朱砂诱导的Trichoderma longibrachiatum MD33的应激反应：多组学技术揭示该真菌特有的dendrobine生物合成途径

《Frontiers in Microbiology》：Cinnabar-induced hormesis in Trichoderma longibrachiatum MD33: multi-omics elucidation of a fungal-specific dendrobine biosynthesis pathway

本研究发现，亚致死浓度（1.0-4.0 μg/L）的HgS通过激活ROS信号通路，上调甲羟戊酸途径及萜类合成酶基因，促进真菌Trichoderma longibrachiatum MD33中dendrobine合成，最高增产24%。而高浓度（6.0 μg/L）导致代谢崩溃，抑制产物生成。该研究揭示了真菌次生代谢的双相调控机制，为代谢工程优化提供了理论依据。

　　### 植物来源的中药成分：Dendrobium nobile 与 Dendrobine 的关系

Dendrobium nobile 是一种珍稀的兰科植物，其主要成分之一是 dendrobine，这是一种具有神经保护作用的半萜类生物碱。在传统医学中，dendrobine 被广泛应用于治疗神经退行性疾病、发热和疼痛等症状。然而，由于野生 Dendrobium nobile 种群的过度采集以及其生长周期较长，导致其资源日益紧张，难以满足现代医药工业的需求。因此，寻找可持续的生产平台成为研究的重点。近年来，科学家发现某些内生真菌，如 Trichoderma longibrachiatum MD33，能够合成 dendrobine，这为该化合物的工业化生产提供了新的可能性。

### 真菌合成 dendrobine 的潜力与挑战

Trichoderma longibrachiatum MD33 是一种从 Dendrobium nobile 中分离得到的内生真菌，它能够在体外合成 dendrobine，从而成为一种替代植物来源的潜在生物合成平台。尽管这一发现为可持续生产提供了希望，但目前对真菌中 dendrobine 合成路径及其调控机制的研究仍处于初步阶段。相比之下，植物中的相关研究已经揭示了一些关键酶，如半萜合成酶（TPSs）和细胞色素 P450 单加氧酶（CYP450s），它们在 dendrobine 的生物合成过程中起着重要作用。然而，真菌系统可能采用不同的代谢途径和调控机制，这使得我们对真菌中 dendrobine 合成的了解仍然有限。

### 研究方法：多组学技术解析 HgS 诱导的代谢重编程

为了深入理解 HgS 对 Trichoderma longibrachiatum MD33 中 dendrobine 合成的影响，本研究采用了整合转录组学和代谢组学的方法。首先，通过分散剂辅助的超声处理技术，制备了不同浓度的 HgS 悬浮液，并将其用于真菌培养。接着，通过生物量测定和 LC-MS 分析，评估了不同 HgS 浓度对真菌生长和 dendrobine 合成的影响。此外，利用高通量测序技术，对真菌的转录组进行分析，以识别在 HgS 作用下表达变化的关键基因。

### 研究结果：HgS 浓度对真菌生长和 dendrobine 合成的影响

研究结果显示，HgS 浓度对 Trichoderma longibrachiatum MD33 的生长和 dendrobine 合成具有显著影响。在低浓度（1.0–4.0 μg/L）下，HgS 会引发活性氧（ROS）信号，从而激活代谢重编程，提高 dendrobine 的产量。具体来说，在 4.0 μg/L 浓度下，dendrobine 的产量提高了 24%，而高浓度（6.0 μg/L）则抑制了真菌的生长（抑制率高达 73.9%）和 dendrobine 合成（减少 73.2%）。这种剂量依赖性的反应表明，HgS 在低剂量下可能作为代谢诱导剂，而在高剂量下则成为毒性物质。

### 转录组学分析：揭示 HgS 诱导的基因表达变化

通过转录组学分析，研究人员发现 HgS 诱导了与应激反应相关的转录因子（如 bZIP 和 Zn-Cys6 类型）以及 MAP 激酶级联反应。这些基因的上调可能促进了代谢路径的重新配置，从而提高了 dendrobine 的合成效率。相反，高剂量 HgS 则导致凋亡相关基因的上调，以及抗氧化系统和代谢路径的崩溃，这表明细胞在面对过量 HgS 时无法维持正常的代谢活动。

### 代谢组学分析：揭示 HgS 引起的代谢变化

代谢组学分析进一步揭示了 HgS 对代谢路径的调控作用。在低浓度下，HgS 促进了抗氧化系统和代谢路径的激活，例如谷胱甘肽代谢和维生素 B6 代谢，这有助于细胞应对外源性 HgS 引起的氧化应激。而在高浓度下，代谢路径的抑制导致了细胞内能量代谢的紊乱，以及代谢物的大量消耗。这种代谢路径的变化与转录组学数据相辅相成，表明 HgS 在不同浓度下对代谢活动的影响具有双重性。

### 真菌中 dendrobine 合成的调控机制

研究还提出了一种关于 HgS 诱导的 dendrobine 合成的调控模型。在低浓度下，HgS 通过 ROS 信号激活了 mevalonate 路径和相关的半萜合成酶，从而促进了 dendrobine 的合成。同时，细胞色素 P450 单加氧酶和 O-甲基转移酶等酶的上调也表明了代谢路径的优化。然而，在高浓度下，这些酶的表达受到抑制，导致代谢路径的崩溃和细胞功能的丧失。此外，HgS 还被发现能够激活 ABC 转运蛋白，这些蛋白可能通过外泌体途径将 dendrobine 导出细胞外，从而减少其对细胞的毒性。

### 比较分析：真菌与植物中的 dendrobine 合成差异

尽管真菌和植物在 dendrobine 合成方面有相似之处，但两者在代谢路径和调控机制上存在显著差异。植物中的 dendrobine 合成主要依赖于 mevalonate 路径和 CYP450s，而真菌则可能采用更复杂的代谢策略，包括细菌来源的半萜合成酶和独特的转运机制。这种差异可能源于真菌在进化过程中对宿主植物的适应，以及其自身独特的代谢需求。

### 研究的意义与未来展望

本研究不仅揭示了 HgS 在真菌中 dendrobine 合成中的调控作用，还为代谢工程提供了重要的理论基础。通过优化 HgS 的浓度，可以实现 dendrobine 合成的最大化，同时避免细胞的毒性反应。未来的研究可以进一步探索如何利用 CRISPR 技术编辑关键的调控基因，以提高真菌株的抗逆性和 dendrobine 合成能力。此外，研究还建议对真菌的微生物组进行深入分析，以确定可能的细菌来源，从而更好地理解真菌中 dendrobine 合成的进化机制。

### 结论：HgS 作为双刃剑的调控作用

综上所述，HgS 在 Trichoderma longibrachiatum MD33 中的双重作用表明，低剂量 HgS 可以作为代谢诱导剂，促进 dendrobine 的合成，而高剂量则可能成为毒性物质，抑制细胞的生长和代谢活动。因此，优化 HgS 的浓度是实现高效 dendrobine 生产的关键。本研究为真菌生物合成 dendrobine 提供了新的视角，也为未来的代谢工程和生态研究提供了重要的参考。通过深入理解真菌中 dendrobine 合成的调控机制，我们有望开发出更高效的生产策略，推动这一具有重要药用价值的化合物的可持续供应。