低溫脅迫對食用菌生長發(fā)育影響的研究進(jìn)展

許子潔 王 晶 劉海娟 胡寶 鄭素月 王春霞

（河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

目前，世界范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)食藥用菌2 300余種，我國境內(nèi)約1 000種[1]，可人工栽培的有100種左右，其中約60種實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化栽培[2]。我國是最早利用和栽培食用菌的國家之一，其歷史可追溯到仰韶文化時(shí)期。近年來，全球食用菌產(chǎn)量快速增長，我國是主要增長國，產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量七成以上，居世界首位[3]。食用菌含有豐富的營養(yǎng)成分，味道鮮美，是餐桌上常見的健康食品。食用菌栽培投資小，生產(chǎn)周期短，經(jīng)濟(jì)效益顯著，能夠滿足農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，被譽(yù)為助農(nóng)明星產(chǎn)業(yè)。

溫度是影響食用菌生長發(fā)育的重要因素之一，不同品種甚至同一品種在不同的生長發(fā)育階段對溫度的要求不盡相同。糙皮側(cè)耳（Pleurotus ostreatus）、雙孢蘑菇（Agaricus bisporus）、金針菇（Flammulina velutipes）等變溫結(jié)實(shí)性食用菌，需利用低溫刺激誘導(dǎo)子實(shí)體形成，完成從營養(yǎng)生長到生殖生長的轉(zhuǎn)化，達(dá)到整齊出菇、提高產(chǎn)量的目的。但低溫也會(huì)對一些食用菌生長不利，例如，當(dāng)草菇菌絲體的生長溫度處于15 ℃以下時(shí)，菌絲活力會(huì)下降，生長減緩甚至死亡[4]。研究低溫脅迫對食用菌生長發(fā)育的影響及食用菌在低溫脅迫下的應(yīng)答機(jī)制，可為食用菌耐低溫育種和遺傳性狀改良研究提供有效信息資源。以下系統(tǒng)闡述食用菌在低溫脅迫下的菌絲、原基和子實(shí)體生長發(fā)育規(guī)律及響應(yīng)機(jī)制。

1 低溫脅迫對食用菌菌絲生長的影響

食用菌菌絲通過尖端生長點(diǎn)分泌胞外酶降解基質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)，從而吸收利用供生長和發(fā)育所需。在適宜溫度下生命活動(dòng)正常進(jìn)行，溫度過高或過低均會(huì)對生長造成影響。龐杰等[5]根據(jù)菌絲生長溫度和子實(shí)體分化所需溫度對35種食用菌進(jìn)行綜合研究，其中29種食用菌可分為中溫型、高溫型、低溫結(jié)實(shí)型和高溫結(jié)實(shí)型4大溫度類型。郭勇等[6]發(fā)現(xiàn)，鳳尾菇、靈芝、姬菇菌絲在最適溫度時(shí)菌絲生長迅速且顏色濃白、邊緣整齊；溫度降低10 ℃，菌絲長速變慢，顏色變淺，邊緣不整齊，菌絲間橫隔較短，鎖狀聯(lián)合密集，發(fā)育不健全。真姬菇發(fā)菌期溫度過高會(huì)造成菌絲萎縮、死亡[7]。陸榮生等[8]對杏鮑菇菌絲進(jìn)行4～8 ℃低溫刺激，從而解決了轉(zhuǎn)化率低，出菇不整齊，產(chǎn)量低等問題。對糙皮側(cè)耳采取10 ℃以上溫差冷刺激，可使菌絲營養(yǎng)成分快速積累，菌絲分化形成原基[9]。對平菇菌絲進(jìn)行連續(xù)6天低溫處理，出菇時(shí)間縮短，污染率降低，產(chǎn)量提高[10]。低溫會(huì)減弱紅菇、大球蓋菇菌絲生長力，甚至導(dǎo)致生長停滯、死亡等情況[11-12]，草菇菌絲在低溫下易發(fā)生自溶，4 ℃處理1 h內(nèi)，菌絲體不會(huì)受到損傷，但隨時(shí)間增加，菌絲損傷加重[13]。

