灵芝'药用密码'被破译！科学家发现调控其核心活性成分的关键基因网络

灵芝是一种传统的中药真菌，灵芝三萜类化合物（ganoderma triterpenoids，GTs）是其主要的生物活性成分之一，具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎、保肝、免疫调节等多种药理作用。

在灵芝中，GTs的生物合成途径是通过甲羟戊酸途径（（Mevalonate，MVA））产生羊毛甾醇，然后在糖基转移酶和细胞色素P450（cytochrome P450，CYP450）酶的作用下转化为GTs的各种结构，如灵芝酸、灵芝醇和透明质酸[1]。目前，研究人员已成功在灵芝全基因组测序后对219个CYP450基因（21个已鉴定）[1, 2]与约600个调控灵芝功能的转录因子（transcription factors，TFs）家族进行注释，其中包含GCN4等与三萜功能相关的转录因子家族[1]。然而，不同的发育阶段灵芝三萜代谢物的合成机制尚不明确及其生物合成途径尚未完全阐明。

为了解决这个问题，福建农林大学邹小兴团队在《Journal of Fungi》上发表了文章《Integrated Transcriptomic and Targeted Metabolomic Analysis Reveals the Key Genes Involved in Triterpenoid Biosynthesis of Ganoderma lucidum》^[3]，该团队对灵芝不同生长阶段（包括原基（primordia，P）、成熟子实体时期（the matured fruiting body，FM）和产孢后子实体时期（the post-spore fruiting body，FP）进行代谢组学和转录组学分析，共检测出多种三萜类化合物并揭示了这些化合物在不同灵芝生长时期的代谢情况，为进一步了解GT生物合成的关键基因提供了有用的信息。

1 靶向代谢组学分析

采用靶向代谢组学方法研究了灵芝生长阶段的代谢变化。结果表明，孢子产生后，子实体中GT的总含量与原基和FM阶段相比显著降低。使用靶向代谢组学方法，共检测到699种成分，包括151种木脂素、112种萜类化合物、68种氨基酸和衍生物、65种酚酸、62种有机酸、60种黄酮类化合物、54种生物碱、47种核苷酸和衍生物、11种木脂素和香豆素以及69种其他成分（图2A），且不同生长阶段之间的化学成分存在差异（图2B、2C和图2D）。除此以外，研究人员还对灵芝不同生长阶段的GTs和其他植物成分含量进行分析。例如，灵芝酸D在三个生长阶段含量均较低，而灵芝酸E、灵芝酸A以及灵芝酸K等则在三个阶段均呈现较高的含量。除此以外，还在灵芝中检测到一些常见于植物中的黄酮类和酚酸类化合物，如绿原酸等。这对后续根据不同的研究目的选择不同是实验材料提供了可靠的理论基础。

图2 灵芝不同生长阶段的靶向代谢组学分析

2 灵芝不同生长阶段的转录组分析

2.1 转录组学数据

为了评估灵芝中的基因表达谱，对三个不同发育阶段的样本进行转录组分析。经分析，P和FM组中有371个差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs）（图3A），主要参与途径为氨基酸生物合成、色氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢（图3B）。在FM和FP组中，鉴定到2567个DEGs，主要参与途径为2-氧代羧酸代谢、氨基酸生物合成和蛋白酶体（图3D）。在P和FP组中，鉴定出1941个DEGs，主要参与途径为氨基酸生物合成、蛋白酶体和RNA转运（图3F）。这表明有更多的基因参与孢子产生的过程。

图3 灵芝不同生长阶段转录组分析结果

2.2 MVA途径基因的表达谱

MVA中关键基因的表达水平会影响羊毛甾醇的含量，从而影响三萜的含量。在这项研究中，合成途径的相关基因HMGR、MK、PMK、MVD的表达水平在从P阶段转化为FP阶段的过程中均下调（图4A）。对参与MVA途径的六个基因进行qRT-PCR分析（图4B），结果与转录组数据趋势一致。除此以外，研究人员还对与三萜相关的等转录因子，如GlC2H2，在不同生长阶段表达上调或者下调进行了相关性阐述。

 图4 灵芝的MVA途径

2.3 GT转录组和代谢组联合分析

为了进一步了解GT生物合成的调控机制，研究人员对DEGs与差异代谢产物之间的相关性进行了评价，结果显示，6个TFs（GL23559、GL24216和(GL24393等）和2种CYP450（GL21420和GL17412）与4种GTs代谢产物显著相关，包括甲基灵芝酸J、灵芝酸γ、透明质酸P和透明质酸B（图5），并阐述了它们可能对不同三萜成分的生物合成起到激活或抑制作用。然而，这些TF如何参与这些成分的合成仍需要进一步研究。

图5 三萜的分子结构

   本研究选择了灵芝的三个阶段，包括P、FM和FP时期，共检测到699种差异代谢产物，包括木质素与萜类化合物等，并对不同阶段的差异代谢产物、相关转录因子和基因表达进行了分析，筛选获得了一些参与GTs生物合成途径的候选基因。该研究首次通过靶向代谢组学和转录组学联合分析，对三个不同发育阶段的差异代谢物和差异表达基因进行研究，为研究灵芝不同生长阶段三萜生物合成及相关基因的调控提供了有价值的信息。

参考文献

1.     Chen S, Xu J, Liu C, Zhu Y, Nelson DR, Zhou S, Li C, Wang L, Guo X, Sun Y et al: Genome sequence of the model medicinal mushroom Ganoderma lucidum. Nature Communications 2012, 3(1):913.

2.     Wang WF, Xiao H, Zhong JJ: Biosynthesis of a ganoderic acid in Saccharomyces cerevisiae by expressing a cytochrome P450 gene from Ganoderma lucidum. Biotechnology and Bioengineering 2018, 115(7):1842-1854.

3.     Xu X, Li C, Wu F, Zhao S, Chen T, You H, Lin Y, Zou X: Integrated Transcriptomic and Targeted Metabolomic Analysis Reveals the Key Genes Involved in Triterpenoid Biosynthesis of Ganoderma lucidum. Journal of Fungi 2025, 11(1).