食用菌基因组学研究进展

余金凤，周 汐，赵春燕，陈正启，吴素蕊

（中华全国供销合作总社昆明食用菌研究所，云南 昆明 650223）

“食用菌”俗称“蘑菇”，人类对其认识和利用均有着悠久的历史，我国是认识和利用食用菌最早的国家，其历史可追溯到公元前4 000年到公元前3 000年的仰韶文化时期[1]。据估测，目前自然界的菌物有150万种以上，其中大型真菌至少有14万种[2]；世界范围内存在的真菌约有10万余种[3]，其中食药用菌有2 300余种[4]；我国约有菌物1.6万种[5]，其中食用菌近1 000种[6]，被广泛食用的约200种[7]。食用菌是人们日常生活的重要植物性蛋白和营养要素来源之一，包含了担子菌和子囊菌2门、30余科、130余属的近1 000种[8]。近年来，因其在保健药用方面具有较高的价值而被视为21世纪的一项新兴朝阳产业[9]。

随着高等真菌分子生物学的发展和基因工程技术应用的成功[10]，许多科学家开始关注食用菌基因工程的研究，尤其近几年，无论是在理论上还是应用上均已取得了一些新突破，这为深入了解食用菌的遗传本质，食用菌育种、生产及应用，开拓了更为广阔的前景[11]。

1 食用菌基因组测序概况

过去，因染色体小，以细胞学为基础对食用菌进行传统遗传学研究一直相对困难[12]。分子生物学的发展、组学技术的不断完善、生物信息学的应用为食用菌遗传学研究带来了曙光[13]。组学数据在提供遗传学研究基础的同时，也为食用菌生理研究提供了研究方略[14]。特别是基因组测序对全面了解一个物种的分子进化、基因组成和基因调控等有着极其重要的意义[15]。根据文献报道和数据库信息可知，除未公布序列信息的香菇、杏鲍菇和黑木耳外[1]，截至2016年10月，已完成30种食药用菌的基因组测序，包括伞菌目、多孔菌目、牛肝菌目、非褶菌目、肉座菌目、硬皮马勃目、银耳目及块菌目中的20余科。现将测序名录及部分数据信息概括如表1。

基因组研究主要包括两个方面：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)。结构基因组学仅仅是获得测序数据和序列结构，而功能基因组学研究才更具意义，必将为食用菌育种和生产开拓新的更为广阔的前景。

2 与食用菌木质纤维素代谢相关的基因研究

已知很多种食用菌可生活在腐殖质丰富的环境中，其营养物为较复杂的化合物，尤其木质纤维素是多数食用菌生长发育的主要营养来源[16]。木质纤维素是植物细胞壁的重要组成成分，包括纤维素、半纤维素和木质素，且大都不能被食用菌直接吸收利用，需要进一步降解[17]，其中木质素是最顽强的部分，常作为植物的第一道防线抵抗真菌的降解[18]。虽然已有研究表明食用菌能合成大量的酶参与木质纤维素的降解[19]，但参与这一过程的基因尚不清楚，因此这成为了研究者们关注的领域。

表1 完成基因组测序的食用菌名录

双孢蘑菇是市场消费量较大的食用菌品种，常生活在落叶下腐殖质富集的环境中，并具有强大的竞争力，已有试验证实双孢蘑菇具有分解植物细胞壁的能力，研究者欲进一步了解其与分解细胞壁成分相关的酶及调控基因，故完成了基因组测序，组装后获得30.23 Mb的测序数据，包括10 606个基因，注释了蛋白10 448个。此外通过菌丝体的比较基因组学研究，发现在混合废料培养时期，基因组中与木聚糖、纤维素、果胶和蛋白质降解相关的酶含量相对增多，同时与这些酶的合成相关的基因在这一时期高表达[17]，这间接阐述了双孢蘑菇分解植物细胞壁的机制。

草菇是一种被广泛食用的健康食物[20]，但由于在生长过程中对营养物质的生物转换效率低使其发展受限[21]。研究者对单核状态的草菇进行了全基因组测序，获得35.7 Mb的基因组数据。有文献报道，具有木质素降解能力的真菌在降解木质素时需要3个血红素氧化酵素的共同作用，即木质素氧化酵素、锰过氧化物酶、多功能氧化物酶，比较基因组学研究的结果显示草菇缺乏这样的木质素降解酶系统，因此推断这可能是导致其生物转化率低的原因之一[22-24]。

