.2 凝集素編碼基因

凝集素（lectin） 是一類天然蛋白質，在大型食用真菌中，凝集素在其休眠、生長發(fā)育、形態(tài)發(fā)生和菌根化初期的分子識別中發(fā)揮著重要作用[18]。

Nagata等[19]研究表明灰樹花（Grifola frondosa）子實體中的凝集素GFL（分子大小為24 kDa，由181個氨基酸組成），在灰樹花的子實體階段活性最高，而在菌絲和原基階段活性較低，由此推測灰樹花子實體的生長發(fā)育過程受到GFL的調控。Sun等[20]研究發(fā)現(xiàn)凝集素AAL能夠促進茶樹菇（Agrocybe aegerita） 和黑木耳（Auricularia polytricha） 子實體原基的分化。Tsivileva等[21]的研究發(fā)現(xiàn)在香菇原基形成前，外源凝集素與香菇褐色菌絲的聚集有關。Oguri等[22-23]從平菇（Pleurotus cornucopiae） 中分離出分子大小為16.5 kDa和40.0 kDa的凝集素PCL，前一種凝集素可以通過控制某些蛋白質的合成來調控菌絲體的生長發(fā)育，這是一種間接性的調控方式，后一種與平菇子實體的形成有關。Kumaran等[24]從藥用靈芝 (Ganoderma lucidum） 中分離和鑒定凝集素時，在菌絲生長至第5天時凝集素的活性可被檢測，菌絲體生長至第15天后，活性最高。蘇文英等[25]在進行煙草種子低溫脅迫試驗時，發(fā)現(xiàn)轉化了糙皮側耳凝集素基因polectin2的煙草種子萌發(fā)率明顯高于野生型，由此可推測凝集素基因polectin2可提高食用菌的耐低溫性。

1.3 轉錄因子編碼基因

轉錄因子（transcription factor） 協(xié)調細胞中基因的表達控制，其結構和組成決定著細胞的壽命和功能。在生物的生長發(fā)育過程中，轉錄因子可增強臨近啟動子區(qū)域基因表達，與基礎的轉錄調節(jié)有關[26]。Shelest[27]的報告中闡述了6個真菌特有的轉錄因子家族，具體信息見表1[28-33]。

Ohm等[34-35]發(fā)現(xiàn)裂褶菌中基因fst3和fst4編碼的轉錄因子分別對子實體的發(fā)育具有明顯的抑制和促進作用，其 fst3和fst4編碼的轉錄因子屬于Zn2/Cys6 DNA-binding domain家族。而后的一年，該團隊對裂褶菌中另外的5個基因：gat1、c2h2、bril、hom2、hom1進行了研究；其中gat1編碼的轉錄因子屬于GATA zinc finger家族，c2h2編碼的轉錄因子屬于C2HC zinc finger超家族，bril編碼的轉錄因子屬于DNA-binding BRIGHT domain家族[36]，基因沉默研究發(fā)現(xiàn)，當敲除bril和hom2基因后子實體未發(fā)育；敲除hom1和gat1的情況下，只能形成數(shù)量較多但體型較小的子實體；hom2和fst4敲除后，影響表達譜中一些基因的表達量；c2h2和hom1敲除后表達量呈明顯下降的趨勢。此外，敲除hom2和bril這兩個基因后，還會顯著影響裂褶菌的菌落形態(tài)，野生型的裂褶菌菌落形態(tài)為非對稱型，而將這兩個基因沉默后的菌落形狀則變成對稱型。瓊潔等[37]基于金針菇的基因組，研究發(fā)現(xiàn)GATA Zinc finger轉錄因子在很大程度上與冷刺激金針菇誘導原基的形成過程相關。吳塔菊[38]采用RNA干擾和過表達技術，探究了HMG-box轉錄因子編碼基因pdd1在金針菇菌絲生長和子實體發(fā)育中的功能，試驗研究表明pdd1基因的表達量越低，菌絲的生長越緩慢，pdd1過表達的菌株相比于野生型提前1 d產生原基。陳炳智等[39]研究發(fā)現(xiàn)MADS-box轉錄因子編碼基因Vvrin1在草菇子實體伸長期菌柄中的表達量出現(xiàn)高峰，由此推測該基因參與調控草菇菌柄的伸長以及菌蓋的開傘。

表1 真菌特有的轉錄因子家族Tab.1 Specific transcription factors in fungus families

1.4 蛋白激酶編碼基因

蛋白激酶（protein kinases，PK），通過與磷酸酶共同作用實現(xiàn)蛋白磷酸化，在調節(jié)酶的活性和細胞內信號傳導過程中起著關鍵作用。其在大型真菌發(fā)育的各個階段對細胞內的信號傳導機制起到了嚴格的調控[40-41]。