1.1 對菌絲生理狀態(tài)的影響

食用菌生長發(fā)育過程中，適宜的低溫刺激能提高菌絲細(xì)胞中漆酶、蛋白酶等生物酶的活力[14]。受到低溫脅迫的食用菌會(huì)啟動(dòng)抗氧化防御系統(tǒng)機(jī)制，清除體內(nèi)多余自由基，維持細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝平衡，緩解低溫逆境脅迫[15]。郭敬等[16]研究表明，低溫脅迫下，真姬菇、杏鮑菇菌絲超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性顯著升高，發(fā)揮防御作用；白玉菇SOD活性平緩下降，而菌絲POD活性穩(wěn)定升高。證明低溫脅迫下不同食用菌通過開啟抗氧化機(jī)制，利用抗氧化系統(tǒng)清除多余自由基，緩和環(huán)境脅迫，保護(hù)機(jī)體正常生長。胡開輝等[17]發(fā)現(xiàn)，對斑玉蕈進(jìn)行14 ℃低溫處理后，與25 ℃對照相比，其丙二醛含量持續(xù)上升，低溫刺激12 h時(shí)達(dá)到峰值，之后開始下降；斑玉蕈對低溫刺激具有強(qiáng)適應(yīng)性，短時(shí)間內(nèi)即表現(xiàn)出恢復(fù)趨勢。5 ℃低溫處理阿魏側(cè)耳，多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）活力迅速降低，僅為25 ℃時(shí)最高活力的5.83%；10 ℃低溫處理9～12 h，阿魏側(cè)耳菌絲漆酶活力顯著提高；低溫刺激12～48 h，酪氨酸酶活力顯著提高[15]。

生物體在環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)，細(xì)胞膜作為首要應(yīng)答部位，通過低溫信號應(yīng)答而改變細(xì)胞膜的組成，從而保持膜的流動(dòng)性來適應(yīng)脅迫環(huán)境[18]。細(xì)胞膜完整不僅能保護(hù)細(xì)胞規(guī)避外界環(huán)境的不利影響，還能為生物體的正常生理代謝活動(dòng)提供穩(wěn)定場所[19]。姜威[20]和萬鵬[21]的研究結(jié)果，低溫刺激下，草菇低溫敏感菌株V23菌絲的電導(dǎo)率值大于耐低溫草菇菌株VH3，推測耐低溫品種因更能保持細(xì)胞膜完整性而得以在逆境脅迫下生存；低溫誘導(dǎo)后VH3菌株由于膜上磷脂合成代謝旺盛，提升了細(xì)胞膜流動(dòng)性，保證菌株正常生長，而V23菌株沒有相應(yīng)應(yīng)答，從而影響生長發(fā)育。

1.2 對菌絲生長分子調(diào)控機(jī)制的影響

食用菌的許多基因參與了低溫脅迫，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞生理和生化過程來應(yīng)對低溫刺激。近年來高通量分子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，為理解其分子機(jī)制提供了有力幫助。劉曉婷等[22]研究發(fā)現(xiàn)，適度低溫脅迫可影響蒙古口蘑菌絲體漆酶活性及其基因表達(dá)，菌絲內(nèi)漆酶基因轉(zhuǎn)錄水平在5 ℃、10 ℃和15 ℃處理下，整體呈先提升后下降趨勢，初期lacc1、lacc8基因表達(dá)較積極，lacc4表達(dá)相對不積極；10 ℃低溫刺激菌絲10天，漆酶基因表達(dá)水平和漆酶活性均顯著提高。元玲剛[23]運(yùn)用iTRAQ定量蛋白質(zhì)組學(xué)篩選出金針菇低溫脅迫下63個(gè)差異蛋白質(zhì)，其分別與菌絲細(xì)胞增殖分化、營養(yǎng)物質(zhì)生物合成、生理代謝等密切關(guān)聯(lián)。

