竹荪采后形态发育的分子机理研究

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竹荪(Dictyophora indusiata)作为一种兼具食用和药用价值的名贵食用菌,有竹荪球和成熟竹荪两种销售形式。其中成熟竹荪外观美观,但因已开伞,子实体食用品质会迅速下降,难以运输和保藏;而竹荪球体积小且形态规则,易于运输和保藏。在合适的温湿度条件下,采摘的竹荪球可在几个小时内发生形态发育从而展开为成熟竹荪。因此,若能实现竹荪球采后形态发育的有效控制,抑制其贮运过程中的开伞、并在其食用前可控开伞,则将大幅降低竹荪的采后损失。基于此,本课题利用多组学技术从转录水平、蛋白质水平和磷酸化修饰水平上系统探索竹荪采后形态发育的分子机理,为实现调控竹荪形态发育的有效控制提供重要理论基础。主要研究结果如下:首先对竹荪球和成熟竹荪的质地结构和营养成分进行了对比。研究结果显示,竹荪球采后形态发育的关键是菌柄伸长,而菌柄中部伸长速度最快。透射电镜观察显示,成熟竹荪的菌柄细胞尺寸约增大4-5倍,且细胞器数量明显减少且被液泡挤压至细胞壁边缘。质构分析发现,成熟竹荪菌柄的硬度、脆度、弹性和内聚力都低于竹荪球,表明成熟竹荪菌柄更易断裂、不耐贮运。宏量营养素测定显示,成熟竹荪的蛋白质(19.22 g/100 g,干重)、水溶性多糖(16.76 g/100 g,干重)和粗纤维含量(5.36 g/100 g,干重)明显较低,但水分(88.62 g/100 g,鲜重)和总脂质含量(9.15 g/100 g,干重)较高。基于LC-MS/MS的代谢组分析,共在竹荪子实体中鉴定到569种代谢物。与竹荪球相比,338种代谢物的丰度在成熟竹荪中显著变化。其中,与细胞壁(碳水化合物及其代谢物增加了3.5倍)和细胞膜(磷脂类代谢物下降了61.3%)相关的代谢物丰度变化最大,这可能与竹荪球发育成熟时菌柄细胞壁的重建有关。基于de novo测序对竹荪球和成熟竹荪进行了转录组测序分析。共19704个基因被测序和注释,与竹荪球相比,成熟竹荪中有1954个基因显著差异表达(FC>2,p<0.05),其中1248个基因上调、706个基因下调。针对差异基因的分析发现:代谢和转运在成熟竹荪中被上调,蛋白质翻译被下调,这可能是竹荪营养成分显著变化的主要原因。此外,成熟竹荪中细胞壁完整性信号通路被激活,且与细胞壁降解相关的基因(如几丁质酶、内切-β-1,6-葡聚糖酶、外切-β-1,3-葡聚糖酶等)被上调。转录组分析初步梳理了竹荪采后形态发育过程中的代谢过程和细胞壁重构信号传导过程。通过蛋白质组探究竹荪采后形态发育过程中的代谢过程。基于标记定量(TMT)的蛋白质组分析显示,在两个时期的竹荪子实体中共鉴定到4380种蛋白质,其中3933种蛋白质获得定量信息。相对竹荪球,在成熟竹荪中有571种蛋白上调、380种蛋白下调。针对差异表达蛋白的分析发现:竹荪球发育成熟的过程中,脂质水解、蛋白质的分解代谢显著增强;细胞壁的主要成分葡聚糖的降解上调,几丁质的降解和合成同时增强;物质代谢和能量代谢旺盛;抗氧化物质的合成和过氧化物的分解加强。这些结果与营养素测定、代谢组分析的结果一致:从竹荪球到成熟竹荪,蛋白质合成下调,而大分子的分解代谢和能量代谢上调,从而导致了营养素的消耗和部分类别代谢物的积累。磷酸化修饰蛋白质组探究了竹荪采后形态发育过程中的信号传导过程。通过总蛋白提取、磷酸肽富集和LC-MS/MS分析,在两个时期的竹荪子实体中共鉴定到5840种磷酸化修饰蛋白质的6132个磷酸化修饰位点。相对竹荪球,在成熟竹荪中有287种磷蛋白上调(872个位点)、203种磷蛋白下调(694个位点)。针对磷酸化修饰水平发生显著变化的蛋白质进行分析,结果发现:上调的差异磷酸化蛋白主要涉及“磷脂酰肌醇信号系统”和“MAPK信号通路”;而下调的差异磷酸化蛋白则主要与“淀粉和蔗糖代谢”、“蛋白质在内质网中的加工”有关。进一步结合转录组和蛋白质组数据开展整合分析,初步阐明竹荪采后形态发育的信号传导过程:磷酸肌醇信号通路首先响应环境刺激而被激活,刺激信号随后通过MAPK信号通路被放大,进而通过转录调控几丁质合成酶、β-1-3葡聚糖合成酶的表达,最终调节细胞壁主要成分的合成和细胞壁的重构。这些结果表明,磷酸肌醇信号通路可能是调控竹荪采后形态发育的潜在关键途径。本研究针对竹荪子实体的采后形态发育,通过理化特性分析和微观结构观察,并借助高通量组学分析技术,初步探明了竹荪球到成熟竹荪过程中的生理变化,发现了调控竹荪形态发育的关键通路。研究结果为竹荪菌柄伸长的分子机理的深入探究提供了关键信息,亦为竹荪球采后开伞的有效控制提供了理论基础,具有重要的科学研究意义和实践应用价值。
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