转录组和代谢组学揭示双孢蘑菇野生型与栽培型风味差异的分子机制及育种意义

《Scientific Reports》：Transcriptomic and metabolomic insights into flavor variations in wild and cultivated Agaricus bisporus

为揭示野生型（W）和栽培型（C）双孢蘑菇（Agaricus bisporus）风味和营养性状差异的机制，研究人员整合转录组学和代谢组学开展研究。结果发现二者在基因表达和代谢物谱上存在差异，该研究为菌株精准育种提供靶点，推动食用菌产业发展。

　　双孢蘑菇作为全球广泛栽培的食用菌，凭借其良好的质地、高营养价值和独特风味深受人们喜爱。然而，经过长期人工培育，野生型和栽培型双孢蘑菇在风味和营养方面出现了差异。但一直以来，这些差异背后的机制却并不明晰，这给高品质双孢蘑菇品种的人工选育工作带来了很大阻碍。比如，育种专家在尝试培育风味更浓郁、营养更丰富的品种时，由于缺乏对这些差异分子机制的了解，往往只能依靠经验进行筛选，效率低下且效果不佳。因此，揭示野生型和栽培型双孢蘑菇在风味和营养性状上差异的分子和代谢基础迫在眉睫。

福建省农业科学院食用菌研究所的研究人员为解决这一问题，开展了一项整合转录组学和代谢组学的研究。他们对 43 个双孢蘑菇菌株（23 个野生型和 20 个栽培型）进行了研究，旨在揭示二者风味差异的关键基因和代谢物，构建基因 - 代谢物关联网络，并挖掘栽培过程中特定的代谢变化。研究成果发表在《Scientific Reports》上，为双孢蘑菇的精准育种提供了关键的理论依据和分子靶点，对推动食用菌产业的可持续发展意义重大。

研究人员在开展研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：一是 RNA 测序（RNA-Seq）技术，从双孢蘑菇子实体中提取总 RNA，构建 cDNA 文库后进行测序，以分析基因表达情况；二是液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）技术，用于检测和分析子实体中的代谢物；三是定量实时聚合酶链式反应（qRT-PCR），对 RNA-Seq 数据中差异表达基因进行验证。研究使用的 43 个菌株由福建省农业科学院食用菌研究所保存并提供。

研究结果如下：

• 蘑菇总蛋白和氨基酸：通过对所有蘑菇样本总蛋白含量的分析发现，虽然栽培型（C 组）和野生型（W 组）在某些氨基酸和蛋白含量指标上存在差异，但总体蛋白含量水平并无显著差异。这表明传统认知中认为蛋白质和氨基酸是蘑菇风味主要决定因素的观点，在野生型和栽培型双孢蘑菇风味差异的研究中并不完全适用 。
• 序列数据总结：对原始测序数据进行质量控制后，发现 Q20 和 Q30 reads 的百分比分别为 97.05% 和 92.28%，说明测序数据质量较高。大多数样本的序列比对到参考基因组的映射率在 46.53% - 78.82% 之间，且大部分样本的一致性比对率为 50 - 65%，每个样本中具有唯一映射位点的 reads 百分比高达 99%，这些数据为后续准确分析基因表达差异奠定了基础。
• 差异表达基因（DEGs）的鉴定：研究共鉴定出 103 个差异表达基因，其中 45 个在野生型中高表达，58 个在栽培型中高表达。对这些差异表达基因进行基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析发现，它们显著富集在阳离子运输、氨基酸跨膜运输、碳水化合物代谢过程等 7 个关键 GO 术语，以及磷脂酰肌醇信号系统、肌醇磷酸代谢等 KEGG 通路中。这些结果暗示这些基因及其参与的生物学过程和代谢通路可能与双孢蘑菇野生型和栽培型的差异密切相关。
• 差异代谢物的鉴定：研究检测到野生型和栽培型双孢蘑菇之间存在 44 种差异代谢物。KEGG 富集分析表明，这些差异代谢物显著富集在柠檬酸循环（TCA 循环）、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等通路。其中，富马酸在所有差异代谢物中含量最高，它可能是导致野生型和栽培型双孢蘑菇风味差异的关键物质之一。此外，尿苷在栽培型中的含量比野生型高 3.2 倍，显示出栽培型双孢蘑菇可能具有潜在的药用价值。
• 代谢组和转录组的联合分析：通过冗余分析（RDA）发现，一些基因与代谢物之间存在显著的相关性。例如，AGABI2DRAFT_191352 与 2 - 羟基丁酸呈正相关，这表明糖酵解通量可能在双孢蘑菇的风味代谢中发挥重要的调控作用，为进一步理解风味差异的分子机制提供了线索。
• RT-qPCR 验证结果：为了验证 RNA-Seq 数据中差异表达基因的可靠性，研究人员对 AGABI2DRAFT_181624、AGABI2DRAFT_212894 和 AGABI2DRAFT_191352 进行了 qRT-PCR 分析。结果显示，这三个基因的表达趋势与转录组数据相似，进一步证实了转录组分析结果的准确性。

研究结论和讨论部分指出，虽然氨基酸和蛋白质传统上被认为是蘑菇风味的关键驱动因素，但该研究表明它们与菌株特异性风味分化并无显著关联，这意味着次生代谢物可能对双孢蘑菇的风味差异影响更大。研究还发现，编码高亲和力蛋氨酸通透酶（MUP1）的基因 AGABI2DRAFT_188981 和 AGABI2DRAFT_191000 在栽培菌株中上调，其可能通过调节蛋氨酸代谢间接影响蘑菇风味。此外，AGABI2DRAFT_191352 编码的 6 - 磷酸果糖激酶（PFK）与 2 - 羟基丁酸显著正相关，暗示 PFK 介导的糖酵解活性可能直接调节风味相关代谢物的合成。这些发现不仅加深了人们对栽培实践如何重塑双孢蘑菇风味的理解，还为精准培育风味增强型品种提供了可操作的靶点，对推动蘑菇产业的可持续发展具有重要意义。通过这些研究成果，育种专家可以更有针对性地对双孢蘑菇进行基因编辑或代谢工程改造，培育出风味更佳、营养价值更高的品种，满足消费者对高品质食用菌的需求，同时也为整个食用菌产业的发展注入新的活力。