周爍紅等[24]克隆了代表CSL家族中的轉(zhuǎn)錄因子Ppcsl-1基因，發(fā)現(xiàn)該基因在菌絲5 ℃冷刺激12 h之后的表達(dá)量最高，而原基期時(shí)顯著下調(diào)，其可能在冷刺激下被誘導(dǎo)表達(dá)并參與了肺形側(cè)耳變溫結(jié)實(shí)信號的傳遞。Zhang等[25]利用RNA-Seq比較分析白靈菇轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冷刺激過程中編碼PoH2型疏水蛋白（TR9892|c2_g1）的單基因表達(dá)上調(diào)，通過疏水蛋白這一真菌特有的細(xì)胞壁蛋白，影響冷脅迫應(yīng)答；同時(shí)脂肪酸去飽和酶（TR7433|c4_g1）和磷脂酶D（TR7300|c4_g1）的單基因表達(dá)上調(diào)，白靈菇通過改變磷脂和脂質(zhì)的組成改變膜系統(tǒng)，從而增加植物抵御低溫的能力。

2 低溫脅迫對食用菌原基形成的影響

對成熟后的食用菌菌絲進(jìn)行冷刺激，能夠影響原基出現(xiàn)時(shí)間和完成速度。低溫刺激香菇菌絲可誘發(fā)子實(shí)體形成，同時(shí)增加產(chǎn)量[26]。短時(shí)間冷刺激或持續(xù)溫差刺激可使肺形側(cè)耳（Pleurotus pulmonarius）從營養(yǎng)生長期轉(zhuǎn)化進(jìn)入生殖生長期[27]。金針菇菌絲在常溫黑暗條件下無法出菇，經(jīng)過13～16 ℃低溫刺激后可形成子實(shí)體。因此低溫脅迫對誘導(dǎo)食用菌原基生長發(fā)育具有重要作用[28]。

2.1 對原基生理狀態(tài)的影響

食用菌正常生理?xiàng)l件下，各防御機(jī)制間相互協(xié)調(diào)，細(xì)胞內(nèi)自由基處于動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)受到低溫逆境脅迫時(shí)，為避免細(xì)胞內(nèi)自由基過量產(chǎn)生，膜防護(hù)系統(tǒng)被破壞，引起脂質(zhì)過氧化、膜脂過氧化和蛋白質(zhì)過氧化[29]，逐漸形成復(fù)雜、高效的應(yīng)答機(jī)制。分析發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫改變金針菇原基營養(yǎng)積累方式，使金針菇原基獲取糖分的能力降低，對碳水化合物的代謝能力變差，細(xì)胞正常生長所需的能量改從其他途徑獲取[30]。4 ℃、8 ℃和12 ℃低溫處理秀珍菇后發(fā)現(xiàn)，淀粉酶、濾紙纖維素酶、半纖維素酶和胞外羧甲基纖維素酶4種胞外酶活性增強(qiáng)，而胞外漆酶活性降低，且處理溫度越低，漆酶活性越低，表明低溫脅迫下，秀珍菇通過胞外酶活性變化來調(diào)節(jié)基質(zhì)降解和營養(yǎng)吸收，進(jìn)而調(diào)節(jié)出菇[31]。

2.2 對原基形成分子調(diào)控機(jī)制的影響

近年來，隨著生物分子技術(shù)、組學(xué)技術(shù)及生物信息學(xué)的發(fā)展應(yīng)用，除從遺傳、生理狀態(tài)上對食用菌進(jìn)行研究外，還可對其進(jìn)行分子水平抗逆性機(jī)制研究，從分子水平來解釋食用菌的低溫應(yīng)答機(jī)制。