2014年BUSK等[25]对朱红栓菌等39个真菌的基因组信息进行了分析和比较，结果显示除褐腐菌之外，纤维二糖水解酶和AA9溶解性多糖单氧酶几乎是能降解纤维素的真菌的两种标志性酶。此外还注释到大量的内纤维素酶、β-葡萄苷酶，均为腐生真菌中能降解木质纤维素的酶[26-28]，此外，一些真菌虽不具有表达这些酶的基因，却仍有一定的降解木质纤维素的能力[26]，这说明木质纤维素的降解可能有多种酶的参与。在暗褐网柄牛肝菌的基因组测序结果中也发现过很多基因，主要控制合成碳水化合物水解酶、碳水化合物酯酶、糖苷水解酶、糖基转移酶、多糖裂解酶等，这些酶可能都参与了木质纤维素等多糖的水解[29]。

2014年，PARK等[30]完成了金针菇的基因组测序，获得35.65 Mb数据，包括12 218个基因，其中很多特有的基因均与木质素和碳水化合物的降解有关。由于木质素的存在，木材才具有较高的抵抗生物降解的能力[31-32]，而金针菇对木材的降解通常是从木质素开始的，木质素的矩阵结构一旦消除，那么纤维素和半纤维素化合物的降解就简单易行了[33]，这极有可能就是木质素对木材有强降解力的原因。研究还发现金针菇在降解木材的同时可产生乙醇，基因组数据中也发现了与之相关的基因[34-35]。由于木质纤维素是自然界中最丰富的生物能源，因此将其应用于生物乙醇的生产是有望实现的。

灵芝是一种名贵药材，基因组测序结果包括38.24 Mb数据，包含基因数量为12 080个。从测序结果中注释了16个漆酶、7个氧化酵素、9个乙二醛氧化酶类、40个促进几丁质降解的酶，此外还比对到36个与降解木质素相关的氧化还原酶基因[36]。漆酶是一种最常见的木质素降解酶，且具有底物专一性[37]；而乙二醛氧化酶类有促进氧化酵素反应的作用[38]，因此推测这些基因均可能与生物降解有关，负责降解植物细胞壁中的主要化合物（包括纤维素、半纤维素、木质素和几丁质）。灵芝还具有一些能降解工业污染物的酶[39]，这些酶的应用可作为一种积极有效的控制环境污染的手段。

除此之外，在木耳[40]及裂褶菌[41]的基因组数据中也找到了与木质纤维素降解相关的基因，这将促进研究者对其生存机制的深入认识。

3 食用菌中活性成分的基因研究

已知灵芝多糖提取物可提高老鼠的免疫力，以抵抗癌症，灵芝酸具有抗肿瘤、调节免疫、抗氧化的作用[42-45]。但因这些活性物质的自然产量低，大量提取难度大，所以有研究者建议用生物学合成甲氢戊酸的通路来合成灵芝酸的主干三萜烯[46]，但至今这仍仅仅是一种构想，原因是目前仅找到部分参与此通路的基因，三萜烯合成之后的修饰过程（比如环化和糖基化作用）还少有人研究[47]。通过基因组测序，有望对灵芝酸合成关键步骤中酶的结构进行描述。此外，基因组注释结果显示灵芝能合成多达400种具有生物活性的化合物，因此灵芝可作为药学和工业中新化合物的来源，但其活性成分的积累和药理机制还有待探索和研究[48]。Liu等[47,49]对灵芝进行代谢通路分析后发现：灵芝菌丝生长至14～18 d时三萜类化合物的合成通路被激活，18 d时可最早发现三萜类化合物，30 d时含量达到最大值；此外，30 d时所产生的灵芝多糖在对抗肿瘤上表现出相对高的生物学活性，同时参与这一化合物合成通路的基因在这一时期均有表达。对于萜类化合物，很多大型真菌中均有发现，且萜类化合物大多具有抗菌性和抗细胞毒性[50]，有望用于医药学中。

