冬虫夏草采收期分子特征与品质形成的整合转录组与代谢组分析

本研究针对冬虫夏草(Ophiocordyceps sinensis)不同采收阶段品质差异的分子机制不明问题，通过UPLC-MS/MS和RNA-seq技术，系统分析了D1-D3三个采收期的代谢物积累与基因表达特征。研究发现596个差异代谢物(DAMs)和2550个差异基因(DEGs)主要富集于酪氨酸代谢(map00350)等氨基酸相关通路，鉴定出DDC(G6O67_000335)、TYR(G6O67_005660)等关键基因通过调控有机酸衍生物合成间接影响品质形成。该成果发表于《BMC Genomics》，为冬虫夏草品质评价和功能食品开发提供分子依据。

　　

冬虫夏草作为传统珍稀药食两用真菌，其药理活性成分如虫草多糖、鞘氨醇和虫草素等已被证实具有抗肿瘤、抗氧化及免疫调节功能。然而，这种"高原黄金"在不同采收期的品质波动始终困扰着产业界——早期采收的虫草外观品质佳但活性成分不足，晚期采收的虽药用价值高却商业性状差。更关键的是，这种品质差异背后的分子调控机制长期处于"黑箱"状态，严重制约了其标准化采收和精准开发利用。

为破解这一难题，Tao Wang等研究团队选择青海杂多县地理标志性产区的冬虫夏草，按发育阶段划分为菌核萌发初期(D1)、发育期(D2)和成熟期(D3)三个采收阶段。运用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)和转录组测序(RNA-seq)技术，结合多元统计分析和KEGG通路富集，系统揭示了代谢物动态变化规律及其分子调控网络。

关键技术方法包括：1) 采集青藏高原4562米海拔的野生样本建立三阶段队列(D1-D3)；2) 采用甲醇:乙腈:水(2:2:1)低温超声提取代谢物，UHPLC-Q Exactive系统检测；3) Illumina NovaSeq X Plus平台进行双端150bp转录组测序；4) 基于VIP>1和p<0.05筛选差异代谢物(DAMs)，按|log2FC|>1和FDR<0.05鉴定差异基因(DEGs)；5) qRT-PCR验证29个关键基因表达趋势。

代谢特征揭示品质形成规律

通过主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)发现，三个采收期代谢谱显著分离，其中D1-D2期224个代谢物上调(69.18%为有机酸衍生物)，D2-D3期249个代谢物上调(77.27%为脂质)。K均值聚类显示γ-谷氨酰脯氨酸等物质呈"下降-上升"趋势，而D-山梨醇等15种代谢物呈现"上升-下降"动态。特别值得注意的是，氨基酸、肽类及类似物占比达39.15-50.68%，其中顺式-4-羟基-L-脯氨酸(CHP)和色氨酸在D1期显著富集，精氨酸和谷氨酸在D2期达到峰值，而L-组氨酸和异亮氨酸在D3期占优。这些发现从代谢层面解释了早期虫草适合保健、晚期适宜药用的品质分化现象。

转录调控网络解析

转录组分析鉴定出2550个DEGs，其中酪氨酸代谢通路(map00350)的11个基因呈现显著差异。通过构建相关网络发现：醛脱氢酶ALDH(G6O67_002860)和甲状腺过氧化物酶TPO(G6O67_006144)的下调与白多巴醌减少正相关；而芳香族L-氨基酸脱羧酶DDC(G6O67_000335)和酪氨酸酶TYR(G6O67_005660)的上调则促进4-羟基苯乙酸合成。这种"双通道调控"模式首次从基因层面阐明了冬虫夏草发育过程中黑色素沉积与活性成分积累的平衡机制。

跨组学整合发现

通过代谢-转录联合分析，研究揭示了酪氨酸代谢与苯丙素生物合成、丙酮酸代谢等多条通路的交叉对话。其中4-羟基苯乙酸既可作为酪氨酸代谢终产物，又能进入苯丙烷生物合成途径；而多巴胺既可参与异喹啉生物碱合成，又能通过延胡索酸进入三羧酸循环。这种代谢流重分配现象为解释冬虫夏草"发育阶段依赖性"药效差异提供了新视角。

该研究不仅建立了冬虫夏草品质形成的"代谢-基因"关联模型，更鉴定出DDC、TYR等4个可作为品质标记物的关键基因。这些发现对实现冬虫夏草精准采收、品质评价及功能产品开发具有重要指导意义。特别是证实早期采收虫草富含的脯氨酸和色氨酸具有抗氧化潜力，而晚期采收的高组氨酸含量提示其作为优质蛋白源的潜力，为不同采收期产品的差异化利用提供了科学依据。未来研究可进一步验证这些标记基因在不同地理种群中的保守性，并开发快速检测试剂盒指导田间采收实践。