解析两种香菇（Lentinula edodes）菌株之间的香气差异：对挥发性化合物、脂肪酸及LOX途径基因表达的全面分析

《Food Bioscience》：Unraveling the aroma divergence in two Lentinula edodes strains: A comprehensive analysis of dynamic volatiles, fatty acids, and LOX pathway gene expression

本研究通过GC-IMS结合多元分析，系统比较了林褶菇808菌株与其突变株ww808在子实体发育过程中的挥发性有机物（VOCs）差异，发现C8化合物、醛类及醇类是主要香气组分，C18:1n9和C18:2为关键前体。LOX酶活性和基因表达水平在ww808中显著低于808，导致LOX途径下游产物生成受限，而ADH3/4基因在后期高表达促进醛类向高阈值醇/酮转化，最终形成差异香气。揭示了林褶菇香气形成的代谢前体、酶促反应及基因调控网络。

　　

余长霞|张梦珂|李传华|董秦|杨林|查磊|郭倩|赵燕

中国上海农业科学院食用菌研究所，国家食用菌工程技术研究中心，上海农业遗传与育种重点实验室，上海201403

摘要

为了研究Lentinula edodes菌株808及其突变体ww808之间的香气差异，本研究结合了气相色谱-离子迁移谱（GC–IMS）技术与多元分析方法，比较了这两种菌株在子实体发育过程中的挥发性有机化合物（VOC）谱型。同时进行了动态脂肪酸、脂氧合酶（LOX）途径酶以及基因表达的综合性分析。结果表明，八碳（C₈）化合物、醛类和醇类的差异是导致它们独特香气谱型的关键因素。C18:1n9和C18:2是重要的香气前体。尽管ww808中的C18:2含量较高，但其LOX基因表达和酶活性在生长过程中普遍低于菌株808，从而导致该菌株中香气前体通过LOX途径的转化效率较低。与此同时，ww808在子实体生长后期酒精脱氢酶（ADHs，尤其是ADH3和ADH4）的基因表达显著上调，这促进了醛类向具有更高气味阈值的醇类和酮类的有效转化。这种差异在成熟阶段的菌株808中表现为己醛-D和丁醛等醛类物质的丰富积累，而ww808则积累了更多如3-甲基-1-丁醇-D和2-甲基-3-庚酮等醇类/酮类化合物。醇类通常具有较高的气味阈值，这也是ww808香气强度较低的原因。本研究揭示了L. edodes在代谢物、前体分子和基因水平上的香气形成调控网络，为定向改善香气质量提供了理论基础和潜在候选基因。

引言

Lentinula edodes（香菇）是全球最重要的商业栽培食用菌之一，也是中国栽培最多的食用菌品种，占全球产量的80%以上（Singh等人，2020年；Wang等人，2024年）。L. edodes在生长过程中会产生独特的香气，这种香气符合消费者对食品香气和口味的偏好，从而带来愉悦的感官体验，并影响消费者对新鲜香菇的喜好。香气是评估L. edodes感官质量和商业价值的重要指标，主要取决于其所含的挥发性有机化合物（VOC）。这些芳香化合物不仅赋予产品独特的风味，还能增加食欲并促进营养吸收（Sun等人，2021年）。L. edodes的香气谱型受多种因素影响，包括品种、菌丝年龄和栽培基质（Cho等人，2003年；Li等人，2019a；Li等人，2021年；Zhou等人，2020年）。然而，关于L. edodes香气的研究主要集中在采后加工阶段，尤其是干燥产品的研究（Li等人，2022a；Wang等人，2021年），重点关注不同干燥技术对VOC组成的影响。此外，代谢途径研究长期集中在含硫化合物上（Li等人，2022b）。因此，对于新鲜L. edodes在自然生长过程中特征香气的动态形成机制，特别是关键贡献化合物的演变模式及其背后的生物合成网络，仍缺乏系统的理解。

