米曲霉RIB40在木质纤维素副产物化学胁迫下的转录组分析揭示其适应抑菌化合物的分子机制

本研究针对木质纤维素预处理副产物中的毒性化合物抑制真菌生长这一关键问题，通过转录组测序技术系统解析了米曲霉RIB40对糠醛、5-羟甲基糠醛(HMF)、乙酰丙酸、阿魏酸和香兰素的适应性反应机制。研究发现NAD(P)H依赖型氧化还原酶和ABC/MFS转运蛋白在解毒过程中发挥核心作用，为构建高效利用木质纤维素副产物的工业菌株提供了重要靶点。论文发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》，对生物炼制过程中的真菌耐受性改造具有重要指导意义。

　　

在生物炼制领域，木质纤维素作为可再生资源正成为生产生物燃料和生物基化学品的重要原料。然而，预处理过程中产生的毒性副产物如糠醛、酚类化合物和弱酸等，严重抑制了微生物的生长代谢，这一"瓶颈效应"长期制约着木质纤维素的高效利用。面对这一挑战，芬兰VTT技术研究中心(VTT Technical Research Centre of Finland Ltd)的研究团队选择具有卓越分泌能力和广谱底物利用特性的米曲霉(Aspergillus oryzae)RIB40作为模式菌株，通过系统研究其对典型抑制剂的转录响应，揭示了真菌应对化学胁迫的分子机制。

研究人员采用RNA测序技术，在确定各抑制剂半抑制浓度(IC₅₀)的基础上，分析了米曲霉在暴露于糠醛、HMF、乙酰丙酸(levulinic acid)、阿魏酸(ferulic acid)和香兰素(vanillin)后不同时间点的基因表达变化。通过差异表达分析、软聚类和序列相似性网络构建等方法，系统解析了真菌的应激反应网络。

醛类抑制剂引发强烈应激反应

研究发现醛类化合物(特别是HMF)诱导了最显著的转录重编程。暴露1小时内，约30-40%的基因表达发生改变，涉及细胞周期、核糖体功能和内质网蛋白折叠等通路的广泛抑制。同时，与活性氧(ROS)清除相关的过氧化物酶基因和修复膜损伤的脂肪酸去饱和酶显著上调，表明醛类化合物主要通过诱导氧化应激发挥作用。

解毒相关基因的差异调控

研究鉴定出691个在所有条件下共同上调的核心基因，其中NAD(P)H依赖型氧化还原酶占据主导地位。肉桂醇脱氢酶(CAD)AO090010000668对多种抑制剂响应最强烈，在香兰素处理1小时后的表达量增加超过1000倍(LFC=10.7)。芳基醇脱氢酶(AADH)AO090120000002在HMF处理3小时后仍保持高水平表达(LFC=16.1)。序列相似性网络分析显示，这些酶与酿酒酵母中已知参与醛类解毒的ADH6/7和AAD14/16聚为一类，提示其具有相似的底物特异性。

转运蛋白的协同作用

在相III解毒阶段，ABC转运蛋白和主要协助转运蛋白超家族(MFS)成员表现出特异性诱导模式。ABCG亚家族转运蛋白AO090003001385在香兰素处理3小时后表达量增加近300倍(LFC=8.5)，其同源基因在烟曲霉中与抗真菌药物耐药性相关。MFS转运蛋白AO090010000407在HMF处理5小时后仍保持高表达(LFC=9.3)，推测参与毒性代谢产物的外排。

芳香族化合物的代谢途径

通过比较阿魏酸和香兰素的代谢相关基因表达，研究人员重构了其降解通路。阿魏酸脱羧酶AO090001000093(LFC>7.4)和香兰素羟基化酶同源基因AO090003000219的强烈诱导，支持了这两种芳香族化合物通过相似的β-酮己二酸途径代谢的假说。值得注意的是，与构巢曲霉(Aspergillus nidulans)不同，米曲霉中未检测到hmfG同源基因的显著上调，暗示其HMF降解可能更依赖还原而非氧化途径。

乙酰丙酸的独特耐受机制

与其他抑制剂不同，乙酰丙酸主要诱导单羧酸转运蛋白AO090020000614(LFC=11.6)的表达，同时核糖体相关基因出现反常上调，表明其耐受机制更依赖外排而非代谢转化。

这项研究通过多组学分析揭示了米曲霉应对木质纤维素抑制剂的层级防御网络：醛类化合物主要触发氧化应激反应，通过氧化还原酶催化的还原反应和转运蛋白介导的外排作用实现解毒；芳香族化合物则通过特异性降解途径代谢；而弱酸类更依赖转运系统排出。研究鉴定的35个高度诱导但功能未知的氧化还原酶和转运蛋白，为通过合成生物学手段构建高效木质纤维素转化菌株提供了宝贵靶点。特别值得注意的是，HMF引发的强烈持续应激反应提示其在工业应用中可能带来更大挑战，这为预处理工艺优化提供了重要参考。该成果不仅深化了对丝状真菌胁迫响应的理解，也为发展基于木质纤维素的可再生生物经济提供了理论支撑。