蛹虫草是另一类知名药用菌，虽为传统中药材，但他们在西方也备受关注[51-52]。蛹虫草的基因组中包括9 651个可编码蛋白质的基因，其中一些基因控制合成的化合物具有药理学活性，包括虫草素、虫草酸、多糖和大环内酯类[53]。虫草素是一种广谱抗菌素[54]，具有抗病毒和抗肿瘤的作用，但其生物合成途径还不清楚。此外，在冬虫夏草基因组中没有发现目前已知的人类真菌毒素的基因[53]，表明其确是可放心使用的药材。

4 在人工栽培方面的基因研究

目前，利用基因组测序手段对食用菌进行栽培方面的研究相对匮乏，仅在子实体细胞壁的形成方面有一些报道。已知担子菌在子实体的形成时期和菌盖溶解时期细胞壁的结构会发生改变[55]。以金针菇为对象，对其不同生长时期特异表达的基因进行分析，发现有很多与子实体细胞壁形成相关的基因，且这些基因仅在特定的时期表达，比如在子实体形成时期甲壳素脱乙酰酶基因会特异性地表达[33]。这些结果为进一步研究真菌出菇提供了一个重要的突破口。

5 食用菌基因组学的未来

食用菌种类庞大且多样，我国不仅是全球食用菌食用和生产种类最多的国家，还是食用菌食品类型最多的国家[56]，但是目前对食用菌的认识大多集中在分类方面，对其分子生物学方面的研究还远远不够。然而，随着组学技术的成功应用和不断完善，在基因水平上了解食用菌的发生、生长和繁殖已不再是梦。完整的食用菌基因组测序为真菌界乃至生物界的进化研究提供了空前的机会，对重要的食用菌和药用菌基因组序列进行测定，这不仅可以推动食用菌在食品行业的发展，还可以为医学及药学产品的开发利用提供依据[12]。应用比较基因组学的方法研究食用菌的基因组，不仅有助于了解不同生境下食用菌的生理特性、形态差异及代谢多样性，还可为将来食用菌的驯化栽培提供参考，但获得基因组序列只是基因组学研究的冰山一角[12]，全基因组序列的公布已经推动了大量相关的基因研究，但是对这些数据中的大量信息还未全部解析，相信随着生物技术的快速发展，将从基因组序列中解读出更多的信息，食用菌产业的发展将会迈上新台阶。

[1]张金霞,陈强,黄晨阳,等.食用菌产业发展历史、现状与趋势[J].菌物学报,2015,34(4):524-540.

[2]HAWKSWORTH D L. Mushrooms: the extent of the unexplored potential[J]. International Journal of Medicinal Mushrooms, 2001,3(4):5.

[3]KIRK P M, CANNON P, MINTER D, et al. Ainsworth and Bisby's dictionary of the fungi[J]. The Quarterly Review of Biology, 2010:85(1):418.

[4]BOA E. Wild edible fungi:a global overview of their use and importance to people[J]. Non-wood forest producs,2004(2):1-147.

[5]戴玉成,庄剑云.中国菌物已知种数[J].菌物学报,2010,29(5):625-628.

[6]戴玉成,周丽伟,杨祝良,等.中国食用菌名录[J].菌物学报,2010,29(1):1-21.

[7]王向华,刘培贵,于富强.云南野生商品蘑菇图鉴[M].昆明:云南科技出版社,2004:1-136.

[8]张金霞.食用菌栽培技术[M].北京:中国标准出版社,1999:1-361.

[9]兰良程.中国食用菌产业现状与发展[J].中国农学通报,2009,25(5):205-208.

[10]阎培生,边银丙,罗信昌.高等真菌基因工程研究进展[J].食用菌学报,1997,4(2):47-53.

[11]潘迎捷.国际食用菌研究进展[J].吉林农业大学学报,1998,(增刊1):64-66.

[12]区骏恒,农民燕,关海山.食用菌基因组综合分析平台[C].//第九届全国食用菌学术研讨会摘要集.上海:中国菌物学会,2010:12.

[13]郑国清,黄静,段韶芬.生物信息学研究进展与展望[J].河南农业科学,2003(1):4-8.

[14]许国旺,杨军.代谢组学及其研究进展[J].色谱,2003,21(4):316-320.

[15]朱沛轩.微生物全基因组测序研究进展[J].国外医学,1998(6):28-32.

[16]王蔚,高培基.褐腐真菌木质纤维素降解机制的研究进展[J].微生物学通报,2002,29(3):90-93.

