合成生物学在食用菌新赛道中的展望

随着我国绿色发展目标的明确提出，在推行绿色规划、绿色设计、绿色投资、绿色建设、绿色生产、绿色流通、绿色生活、绿色消费的同时，致力于建立一个能高效利用资源、严格保护生态环境、有效控制温室气体排放的体系，以推进高质量发展和高水平保护，并建立健全绿色低碳循环发展的经济体系。在此背景下，鉴于食用菌主要依赖农业废弃物作为培养基质的特性，其栽培以及衍生的创新应用成为实现农业领域碳达峰、碳中和目标的关键环节。然而，当前食用菌产业仍存在能耗过高等问题。为解决这些挑战，利用合成生物学技术进行食用菌的定向育种，并通过先进的生物制造技术生产基于食用真菌的替代肉类等，已经逐渐成为研究的新热点。基于此，本文概述了这些创新应用进一步优化的方向，并深入分析了利用食用菌合成生物学新范式解决上述问题的可能性，希望以此来推动我国绿色发展迈上新台阶。

★1  循环经济

目前，我国农业发展仍以家庭为单位的小型农业经济为主导，这种经济模式在绿色低碳生产和农业产品市场竞争中不具优势，尤其在生产效率、成本控制等方面更是劣势显著。然而，循环经济作为一种先进理念，为构建更加可持续、环保和资源节约的农业系统提供了强有力的支撑。其核心在于减少浪费、促进资源的重复利用以及资源的优化配置。据报道^[1]，未来农业将更加注重可持续实践，包括实施闭环系统、最小化副产品和废料、推动环保生产过程。值得注意的是，小型农户经济在减少农业废弃物或副产品（如秸秆等）的运输成本方面具备天然优势。因此，家庭农业经济和小型农业经济被视为未来改善生态建设的关键一环^[2]。近年来，在全球范围内，农业生产已经逐渐从循环经济的角度进行规划，其中，高效利用农业副产物和残渣作为食物转化的新来源正是这一理念的生动体现。发展农业生产残余物的再利用，不仅有助于推进循环经济的发展，还能在确保食品安全的同时^[3]，为农业提供更高效更低碳的生产方式，为我们指明了未来农业的发展方向^[4]。

食用菌栽培在实现循环经济的过程中扮演着核心纽带角色^[5]。当前，如何将传统食用菌栽培技术与现代可持续循环农业经济模式更加紧密、自然地融合，仍具备较大的发展空间。食用菌作为生态系统中不可或缺的分解者，其生长特性决定了它们能够在腐烂的有机物质上茁壮成长，木材是传统最常见的培养基质。然而，在我国，随着农业技术的不断进步，香菇（Lentinula edodes）等食用菌的栽培已经从传统的段木栽培模式逐渐向代料栽培模式转变。在这一转变过程中，木屑、棉籽壳、稻草等农业废弃物被有效地利用起来，作为木材的替代品，用于食用菌的栽培^[6]。这种生产方式可以促进整个农业生产过程的物质循环（图1A）。然而，目前食用菌栽培为核心纽带的绿色循环农业还无法完全取代传统农业经济模式，其发展过程中仍面临多种限制因素：①主要食用菌品种，如香菇^[7]、双孢蘑菇（Agaricus bisporus）^[8]、金针菇（Flammulina filiformis）^[9]等，其生长周期需要数月时间才能完成，且需在温度、湿度、光照和其他物理刺激的特定条件下才能生长；②培养基质转化效率偏低；③缺乏对废弃食用菌菌糠回收再利用的有效策略；④连作障碍^[5]。此外，还有温度控制不佳导致的高碳排放问题；未经处理的废弃食用菌基质导致的水土污染问题；秸秆原地还田作为基料用于栽培食用菌的生产方式容易导致土壤性能下降等等，这些限制因素说明传统栽培技术还无法实现高效循环经济^[10]。基因编辑和合成生物学技术目前已开始应用于食用菌的精确分子育种中。这些技术在培育具有更高基质转化率和改善环境适应性的食用菌品种方面显示出巨大潜力，为推动循环农业经济实践的进步提供了新的思路。

★2  素食肉类

由于地域政治冲突、人口增长和极端气候事件频发等原因，据统计，2023年全世界每11个人中就有1个人正在遭受饥饿^[11]。这一严峻形势迫使各国农业部门必须加快创新与改革的步伐，以有效应对日益增长的食物需求。

食用菌的营养价值正日益受到广泛认可，原因在于其脂肪、盐、胆固醇和卡路里含量较低^[12]，且富含生物活性天然产物和必需营养素，如纤维、蛋白质、矿物质、维生素和多种营养补充品。这些优点使得食用菌成为适合人类消费的饮食选择（图1B）。同时，食用菌的栽培可以利用农业废弃物及其副产品，从而构建出一个既平衡又营养丰富的食品供给系统，有效减少了传统食品生产所造成的环境负担和负面影响。此外，食用菌因其独特的质地等感官特性，使其成为一种备受欢迎的肉类替代品^[13]。

