金针菇成熟期和伸长期菌盖的转录组与蛋白组比较分析_刘澳.pdf

Research paper 研究论文 22 January 2023,42(1):312-329 菌物学报 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q Doi:10.13346/j.mycosystema.220170 资助项目：国家自然科学基金(31902086)；山东省现代农业产业技术体系食用菌产业体系(SDAIT-07-06)This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(31902086)and the Mushroom Technology System of Shandong Province(SDAIT-07-06).*Corresponding author.E-mail: ORCID:LIU Ao(0000-0003-2072-9440)Received:2022-05-12;Accepted:2022-07-11 菌物学报 Copyright 2023 Institute of Microbiology,CAS.All rights reserved.| Http:/journals- Tel:+86-10-64807521 312 王威 山东农业大学讲师、硕士生导师。入选山东省科技特派员、泰安市高层次人才。主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多个项目。主要从事食药用菌生长发育调控机制、非生物胁迫耐受性等方向的研究。金针菇成熟期和伸长期菌盖的转录组与蛋白组比较分析 刘澳，陈宇，亓春龙，吕晓萌，王威*山东农业大学植物保护学院 山东省农业微生物重点实验室，山东 泰安 271018 摘 要：菌盖是大型真菌的重要组成部分，也是其产生有性孢子的部位，但是其发育机制仍不明确。本研究以金针菇 Flammulina filiformis 为材料，采用转录组和蛋白组联合分析的方法，比较分析了金针菇成熟期和伸长期菌盖的差异基因与蛋白，并对其进行 GO(gene ontology)功能聚类分析、KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)富集分析和蛋白互作网络分析。本研究筛选到差异表达基因有1 391个，差异表达蛋白147个，均以上调表达为主。GO功能聚类分析结果表明，催化活性(catalytic activity)条目富集基因最多，其次是细胞组分(cell part)、细胞过程(cellular process)和细胞器(organelle)。KEGG 富集分析结果表明，差异表达基因和蛋白主要富集在碳水化合物代谢通路(carbohydrate metabolism)和氨基酸代谢通路(amino acid metabolism)等。本研究选取了9 个关键的差异表达基因，使用实时荧光定量 PCR(real-time quantitative PCR，RT-qPCR)对其表达量进行了验证。RT-qPCR验证结果与转录组测序结果相一致。蛋白互作网络分析表明，水解酶类、结构域类和转录调节类蛋白为互作网络的主要结点。本研究联合转录组、蛋白组测序数据，通过分析差异基因与蛋白，为深入了解金针菇菌盖发育机制提供数据参考。关键词：金针菇；菌盖发育；转录组；蛋白组 引用本文 刘澳，陈宇，亓春龙，吕晓萌，王威，2023.金针菇成熟期和伸长期菌盖的转录组与蛋白组比较分析.菌物学报，42(1):312-329Liu A,Chen Y,Qi CL,Lyu XM,Wang W,2023.Comparison of transcriptomes and proteomes in pilei between maturation and stipe elongation stages of Flammulina filiformis.Mycosystema,42(1):312-329 Research paper 22 January 2023,42(1):312-329 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q 菌物学报 313Comparison of transcriptomes and proteomes in pilei between maturation and stipe elongation stages of Flammulina filiformis LIU Ao,CHEN Yu,QI Chunlong,LYU Xiaomeng,WANG Wei*Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Microbiology,College of Plant Protection,Shandong Agricultural University,Taian 271018,Shandong,China Abstract:The pileus is an important part of macro-fungi where spores are produced,but the mechanism of its development remains unclear.The differentially expressed genes(DEGs)and differentially expressed proteins(DEPs)of the pileus at maturation and stipe elongation stages of Flammulina filiformis were compared and analyzed with the conjoint method of transcriptome and proteome on the