文献解读|mSystems（7.324）：木屑堆肥处理对香菇碳水化合物和芳香族氨基酸代谢相关基因表达的影响

堆肥的木屑颜色由棕红色变为深褐色。与新鲜（CK）木屑相比，堆肥（ND）木屑的纤维素、木质素、半纤维素和有机碳含量较低，而总氮含量较高（表1）。ND组香菇的菌丝生长速度快，褐膜多糖含量高于CK组（表1）。另外，ND组香菇的褐膜开始形成的时间比CK组早，褐膜完全形成的时间比CK组早14天，说明木屑堆肥促进了香菇的生长。

表1 木屑理化特性和香菇生长表型

每个样本获得了约43000000~49000000个clean reads，70%~79%质检合格的序列比对到参考基因组，比对率为84%。CK与ND组之间的基因表达水平是相似的（图1A），说明可用于差异表达分析。和CK组相比，在ND组中共筛选了235个差异表达基因（DEGs），其中96个上调（包括MFS通用底物转运体、细胞色素P450和丝氨酸蛋白酶抑制剂），139个下调（包括胚胎发生晚期丰富结构域蛋白、醛酮还原酶和α/β水解酶，图1B）。

GO分析一共获得441个GO类目，在生物过程（BP）类目中，DEGs显著富集到芳香氨基酸家族代谢和生物合成过程以及分支酸（图1C）。DEGs显著富集的分子功能（MF）类目为内肽酶和肽酶抑制剂及调节因子活性、酶和丝氨酸型内肽酶抑制剂活性以及磷酸作用的碳氧裂解酶活性等。在细胞成分（CC）类目中，24个DEGs富集到膜组分。KEGG分析表明，DEGs显著富集到28条通路，其中包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成通路。

图1 CK和ND组香菇转录组分析

使用RT-qPCR检测了18个DEGs的表达水平，其中9个基因的差异倍数及显著性和测序数据一致（表2）。

表2 RT-qPCR验证

和CK组相比，在ND组中筛选了187个差异表达蛋白（DEPs），其中74个上调，113个下调（图2）。GO分析表明，DEPs主要富集到代谢和单组分过程、细胞和细胞部分以及催化活性和结合（图3）。KEGG分析表明，DEPs显著富集到74条通路。蛋白互作网络分析表明，XP-007327210.1、XP-007325842.1、XP-007325855.1、XP-007328515.1、XP-007326488.1、XP-007326180.1、XP-007334384.1、XP-0073315491.1、XP-007332048.1、XP-007325723.1、XP-007325639.1、XP-007325271.1、XP-007326547.1和XP-007333581.1的连接度最高，是网络中的关键蛋白。这些关键蛋白中，除了XP-007325271.1是一种酰基载体蛋白/NADP泛醌氧化还原酶（ACP）之外，其他都是假设蛋白（图4）。

图2 DEPs火山图分析

图3 DEPs的GO分析

图4 PPI互作网络分析

转录组中7.2%的DEGs是编码碳水化合物活性酶的基因。其中，1个碳水化合物酯酶，1个糖基转移酶和4个辅助酶基因上调；5个糖苷水解酶，3个碳水化合物酯酶，1个碳水化合物结合域，1个糖基转移酶和1个辅助酶基因下调（表3）。蛋白质组中15.5%的DEPs是碳水化合物活性酶。其中，3个糖苷水解酶和1个辅助酶蛋白上调；14个糖苷水解酶，4个碳水化合物酯酶，6个辅助酶和1个多糖裂解酶蛋白下调（表3）。

表3 碳水化合物活性酶表达分析

转录组和蛋白组的Pearson相关性系数为0.072。KEGG富集的前20个通路中，有7个通路是转录组和蛋白组共有的，分别是氰基氨基酸代谢、磷酸肌醇代谢、戊糖和葡萄糖醛酸间转换、磷脂酰肌醇信号系统、RNA聚合酶、淀粉和蔗糖代谢和酪氨酸代谢通路（图5）。转录组和蛋白组都检测到3对DEGs和DEPs。其中LENED_010224及其对应蛋白 A0A1Q3ELU5 和LENED_004417及其对应蛋白A0A1Q3E6U4在转录组和蛋白组中均上调；LENED_009984在转录组中下调，其对应蛋白A0A1Q3ELG3上调。GO分析表明，A0A1Q3ELU5和A0A1Q3E6U4属于内肽酶抑制剂活性和氧化还原酶活性类目。KEGG分析表明，酪氨酸代谢、脂肪酸降解和糖酵解/糖异生等3个显著富集的通路中，均包含A0A1Q3E6U4蛋白。

图5 DEGs和DEPs的KEGG分析

作者最后分析了木屑堆肥对香菇棕褐色菌膜木质纤维素降解相关酶活性的影响，结果表明：果胶裂解酶活性范围约5至10 U mL−1，β-葡聚糖酶的活性范围为10至20 U mL−1，纤维素酶的活性范围约16至25 U mL−1，锰过氧化物酶、漆酶和木质素过氧化物酶的活性低于约7 U mL−1（图6）。CK组和ND组的酶活性无显著差异。

图6 酶活性检测

 + + + + +