李瓊潔等[32]基于基因敲除的方法研究發(fā)現(xiàn)，組氨酸蛋白激酶基因（HK1和HK2）在冷誘導金針菇原基扭結過程中起著重要作用。Stajich等[42]通過轉錄組分析和隱馬爾可夫模型（HMM） 從灰蓋鬼傘（Coprinopsis cinerea） 子實體發(fā)育的過程中篩選了380個可能起調控作用的蛋白激酶，其中最大的激酶家族是FunK1，其在菌絲期表達顯著增加。根據(jù)王建等[43]的研究，其結果表明編碼SPK蛋白激酶的vv-SPK基因表達量與草菇菌柄的伸長有關。Szeto等[44]通過構建香菇的cDNA文庫，分析研究發(fā)現(xiàn)組氨酸蛋白激酶基因Le.nik1在香菇原基和子實體成熟時，有較高的表達量，由此推測該基因在香菇原基和子實體生長階段起著關鍵的調控作用。Kameshita等[45]研究發(fā)現(xiàn)鈣調依賴性蛋白激酶（CaM） 在灰蓋鬼傘的菌絲階段高表達，當在培養(yǎng)基中添加CaM抑制劑時，菌絲的生長受到抑制，由此表明CaM在灰蓋鬼傘的菌絲生長中起到關鍵作用。Kaneko等[46]研究發(fā)現(xiàn)蛋白激酶CoPK32在灰蓋鬼傘的菌絲生長階段有較高的表達，當菌絲處于高滲透壓力的環(huán)境下，而導致生長受到嚴重的抑制時，CoPK32被明顯激活，由此可推測CoPK32參與了灰蓋鬼傘對環(huán)境脅迫的應激反應途徑。

1.5 漆酶基因

漆酶（laccase），普遍分布于植物、細菌及真菌中[47]?？纱呋喾N有機和無機底物的氧化反應，包括二酚、多酚、二胺、抗壞血酸鹽等[48-49]。在真菌中，漆酶基因大多數(shù)發(fā)現(xiàn)于多種擔子真菌和子囊真菌，常成簇排列[50-51]。

目前在雞油菌（Cantharellus cibarius）、靈芝屬（Ganoderma）、側耳屬（Pleurotus）、大白口蘑（Tricholoma giganteum Massee）、灰蓋鬼傘（Coprinopsis cinerea）和草菇等大型真菌中，漆酶基因的表達情況比較相似，其活性只有在子實體形成時才可被檢測，持續(xù)到成熟期。陳建軍[52]等發(fā)現(xiàn)在平菇的固體栽培中，漆酶的活性在菌絲生長到40 nm左右酶活性最高，而在出菇后最低。Chen等[53]研究表明漆酶基因lac4草菇子實體的形態(tài)發(fā)生相關。Zhao[54]和Yildirim等[55]分別探究了香菇、杏鮑菇（Pleurotus eryngii）不同生長發(fā)育階段漆酶的活性變化，發(fā)現(xiàn)在香菇和杏鮑菇成熟子實體的菌蓋中，漆酶的活性最高；根據(jù)后續(xù)的研究結果表明，漆酶在食用真菌子實體的形態(tài)發(fā)生過程中起到重要作用。Tan等[56]在商業(yè)化栽培鳳尾側耳（Pleurotus sajor-caju）過程中發(fā)現(xiàn)漆酶的活性與其子實體的形態(tài)發(fā)生有關，隨著菌絲體的生長漆酶的活性逐漸增加，達到一定的峰值后，又逐漸降低。隨著相關研究的報道，漆酶調控大型食用真菌生長發(fā)育的機制受到越來越多的關注，在商業(yè)化栽培大型食用菌過程中，改變一些漆酶的濃度或調控方式，可一定程度增加出菇量[57-58]。

1.6 其他

張磊[59]、韓星[60]、仝宗軍[61]等分別研究了小G蛋白Ran編碼基因FvRan1、寡肽轉運蛋白編碼基因fvopt1和fvopt2、轉運蛋白編碼基因fv-msf1等基因在金針菇的菌絲、原基以及子實體不同生長階段中的調控作用。盧園萍[62]、謝斌[63]、汪健芳[64]、林楠[65]、Yang[66]、嚴俊杰[67]等發(fā)現(xiàn)高速泳動蛋白編碼基因vv-exp、依賴性氧合酶編碼基因vv-2ogo、鈣調磷酸酶催化亞基編碼基因Vv-CAN、聚酮合酶編碼基因vv-alb、外切-β-1,3-葡萄糖酶編碼基因exg2、胱甘肽S-轉移酶編碼基因vv-gto1等基因在草菇的菌絲、原基以及子實體等不同生長階段中的重要調控作用。Sakamoto[68]、陶永新等[69]分別在香菇和金針菇中研究發(fā)現(xiàn)，基因exg2與香菇的菌褶生長發(fā)育具有密切的關系，在香菇成熟時期的菌褶中低表達，而在出菇后，在菌褶中的表達量顯著升高，由此推測該基因與香菇的菌褶生長發(fā)育具有密切的關系，在金針菇菌柄及菌蓋的發(fā)育中起著關鍵的調控作用。Liu等[70]使灰蓋鬼傘（Coprinopsis cinerea） 子實體中的cfs1基因沉默后，會造成其營養(yǎng)菌絲紐結停止發(fā)育，而在正常cfs1的調控下原基則可形成，由此推測該基因對灰蓋鬼傘原基的形成起著關鍵的調控作用。

因研究者各自命名所研究的基因，略顯混亂，所以對文中所述部分基因的結構及其序列進行了總結見表2。

表2 調控基因的信息Tab.2 Regulation genes and their information

2 小結

綜上所述，目前關于大型食用真菌子實體生長發(fā)育的調控基因研究較多，但來源于不同物種的同一家族基因的同源性高低不一，如凝集素基因約為50%～70%。另外，目前的研究大多數(shù)僅停留于基因在子實體生長發(fā)育各時期的表達與否，及表達量高低等內容，至于各基因調控機制的研究尚較為薄弱。今后應結合代謝組學等技術，深入研究這些基因的調控機制及代謝通路。