王偉科等克隆了秀珍菇PpFBD1基因的cDNA全長，分析發(fā)現(xiàn)該基因參與秀珍菇細(xì)胞壁的合成，在低溫處理秀珍菇菌絲到恢復(fù)室溫促使原基初步形成的過程中，其表達(dá)量最高，可能參與秀珍菇原基形成、分化過程[32]。陳仁良等通過分析金針菇基因組數(shù)據(jù)，推測金針菇在受到外界低溫刺激時(shí)，通過激活相應(yīng)通路激酶潛在轉(zhuǎn)錄因子Fv-Mbpl，啟動(dòng)Fv-mJRL1內(nèi)源凝集素基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄翻譯，參與低溫刺激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，在金針菇原基形成過程中發(fā)揮重要作用[33]。戚元成等采用抑制性消減雜交法構(gòu)建糙皮側(cè)耳雙核菌絲期和原基期的SSH cDNA 文庫，共檢測到206條差異表達(dá)基因，其中46個(gè)差異表達(dá)基因涉及細(xì)胞防御、轉(zhuǎn)錄、能量代謝等多個(gè)生理代謝過程[34]。

食用菌中含有豐富的麥角甾醇，為細(xì)胞的生理功能發(fā)揮重要作用[35]。解凡等以肺形側(cè)耳栽培菌株X57為研究對象，與野生無需打冷也可自行出原基的X1菌株比較發(fā)現(xiàn)，在低溫刺激0～6 h時(shí)，X57差異基因表達(dá)量持續(xù)上升，且顯著富集到麥角甾醇合成通路上；X1菌株相同通路的各基因?qū)Φ蜏卮碳げ幻舾?，隨脅迫時(shí)間延長表達(dá)量緩慢上升，脅迫結(jié)束基因表達(dá)量恢復(fù)正常，因此推測該通路在肺形側(cè)耳應(yīng)對低溫刺激形成原基中發(fā)揮一定作用[36]。

3 低溫脅迫對食用菌子實(shí)體生長的影響

食用菌發(fā)育過程中，一般菌絲的適宜生長溫度高于發(fā)育溫度，發(fā)育溫度高于分化溫度，子實(shí)體需在較低溫度下形成。溫度對子實(shí)體形成和發(fā)育過程起重要的調(diào)控作用，如對糙皮側(cè)耳進(jìn)行低溫催菇，是影響其子實(shí)體整齊度的重要因素[37]。

3.1 對子實(shí)體生理狀態(tài)的影響

在秀珍菇采后運(yùn)輸?shù)倪^程中，添加1︰1蓄冷劑可緩解其細(xì)胞膜損傷，保持外觀特性，減少損失[38]。草菇子實(shí)體最適貯藏溫度為15 ℃，溫度低于15 ℃時(shí)，子實(shí)體會(huì)變軟、液化出現(xiàn)自溶現(xiàn)象[39]。王麗芳等將雙孢蘑菇貯藏在1 ℃低溫條件下，能顯著降低CAT、SOD酶活性，有益于抗氧化物的積聚，保持雙孢蘑菇的口感、營養(yǎng)價(jià)值和保健功效[40]。

3.2 對子實(shí)體生長分子調(diào)控機(jī)制的影響

凝集素存在于大部分生物體中，有促使細(xì)胞凝聚和促進(jìn)細(xì)胞有絲分裂的作用，食用菌凝集素通常在防御反應(yīng)中起作用。蘇文英等利用PCR擴(kuò)增技術(shù)克隆了平菇子實(shí)體凝集素polectin2基因的啟動(dòng)子序列，該序列含有低溫、干旱等抗逆元件，低溫能夠誘導(dǎo)gfp基因的表達(dá)，利用子實(shí)體內(nèi)該基因特性，可有效培育耐低溫食用菌[41]。

4 結(jié) 語

溫度是影響食用菌生長發(fā)育的關(guān)鍵因素，大部分食用菌營養(yǎng)生長階段的適宜溫度相近，而生殖生長階段的適宜溫度則相差較大。低溫能夠抑制食用菌的生長，而對于一些中低溫變溫結(jié)實(shí)性菌類來說，低溫是子實(shí)體形成的必要條件。本文系統(tǒng)闡述低溫脅迫對食用菌各個(gè)生長發(fā)育階段的影響，以及食用菌響應(yīng)低溫脅迫的一系列生理變化及分子應(yīng)答機(jī)制，為研究低溫脅迫與食用菌生長發(fā)育的關(guān)系提供理論依據(jù)。