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在真菌基复合材料作为可再生高性能生物材料兴起的背景下，为探究 Fomes fomentarius 在复合材料形成过程中的转录基础，研究人员开展基因共表达网络分析。结果确定了转录景观，发现新基因簇等。该研究为理解其生物材料形成机制提供依据，推动相关产业发展。
真菌，这群在微观世界里默默耕耘的 “小精灵”，正逐渐成为生物材料领域的 “新宠”。真菌基复合材料作为可再生、高性能的生物材料，利用林业和农业的木质纤维素残余物生产，在建筑、包装、纺织等行业展现出巨大潜力，有望彻底改变人类的生活。Fomes fomentarius 作为用于生物材料生产的担子菌物种之一，却对其在底物分解、营养吸收和真菌生长过程中的转录基础知之甚少。为了填补这一知识空白，柏林工业大学（Technische Universit?t Berlin）的研究人员开展了一项深入研究，相关成果发表在《Fungal Biology and Biotechnology》杂志上。
这项研究意义非凡。它不仅为深入理解 F. fomentarius 生物材料形成的遗传基础提供了前所未有的详细信息，还为基因功能的准确预测提供了原理验证，为后续的基因工程和生物材料生产优化奠定了坚实基础，推动真菌基生物材料在工业规模上的应用和发展。
研究人员采用了多种关键技术方法：首先，通过多种不同的培养条件收集 F. fomentarius 的 RNA 样本，进行 RNA 测序（RNA-seq）获取转录数据；接着，利用生物信息学工具，如 Conserved Unique Peptide Patterns（CUPP）平台预测编码碳水化合物活性酶（CAZyme[1]）的基因，构建系统发育树预测糖转运蛋白；此外，运用共表达网络分析，计算 Spearman 相关系数来确定基因间的共表达关系，从而预测基因功能和转录因子。
下面来详细看看研究结果：
- 基因组分析预测 F. fomentarius 是无霉菌毒素的分解者：研究人员使用 AntiSMASH 分析 F. fomentarius 的 14,757 个预测基因，以识别次生代谢物生物合成基因簇并预测相关产物。结果显示，未发现与主要霉菌毒素簇或植物感染毒力因子相似的基因，同时预测了一些可能合成铁载体、抗菌和抗真菌化合物的基因簇。此外，通过对分泌效应蛋白的分析，发现其效应蛋白的定位情况与其他腐生真菌相似，表明 F. fomentarius 是无霉菌毒素且非致病性的真菌，这一结论为其在生物材料生产中的安全性提供了重要依据。
- 生成多样的基因表达数据集：为构建高质量的共表达网络，研究人员从多种植物底物的复合材料和植物体内外培养的 F. fomentarius 中分离 RNA，包括大麻、山毛榉、桦树等。总共分析了 27 种培养条件下的转录数据，涵盖了实验室培养和生物材料形成过程中的不同生长条件。通过主成分分析（PCA）发现，氮可用性降低的培养基培养的样本与植物基培养基的样本聚类更紧密，且淀粉丰富的小米谷物引发了独特的转录反应。研究还估算出约 69.3% 的预测基因在这些培养实验中被转录，这些数据是目前对任何形成生物材料的真菌最广泛的基因表达谱分析。
- 共表达网络预测 F. fomentarius 基因和蛋白质功能：研究人员编写了简单的 R 脚本计算用户定义基因对之间的 Spearman 相关系数，构建共表达网络模块。以已知功能的基因（如 lanosterol demethylase Erg11 和 β -tubulin TubB）为阳性对照，发现共表达模块中富集了与这些基因功能明显一致的基因，同时为一些在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中缺乏同源物的 F. fomentarius 基因赋予了新的功能预测，证明这些数据和脚本可用于改进 F. fomentarius 的基因组注释。
- 共表达网络挖掘关联细胞壁相关基因与转录因子：研究聚焦于 13 个在酵母和丝状真菌中高度保守且对细胞壁生物合成至关重要的基因，构建细胞壁共表达网络。结果发现网络连接紧密，且鉴定出一个预测的真菌特异性 Zn (2)-Cys (6) 转录因子 15608（后命名为 cacA），它与网络中的大多数基因相关联。cacA 在生物材料形成真菌中高度保守，推测其可能是操纵生物材料形成过程中细胞壁合成的关键候选基因，为调控真菌细胞壁合成提供了潜在的靶点。
- 分析 CAZyme 和糖转运蛋白的表达：利用 CUPP 平台预测 F. fomentarius 中有 504 个 CAZyme 编码基因，包括 104 个推定的木质纤维素酶。研究发现木质素修饰酶和水解酶在数据集中共表达，但由于分析的是终点样本，无法确定 F. fomentarius 对木质素、纤维素和半纤维素的降解模式（同时或顺序降解）。此外，通过搜索含有糖转运蛋白 PFAM 结构域的基因，并结合系统发育分析、机器学习模型预测等方法，确定了 36 个推定的糖转运蛋白及其预测底物。这些转运蛋白的表达模式各异，部分基因组成型表达，部分基因弱表达或沉默，为优化生物材料生产过程中的碳利用提供了重要信息。
- 预测 F. fomentarius 调控底物利用的转录因子：通过构建木质素修饰酶的共表达网络，研究人员发现了两个与网络有大量正相关（蛋白 ID 240859）或负相关（蛋白 ID 821366）的转录因子，分别命名为 CalA 和 CalB。推测 CalB 可能在碳代谢物阻遏中起负调控作用，这两个转录因子是工程化调控 F. fomentarius 底物利用的重要靶点，为进一步优化生物材料生产过程中的底物利用效率提供了潜在的调控靶点。
- F. fomentarius 基因组编码多种共表达基因簇：研究人员分析发现 F. fomentarius 基因组中存在 926 个基因在 246 个簇中连续共表达，包括参与次生代谢物生物合成、效应蛋白编码等基因。其中，一些基因簇在特定植物底物上生长时表达升高，如某些效应蛋白基因簇和 CAZyme 基因簇。此外，还发现了一些具有相同预测功能的基因在物理位置上接近且共表达的新类型基因簇，这些基因簇的发现为理解真菌的进化、基因组组织以及生物材料形成机制提供了新的视角。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，真菌基材料具有巨大的发展潜力，F. fomentarius 有望成为推动生物材料领域变革的关键物种。通过本研究，证明了 F. fomentarius 不是植物病原体，且研究中开发的转录资源和相关脚本可用于快速生成共表达网络，为基因功能预测提供了有力工具。此外，研究确定的多个关键靶点，如 cacA、calA 和 calB 等转录因子编码基因，以及糖转运蛋白基因等，为后续通过基因工程和代谢工程优化 F. fomentarius 生物材料生产提供了明确的方向。同时，新发现的共表达基因簇为研究真菌的进化和基因组组织提供了新的研究方向。这项研究为深入理解 F. fomentarius 的生物学特性和优化其在生物材料生产中的应用奠定了坚实基础，有望推动真菌基生物材料在工业规模上的广泛应用，为实现可持续发展的生物经济做出重要贡献。