[17]MORIN E, KOHLER A, BAKER A R, et al. Genome sequence of the button mushroomAgaricus bisporusreveals mechanisms governing adaptation to a humicrich ecological niche[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2012,109(43):17501-17506.

[18]吕世翔,王秋玉.白腐菌在木质纤维素降解中的应用进展[J].森林工程,2009,25(4):26-31.

[19]潘迎捷,郑志仁,李人圭.木质纤维素的降解和五种酶的活性对香菇子实体形成的影响[J].食用菌学报,1996,3(3):27-32.

[20]CHANG S T, BUSWELL J A. Mushroom nutriceuticals[J].World journal of microbiology and bio technology,1996,12(5):473-476.

[21]CHANG S T. Production of the straw mushroom(Volvariella volvacea) from cotton wastes [J].Mushroom,1974(21):348-354.

[22]CAI Y J, BUSWELL J A, CHANG S T. Production of cellulases and hemicellulases by the straw mushroom,Volvariella volvacea[J]. Mycological Research,1994,98(9):1019-1024.

[23]BUSWELL J A, CAI Y J, CHANG S T, et al.Lignocellulolytic enzyme profiles of edible mushroom fungi[J]. World journal of microbiology and biotechnol ogy,1996,12(5):537-542.

[24]CHANG S C, STEINKRAUS K H. Lignocellulolytic Enzymes Produced byVolvariella volvacea, the Edible Straw Mushroom[J]. Applied and environmental microbiology,1982,43(2):440.

[25]BUSK P K, LANGE M, PILGAARD B, et al. Several Genes encoding enzymes with the same activity are necessary for aerobic fungal degradation of cellulose in nature[J]. PLOS ONE, 2014,9(12):e114138.

[26]JOOST VAN DEN BRINK, RONALD P DE VRIES. Fungal enzyme sets for plant polysaccharide degradation[J].Applied microbiology and biotechnology,2011,91(6):1477-1492.

[27]HORN S J, VAAJE-KOLSTAD G, WESTERENG B,et al. Novel enzymes for the degradation of cellulose[J].Biotechnology for biofuels, 2012,5(1):45.

[28]HU J, ARANTES V, PRIBOWO A, et al. The synergistic action of accessory enzymes enhances the hydrolytic potential of a "cellulase mixture" but is highly substrate specific[J].Biotechnology for biofuels, 2013,6(1):112.

[29]CAO Y, ZHANG Y, YU Z, et al. Genome Sequence ofPhlebopus portentosusStrain PP33, a Cultivated Bolete[J]. Genome Announcements, 2015,3(2):1-2.

[30]PARK Y J, BAEK J H, LEE S, et al. Whole genome and global gene expression analyses of the model mushroomFlammulina velutipesreveal a high capacity for lignocellulose degradation[J].PLOS ONE,2014,9(4):e93560.

[31]HEREDIA A, JIMENEZ A, GUILLEN R. Composition of plant cell walls[J]. European Food Reserch and Technology,1995,200(1):24-31.

[32]MARTINEZ D, CHALLACOMBE J, MORGENSTERN I, et al. Genome, transcriptome, and secretome analysis of wood decay fungusPostia placentasupports unique mechanisms of lignocellulose conversion[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008,106(6):1954-1959.

[33]CANTAREL B L, COUTINHO P M, RANCUREL C,et al. The Carbohydrate-Active EnZymes database (CAZy):an expert resource for Glycogenomics[J]. Nucleic acids research, 2009,37(Database issue):D233-D238.

[34]MAEHARA T, YOSHIDA M, ITO Y, et al. Development of a gene transfer system for the mycelia ofFlammulina velutipesFv-1 strain[J].Bioscience, biotechnology, and biochemistry, 2010,74(5):1126-1128.

[35]MIZUNO R, ICHINOSE H, HONDA H, et al. Use of Whole Crop Sorghums as a Raw Material in Consolidated Bioprocessing Bioethanol Production UsingFlammulina velutipes[J]. Bioscience, biotechnology and biochemistry,2014,73(7):1671-1673.

[36]CANAS A L, SAMARERO S. Laccases and their natural mediators:biotechnological tools for sustainable eco-friendly processes[J]. Biotechnology Advances,2010,28(6):694-705.