A：循环经济；B：纯素肉类；C：蘑菇基材料；D：航空航天；E：人类健康制药；F：污染减排

图1 合成生物学驱动的食用菌的创新应用：多领域可持续发展方案

Fig. 1 Illustration of synthetic biology enables mushrooms to meet the emerging sustainable challenges

尽管食用菌蛋白的开发已历经半个多世纪，但由于其风味问题，至今仍未能完全赢得消费者的广泛认可。大多数食用菌天生带有一种由蘑菇醇（1-辛烯-3-醇）引发的特征性食用菌气味^[14]，并且缺乏与血红素铁相关的“肉质”风味^[15]，这在一定程度上限制了其作为素食肉类替代品的吸引力。因此，面向未来，基于食用菌的素食肉类产品应当积极探索合成生物学的应用，通过这一前沿技术，我们可以对食用菌进行定制化的改造，旨在创制出风味更接近传统肉类的新型食用菌品种。

★3  基于食用菌的材料

随着社会的不断进步和对环境可持续性发展的日益重视，一些奢侈品牌已经放弃了使用肉类生产副产品——皮革作为其主要原料。这一转变背后，是深刻认识到畜牧业与放牧等生产活动不仅产生了大量的温室气体排放，其动物废弃物还对环境造成了严重的污染^[16]。同时，皮革加工过程中使用的各种有害化学品，以及随之产生的大量的废水废物问题，也进一步推动了行业向更加环保的方向转型。在此背景下，非动物皮革材料的开发得到了前所未有的关注。其中，食用菌生物质材料在替代牛皮和合成化学皮革方面展现出了巨大潜力。基于食用菌的皮革替代品，凭借其独特的生态优势，正逐渐应用于汽车内饰、服装、箱包等多个工业生产领域^[17]。与其他合成皮革相比，这些由食用菌衍生的类皮革材料在外观和材料性能上与牛皮更为接近^[18]。

食用菌还具有其他创新性应用，如基于菌丝体的复合材料，可被用于建筑材料或包装（图1C）。菌丝体作为天然黏合剂，由孢子发育而来的单独菌丝组成。创建菌丝体基复合材料需将基质均质化以增加生长表面积，然后进行灭菌以消除微生物污染。在此基础上，通过接种创建一个受控环境以促进真菌定植，最后进行脱水和特性表征^[19]。

基于食用菌的材料，其核心组成部分主要包括壳质素以及多种多糖如葡聚糖、蛋白质、壳聚糖、聚葡糖酸和木质纤维素。这些成分赋予了食用菌材料独特的性质，而其中一个显著优点就是可完全生物降解^[18]。目前，在推进和开发基于食用菌的材料过程中，也面临一些问题。比如基于食用菌材料的皮革光泽度和韧性不够，另一方面，油脂作为保持光泽和防止干裂的关键成分，在真菌菌丝体中含量极低。因此，通过合成生物学技术来定制菌丝体皮革的成分，是未来优化产品的主要方向。

★4  航空航天食品

由于食用菌在生态系统中扮演着“分解者”角色，又是各类食物的“生产者”，它们仅需要有机质、氧气和水就可以生长，因此，食用菌成为在航空航天密闭等极端环境中建立碳氮物质循环小生态的关键环节（图1D）。位于美国佛罗里达州梅里特岛的星际实验室（Interstellar Lab）便巧妙地利用了这一特性，研发了一个名为NUCLEUS的模块化生物再生系统，这个系统旨在生产新鲜的微绿植物、蔬菜、食用菌（如平菇，Pleurotus ostreatus）以及昆虫，形成了一个自给自足的小型生态系统。NUCLEUS系统拥有独立的湿度、温度和水循环系统，能够精准地控制环境条件，可以培育出不同的植物、食用菌，以及黑水虻等昆虫。通过这一创新设计，航天员在执行航天任务期间不仅可以获得新鲜的食物来源，同时还可以处理航天员生活中产生的废物（https：//interstellarlab.com/space）。此外，1986年在切尔诺贝利核电站辐射禁区发现了一种名为Cladosporium sphaerospermum的真菌，它能生存在核放射性极强的环境下。这种真菌在辐射条件下生长速度是非辐射条件的数倍，也就是说，它能够通过特定的方式将辐射能转化为菌丝体生长的能量，类似于光合作用的过程，将核辐射转化为生存所需的能量。这种真菌驯化之后，除了提供食物之外，还可以在太空舱等环境中吸收辐射能，给航天员带来更安全的航天空间^[20]。

