过表达llm1基因对冠突散囊菌次级代谢及发育的影响

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冠突散囊菌(Eurotium cristatum)作为茯砖茶发酵过程中的益生优势真菌,其分泌的多种胞外酶及次级代谢产物对茯砖茶口感和保健功效的形成有着重要作用。冠突散囊菌基因组中存在大量功能未知的次级代谢产物合成基因簇,在常规实验室培养条件下沉默基因簇表达量低甚至不表达。为充分挖掘利用冠突散囊菌产生次级代谢产物的潜力,本研究采用过表达全局性次级代谢产物调控因子的策略激活沉默基因簇。在冠突散囊菌基因组和转录组数据的基础上,通过本地blast在冠突散囊菌基因组中发现并鉴定了一个全局性调控因子LaeA相似的具有甲基转移酶结构的基因llm1基因,并使用无缝克隆、农杆菌转化、实时荧光定量PCR等试验方法成功构建了冠突散囊菌llm1基因过表达突变体。对过表达突变株和野生型菌株的菌落形态、性别发育进行了比对观察统计,通过高效液相色谱技术(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)对过表达突变株和野生型冠突散囊菌发酵图谱进行叠加比对,分析差异代谢物,通过转录组测序技术对过表达突变株和野生型冠突散囊菌的基因表达谱进行差异分析。主要研究结果如下:1、从冠突散囊菌基因组中成功克隆了一个假定的甲基转移酶基因llm1,该基因开放式阅读框(Open Reading Frame,ORF)全长1116 bp,编码371个核苷酸,预测该基因编码的蛋白质分子量为42345.88 k D,分子式为C1893H2801N505O581S13,理论等电点为4.77,为亲水性蛋白且不含有信号肽。使用无缝克隆和农杆菌成功将载体转化进冠突散囊菌,且经过抗性筛选,载体片段扩增,RT-q PCR验证了llm1基因的过表达。2、过表达llm1基因对冠突散囊菌无性发育、形态发育、氧化胁迫耐受能力、发酵产物及色素类物质的积累均有影响。过表达llm1菌株导致冠突散囊菌分生孢子数量显著减少,且这种调控机制不受光照的影响。过表达llm1降低了冠突散囊菌氧化胁迫耐受能力,具体表现为过表达菌株生长发育迟缓,说明llm1可能负调控冠突散囊菌的氧化耐受能力。有趣的是,过表达llm1突变株发酵液颜色明显浅于野生型,推测llm1参与到冠突散囊菌黑色素、黄色素等色素物质积累的调控中,并表现为负调控。基于HPLC的代谢产物指纹图谱表明llm1基因过表达菌株和野生型菌株具有明显差异,表现为发酵物中多数主要代谢物质含量的差异变化,其中在过表达菌株中检测到了3个新的色谱峰,表明过表达llm1激活了冠突散囊菌次级代谢产物沉默基因簇,导致新化合物的产生。3、使用转录组测序技术进一步解析过表达llm1基因对冠突散囊菌次级代谢产物合成基因簇的影响。结果共筛选到600个显著差异表达基因,其中256个基因表达上调,354个基因表达下调。使用GO数据库对显著差异表达基因进行富集分析,结果发现差异表达基因主要富集的通路与物质的跨膜运输及次级代谢产物合成相关,包括酚类物质、类异戊二烯生物合成及萜类化合物代谢等通路。4、基于anti SMASH数据库对转录组数据进行注释,共注释到编码次级代谢产物基因共582个,其中显著差异表达的基因数为64个,占全部次级代谢产物基因的11.01%。各次级代谢产物合成基因簇中核心调控基因共有17个显著差异表达,其中11个核心基因显著上调,6个基因显著表达下调。差异基因被注释为非核糖体多肽合成酶、聚酮合酶和单氧化酶的较多,而这些酶均与次级代谢产物合成及修饰相关。有趣的是,次级代谢产物合成基因簇32中有4个核心调控基因表达量均显著上调且该基因簇中50%的基因均显著表达上调,表明过表达llm1基因激活了冠突散囊菌次级代谢基因簇的表达。
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