basis of gene ontology(GO),Kyoto encyclopedia of genes and genomes(KEGG)database and search tool for the retrieval of interacting genes(STRING)database.1 391 DEGs and 147 DEPs were obtained,most of which were up-regulated.GO analysis showed that most DEGs were clustered in catalytic activity term,secondly cellular components,cellular processes and organelles.Most DEGs and DEPs were mainly clustered in carbohydrate metabolism and amino acid metabolism according to analysis based on KEGG database.Nine key DEGs were selected and the expression patterns were verified by using real-time quantitative PCR(RT-qPCR).The results of RT-qPCR are consistent with those of transcriptome sequencing.The protein-interaction analysis based on STRING database showed that hydrolase,domain-like proteins and transcriptional regulation proteins were the main nodes of the protein-interaction network diagram.DEGs and DEPs obtained and analyzed by transcriptome and proteome sequencing provide data reference for the further study of the developmental mechanism of F.filiformis.Keywords:Flammulina filiformis;pileus development;transcriptome;proteome 大型真菌是指真菌中形成肉质、胶质、革质、栓质和木质等大型子实体的一类真菌，子实体是其生活周期中不可缺的繁殖结构，更是绝大多数食药用菌被人类开发利用的部位。大型真菌子实体发育受到多种因素影响，裂褶菌 Schizophyllum commune trp1 基因编码的 IGPS(吲哚-3-甘油磷酸合酶)过表达可加速其由营养生长向生殖生长的转变过程(Sen et al.2016)。对暗培养下灰盖鬼伞 Coprinopsis cinerea 的菌丝进行光照刺激，能诱导其菌丝扭结形成子实体原基(Moore et al.2010)。适宜温差不但能促进香菇 Lentinula edodes 子实体形态建成更能促进其品质提升，而恒温条件下却难以诱导其原基形成(周烁红等 2016)。高浓度 CO2对子实体的泛素蛋白酶体系产生不良影响，降低细胞的分裂能力，从而抑制菌盖开伞(Yan et al.2019)。大型真菌子实体的发育是一个复杂的过程，涉及到多种基因、代谢途径的调控。目前尚缺乏足够多的从整体水平上阐述子实体发育机制的数据。金针菇Flammulina filiformis(原为Flammulina velutipes)作为一种重要的可食用大型真菌(戴玉成和杨祝良 2018；Wang et al.2018；戴玉成等 2021)，是目前我国食用菌工厂化生产中规模最大、产量最高和技术最成熟的食用菌种类(刘启 刘澳 等/金针菇成熟期和伸长期菌盖的转录组与蛋白组比较分析 研究论文 菌物学报 314 燕等 2021)。金针菇细长的菌柄是子实体的重要组成部分，也是其主要食用部位(Gruen&Wu 1972)。在金针菇工厂化栽培中，调控环境因素抑制菌盖开伞促进菌柄伸长，从而促进金针菇产量的提高。在金针菇菌盖形态建成机制的研究中，环境因子是影响菌盖展开与发育的重要因素(Sakamoto 2018)。其中，光照是许多食用菌菌盖分化的必要条件，金针菇子实体中存在一种细胞壁相关蛋白 PHS，该蛋白只有在光照的诱导下才会被特异性表达，诱导菌盖分化(Sakamoto et al.2007)。子实体的形成需要低温刺激，如果缺少低温刺激菌盖的形成将受到抑制(Sakamoto et al.2002)。此外，CO2浓度也会影响菌盖发育，菌盖开伞在 CO2浓度过高时会被显著抑制(Sakamoto 2018)。金针菇子实体形成过程的分子机制一直是真菌学研究的目标之一，对金针菇子实体形成机制的探索从未停止，从最初的环境因子、外源添加物等对子实体发育的影响到最近应用分子生物学技术寻找到大量与子实体形成有关的差异表达基因(刘雁英等 2010；余颖豪等 2020)，利用上述研究结果培育菌盖晚开伞、开伞小甚至不开伞的金针菇新品种是重要的育种目标。转录组学与蛋白组学系统地揭示细胞中基因表达调控规律与生命活动机制，目前已成为食用菌分子育种研究中不可或缺的方法(查磊等 2017；宋媛等 2021)。金针菇单核菌丝质配完成前后基因表达差异显著，对金针菇单核体和双核体比较分析发现双核菌丝的大部分糖类、脂肪酸和氨基酸合成相关基因上调表达，以完成相关物质积累，从而实现营养生长向生殖生长的转变(王威等 2015)。金针菇菌丝与原基差异表达基因的研究表明，各个代谢途径基因在不同时期协调表达，从而调控金针菇子实体生长发育(刘芳等 2014)。低温刺激下，