重磅丨基于轉錄組學分析,吳清平院士團隊首次揭秘靈芝孢子形成的遺傳調控網絡

2021-04-16

重磅丨基于轉錄組學分析,吳清平院士團隊首次揭秘靈芝孢子形成的遺傳調控網絡


近日,廣東省科學院微生物研究所、廣東粵微食用菌技術有限公司吳清平院士團隊在國際著名生物學期刊GENES上聯合發表《靈芝孢子形成過程中減數分裂,碳水化合物和次生代謝相關基因的轉錄組學分析》(Transcriptional Dynamics of Genes Purportedly Involved in the Control of Meiosis, Carbohydrate, and Secondary Metabolism during Sporulationin Ganoderma lucidum)。


重磅丨基于轉錄組學分析,吳清平院士團隊首次揭秘靈芝孢子形成的遺傳調控網絡

(備注:轉錄組學分析(Transcriptional Dynamics)是從RNA層次研究基因表達的情況,是目前研究細胞表型和功能的一個非常重要和前沿的研究手段)


本論文是由吳清平院士團隊蔡曼君博士等科研人員,以粵微專有靈芝品種(赤芝YW-1)為實驗材料,對靈芝孢子形成過程開展了系統的轉錄組學研究?;跍y序數據,深入分析了靈芝孢子形成前后的基因表達模式、調控網絡及三萜類代謝產物的生物合成途徑。


該研究成果為認識大型擔子菌孢子形成過程提供重要信息,為不同產孢靈芝品種選育提供重要基因資源,滿足靈芝產業對子實體和靈芝孢子的不同需求。


重磅丨基于轉錄組學分析,吳清平院士團隊首次揭秘靈芝孢子形成的遺傳調控網絡


靈芝(Ganoderma lucidum)孢子是靈芝的生殖細胞,具有與子實體相似的代謝物,如多糖,核苷,三萜類和生物堿。隨著破壁技術和提取工藝的日益完善,靈芝孢子已廣泛應用于免疫調節、抗腫瘤、護肝、抗氧化和抗突變等方面。


雖然靈芝孢子的藥理活性已得到多方面的證實,但關于靈芝孢子形成的遺傳調控網絡尚未清楚。


本研究的主要內容包括:


靈芝不同發育時期的轉錄組學分析


通過顯微觀察,選取靈芝孢子形成前(YW1)、孢子開始形成(YW2)與孢子大量形成(YW3)三個時期的組織進行轉錄組學分析?;虮磉_水平的相關性分析結果顯示,3個生物學重復間相關性較高,不同發育時期之間相關性較低,表明靈芝孢子形成過程基因表達具有明顯時空性。


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靈芝孢子形成過程的轉錄組數據分析


碳代謝途徑為靈芝孢子形成提供能量


實驗通過對差異表達基因進行GO、KEGG富集分析,提示碳水化合物代謝途徑顯著富集,包括甲烷代謝、碳代謝、乙醛酸酯和二羧酸酯代謝、蔗糖和淀粉代謝。



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KEEG富集分析


科研人員對參與這些途徑的基因進行分析發現,海藻糖合成酶、蘋果酸合酶和甲酸脫氫酶編碼基因在孢子形成過程中上調表達,推測海藻糖、蘋果酸和NADH在孢子形成過程中積累,為孢子形成和子實體發育提供能量。


靈芝三萜和甾醇合成途徑


次級代謝物是靈芝的有效成分之一,實驗提示,萜類合成途徑在孢子形成過程中顯著富集(圖a)。進一步分析表明,25%的萜類合成途徑的關鍵基因在孢子形成過程中下調表達,其他基因保持穩定的表達模式。


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靈芝三萜和甾醇的合成途徑


此外,發現兩個煙曲霉素β-反式佛手柑合成酶基因在孢子形成過程中差異表達,已有研究表明,這類基因作用于維生素K2的合成,該合成途徑是法尼基二磷酸酯途徑的支路。上述結果表明,靈芝孢子形成過程中羊毛甾醇合成途徑的下調可能是由于支路合成途徑上調,也說明不同代謝物有不同的積累模式。


靈芝孢子形成的轉錄調控途徑


靈芝孢子形成過程中,24個轉錄因子差異表達,其中有15個編碼鋅指蛋白,包括6個C2H2,7個C6,2個GATA,1個CCHC轉錄因子。4個基因的同源基因已被證實參與調控孢子形成,包括HOP1, CON7, AbaA, ZFP1。為解析孢子形成的調控途徑,我們對835個DEG的啟動子區進行順式作用元件預測分析,106個DEG含有GATA轉錄因子結合元件([A/T]GATA[A/G])。


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轉錄因子編碼基因的表達


其中2個基因(GL17992和GL17803)為靈芝孢子形成相關基因,GL17992編碼減數分裂重組蛋白,在人類和酵母中的同源蛋白為SPO11,其突變導致部分或徹底不育。GL17803在酵母中的同源基因為Mei2,作用于減數分裂前期DNA合成的起始。GL17803在YW2和YW3中上調表達,因此,推測GL17803可能也作用于減數分裂前期的S期,在營養生長階段被抑制。


■研究展望


靈芝已在中藥中應用數千年 ,但靈芝孢子只有30多年的應用歷史。靈芝孢子粉除了具有類似于子實體的活性成分外,還含有一些特定的代謝產物。目前的研究主要集中在藥理學方面,但對靈芝孢子基本生物學的理解非常有限。



本論文通過對粵微專有靈芝品種(赤芝YW-1)的靈芝孢子三個發育階段的研究,首次在轉錄組學水平上揭示與靈芝孢子形成密切相關的碳水化合物代謝途徑、減數分裂途徑和轉錄調控基因的表達模式。

該研究成果將為認識大型擔子菌孢子形成過程提供重要信息,為不同產孢靈芝品種選育提供重要基因資源,對推動優質靈芝菌種選育具有重要意義。



文章來源:
Cai,M.;Liang,X.;Liu,Y.;Hu,H.;Xie,Y.;Chen,S.;Gao,X.;Li,X.;Xiao,C.;Chen,D.;etal.TranscriptionalDynamicsofGenesPurportedlyInvolvedintheControlofMeiosis,Carbohydrate,andSecondaryMetabolismduringSporulationinGanodermalucidum.Genes2021,12,504.
https://doi.org/10.3390/genes12040504