近年来，现代分析技术如气相色谱-离子迁移谱（GC–IMS）能够快速、灵敏地检测食品中的VOC。GC–IMS技术已广泛应用于水果、蔬菜、水产品、烟草、茶叶等产品的VOC分析（Liu等人，2021年；Zhao等人，2022年），并成功应用于多种食用菌的香气研究，包括Tricholoma matsutake（Li等人，2019b）、L. edodes（Chen等人，2021年）和Lanmaoa asiatica（Yang等人，2022年）。这些进展为理解L. edodes香气的动态发展和质量控制提供了基础。从生化角度来看，脂氧合酶（LOX）途径在不饱和脂肪酸（UFAs）与关键香气化合物（如醛类和醇类）之间起着关键作用，在植物、动物和微生物中参与VOC的合成（Wang等人，2025年）。在该途径中，LOX催化UFAs转化为羟基过氧化物，后者再通过羟基过氧化物裂解酶（HPL）和酒精脱氢酶（ADH）等酶的作用转化为醛类和醇类（Combet等人，2006年）。研究表明，基因表达水平与VOC的积累密切相关（Duan等人，2025年；Hu等人，2025年）。例如，MdLOX1a基因的表达水平会影响苹果中的VOC积累（Zhang等人，2024年），而LOX基因的表达与辣椒中VOC的合成有关（Gong等人，2024年）。GC–IMS分析显示，808和ww808菌株生长过程中产生的VOC主要是醛类、C₈化合物和醇类。基于这些发现，我们推测LOX途径的活性及前体脂肪酸池的组成是决定L. edodes整体香气强度和谱型的关键因素。然而，LOX途径及其关键酶（如LOX和ADH）在L. edodes生长过程中如何协调调控VOC的形成，尤其是不同菌株间香气显著差异的分子机制，尚未得到系统阐明。

L. edodes菌株808是中国广泛栽培的品种之一，因其浓郁的香气而受到青睐。其突变体ww808的香气质量明显低于808，几乎失去了典型的香菇香气（Yu等人，2017年）。这两种菌株被选为本研究的实验材料。两者之间稳定的、明显的挥发性香气差异为动态研究L. edodes整个生长过程中的香气形成分子机制提供了理想的比较体系。以往的研究大多集中在单一点或采后处理阶段，缺乏对完整生长周期内芳香型菌株与低香气型菌株的系统性比较。此外，越来越多的人选择食用新鲜L. edodes而非传统的干燥产品。因此，本研究旨在阐明新鲜L. edodes子实体发育过程中的香气形成机制，重点关注关键香气化合物的动态模式、菌株间香气差异的调控网络以及LOX途径中关键基因与酶活性之间的协同机制。

在本研究中，我们整合了基于GC–IMS的VOC指纹图谱分析、脂肪酸组成分析、LOX途径中的关键酶活性以及相关基因表达水平，旨在全面阐明L. edodes特征香气的生物合成基础和调控节点。这些发现不仅有助于深入理解食用菌的香气发育机制，还为通过分子育种和栽培调控定向改善L. edodes的香气质量提供了理论基础和优先候选基因。值得注意的是，由于关于HPL的催化底物和形式的争议尚未解决（Bate等人，1998年），因此本研究未对其活性进行探讨。

材料与处理方法

808和ww808菌株保存于上海农业科学院食用菌研究所。808菌株是中国主要栽培的品种之一，而ww808（无香菇香气）是从808衍生出的突变菌株。

栽培混合物包含84%的锯末、15%的小麦麸皮和1%的石膏粉，水分含量为60%。接种后，菌丝在25°C下培养120天。当棕色菌丝膜形成后，开始进一步培养

利用GC–IMS对两种L. edodes菌株的香气进行动态分析

GC–IMS谱图主要为蓝色。为了突出各样本间VOC的差异，以A-808的谱图作为参考，从其他样本的谱图中减去A-808的信号峰。如图2a所示，大多数信号峰的漂移时间介于1.0至1.5毫秒之间。808和ww808菌株子实体中的VOC在不同生长阶段存在显著差异。

使用Gallery Plot插件生成香气图谱

讨论

香气是L. edodes的重要感官特性，可用于评估其质量并显著影响消费者偏好。本研究对两种L. edodes菌株808及其突变体ww808的生长过程中的挥发性香气化合物进行了全面比较分析。通过整合VOC谱型分析、脂肪酸分析以及LOX途径酶活性和基因表达数据，我们确定了关键代谢物及其形成原因

结论

本研究阐明了L. edodes 808与其突变体ww808在生长过程中香气形成差异的机制。通过结合GC–IMS与多元分析，鉴定出了29种挥发性香气生物标志物。C₈化合物、醛类和醇类的不同积累模式可能是两种菌株独特香气谱型的物质基础。C18:1n9和C18:2被确定为重要的香气前体。尽管ww808中的C18:2含量较高

CRediT作者贡献声明

董秦：数据可视化、调查、正式分析。杨林：数据验证、数据管理。查磊：软件开发、调查。郭倩：方法论设计、概念构思。余长霞：初稿撰写、资源获取、方法论设计、调查、正式分析、概念构思。张梦珂：初稿撰写、数据可视化、软件开发、调查、数据管理、概念构思。李传华：数据验证、资源获取、方法论设计。赵燕：审稿与编辑、监督

未引用参考文献

Shahidi和Hossain，2022年；Wasowicz，1974年；Wu和Wang，2000年。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2024YFD1200204）的财政支持。