[37]LUNDELL T K, MAKELA M R, HILDEN K. Lignin-modifying enzymes in filamentous basidiomycetes–ecological, functional and phylogenetic review[J].Journal of basic microbiology, 2010,50(1):5-20.

[38]KERSTEN P J. Glyoxal oxidase of Phanerochaete chrysosporium: its characterization and activation by lignin peroxidase[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1990,87(8):2936-2940.

[39]ASGHER M, BHATTI H N, ASHRAF M, et al. Recent developments in biodegradation of industrial pollutants by white rot fungi and their enzyme system[J].Biodegradation, 2008,19(6):771-783.

[40]FLOUDAS D, BINDER M, RILEY R, et al. The Paleozoic origin of enzymatic lignin decomposition reconstructed from 31 fungal genomes[J].Science,2012,336(6089):1715-1719.

[41]OHM R A, DE JONG J F, LUGONES L G, et al.Genome sequence of the model mushroomSchizophyllum commune[J].Nature Biotechnology,2010,28(9):957-963.

[42]YUEN J W, GOHEL M D. Anticancer effects ofGanoderma lucidum: a review of scientific evidence[J].Nutrition and cancer, 2005,53(1):11-17.

[43]LIN Z B, ZHANG H N. Anti-tumor and immunoregulatory activities ofGanoderma lucidumand its possible mechanisms[J]. Acta pharmacologica Sinica,2004,25(1):1387-1395.

[44]CHU T T, BENZIE I F, LAM C W, et al. Tomlinson B. Study of potential cardioprotective effects ofGanoderma lucidum(Lingzhi): results of a controlled human intervention trial[J]. The British journal of nutrition, 2012,107(7):1017-1027.

[45]SHI L, REN A, MU D, ZHAO M. Current progress in the study on biosynthesis and regulation of ganoderic acids[J]. Applied microbiology and biotechnology,2010,88(6):1243-1251.

[46]SHANG C H, ZHU F, LI N, et al. Cloning and characterization of a gene encoding HMG-CoA reductase fromGanoderma lucidumand its functional identification in yeast[J]. Bioscience, biotechnology and biochemistry, 2008,72(5):1333-1339.

[47]LIU D, GONG J, DAI W, et al. The Genome ofGanderma lucidumProvide Insights into Triterpense Biosynthesis and Wood Degradation[J]. PLOS ONE,2012,7(5):e36146.

[48]CHEN S, XU J, LIU C, et al. Genome sequence of the model medicinal mushroomGanoderma lucidum[J].Nature communications, 2012,3(2):913.

[49]SONE Y, OKUDA R, WADA N, et al. Structures and antitumor activities of the polysaccharides isolated from fruiting body and the growing culture of mycelium ofGanoderma lucidum[J]. Agricultural and Biological Chemistry,1985,49(9):2641-2653.

[50]WAWRZYN G T, QUIN M B, CHOUDHARY S,et al. Draft genome ofOmphalotus oleariusprovides a predictive framework for sesquiterpenoid natural product biosynthesis in Basidiomycota[J]. Chemistry and biology, 2012,19(6):772-783.

[51]PATERSON R. Cordyceps:a traditional Chinese medicine and another fungal therapeutic biofactory[J].Phytochemistry, 2008,69(7):1469-1495.

[52]ZHOU X, GONG Z, SU Y, et al. Cordyceps fungi:natural products, pharmacological functions and developmental products[J]. The Journal of pharmacy and pharmacology, 2009,61(3):279-291.

[53]ZHENG P, XIA Y, XIAO G, et al. Genome sequence of the insect pathogenic fungusCordyceps militaris,a valued traditional Chinese medicine[J].Genome biology, 2011,12(11):R116.

[54]XIAO J H, ZHONG J J. Secondary metabolites from Cordyceps species and their antitumor activity studies[J]. Recent Patents on Biotechnology,2007,1(2):123-137.

[55]YAMADA M, KURANO M, INATOMI S, et al.Isolation and characterization of a gene coding for chitin deacetylase specifically expressed during fruiting body development in the basidiomyceteFlammulina velutipesand its expression in the yeast Pichia pastoris[J]. Fems Microbiology Letters, 2008,289(2):130-137.

[56]张红印.我国食用菌食品的开发现状及前景展望[J].食品科技,2001(1):4-5.