然而，食用菌的生活史中有一阶段会形成包括无性孢子、有性孢子等多种形式的孢子，这些孢子容易四处飘散，最终进入航天器中各种精密仪器的缝隙^[21]。如何避免孢子的形成，是食用菌应用于航天必须解决的问题。通过合成生物学对这些有潜力适应航天环境的菌株进行定向分子育种，避免孢子的产生，是未来食用菌定向精准育种学家所需要努力的方向。

★5  人类健康与药学

食用菌是蛋白质、膳食纤维的重要来源，这些成分对于健康饮食至关重要。此外，食用菌还能够合成大量具有生物活性的天然产物，它们在人体中发挥重要作用，并有助于预防各种疾病。在东亚文明中，食用菌被视为滋补食品，已有数百年的历史，被称为“生命之药”。

食用菌在抗癌和降低心血管疾病发生率等方面具有潜在健康益处。这主要归因于食用菌中β-葡聚糖的免疫刺激和调节作用。β-葡聚糖已被批准用于癌症辅助治疗^[22]，其在肥胖和饮食调节、胃肠道及心血管疾病和糖尿病风险降低以及表皮损伤修复等均有作用。美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）已批准β-葡聚糖作为降低胆固醇的食品^[23]。然而，食用菌中的β-葡聚糖在成分和结构上存在较高的变异性，这可能影响其治疗效果的一致性^[24]。

天然致幻食用菌中含有的迷幻素是一种与血清素结构和作用方式相似的吲哚胺化合物。在美国迷幻素被列为一级毒品，但由于其相较于氯胺酮等类似物质危害性较低，因此，其在治疗方面的用途已引起关注。FDA已将迷幻素指定为治疗重度抑郁症的突破性药物^[25]。由于历史、法律和文化的差异，迷幻素在大多数国家仍被归类为有害物质。

食用菌还产生洛伐他汀、麦角固醇、虫草素、庚酰胺、壳聚糖、红霉素、吲哚类化合物、维生素E、γ-氨基丁酸和麦角硫氨酸等天然产物^[26]，具有开发为药物先导化合物的巨大潜力（图1E）。一些天然产物已显示出功能活性，并可以高效地从食用菌中获得。尽管药用菌在生产生物活性物质方面具有巨大潜力，然而，生物技术的局限却阻碍了对其合成途径的完全表征。这导致大多数药用菌目前仍主要作为传统中药，并面临着一系列限制，如副作用尚未完全明确、药代动力学机制不明确等^[27]。

随着合成生物学的发展，可以开发基于食用菌的细胞工厂来生产这些天然产物^[10]。目前，食用菌细胞工厂已合成了具有强抗氧化活性的特殊硫基组氨酸甜菜碱——麦角硫因，展示了食用菌在生产高价值天然产品方面的广阔前景^[28]。

★6  污染治理

食用菌能够产生大量非特异性氧化木质素的氧化还原酶类^[29]。菌丝体形成的天然菌皮或者菌丝体复合组织，作为一种多孔材料，具有优良的吸附能力。食用菌不仅能够高效降解和去除农药、药物化合物、重金属离子以及微塑料等复杂污染物（图1F），还在污染治理方面表现出超越当前细菌处理方法的潜力^[30]。食用菌菌皮本身的物理吸附效应和非特异性氧化还原酶混合物使其能够降解更多元的污染物，这使其在处理污染物时优于细菌处理^[31]。细菌处理无法处理某些富含抗生素的污染物，但食用菌不受大多数商业抗生素的影响^[32]。失活食用菌菌丝体或其他组织因其持久的多孔结构而具有优良的重金属和化学品吸附能力^[33]。这一过程无需消耗额外的物质或能量。

尽管食用菌在污染物处理方面表现优异，然而，其缺点是需要较长的处理时间，一般为7~14d。相比之下，传统的细菌处理过程通常只需几小时。这一较长的停留时间在将食用菌处理方法融入现有污染治理策略时带来了效率问题，这本身也是食用菌本身生长周期所决定的。另外，食用菌较适宜生长pH为4.5~7.0，这导致可处理的污染物种类大大受限^[34]。利用合成生物学培育生长速率更高和环境适应能力更强的菌株，是解决这些限制性因素的必要手段。

★7  展望

随着生物技术的不断进步和对食用菌认识的加深，我们正进入食用菌合成生物学时代。在这一视角下，我们旨在阐明这一新兴范式及其在循环经济、人类健康与药物、素食肉类、食用菌材料、航空航天和污染治理等多个领域中的潜力。我们希望食用菌合成生物学能够有利于创造一个更美好、更可持续的世界。为实现这一目标，必须优先发展更多的食用菌合成生物学工具，并探索其在不同领域的应用。

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原文来源：刘昱，李甜，魏勇军，汪滢，邹根．合成生物学在食用菌新赛道中的展望[J/OL]．生物技术进展. https://doi.org/10.19586/j.2095-2341.2024.0145