《Genes》：Integrated Transcriptomic and Metabolomic Analyses Reveal Selenium Dose-Dependent Regulatory and Metabolic Responses in Agaricus bisporus
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背景/目的： 硒（Selenium, Se）生物强化对食用菌具有重要研究价值，但过量的硒可能损害真菌生长和代谢稳态。方法： 研究人员将双孢蘑菇（Agaricus bisporus）菌丝体暴露于名义浓度为0–20 μg/mL的亚硒酸钠（Na2SeO3）中，并将表
背景/目的： 硒（Selenium, Se）生物强化对食用菌具有重要研究价值，但过量的硒可能损害真菌生长和代谢稳态。方法： 研究人员将双孢蘑菇（Agaricus bisporus）菌丝体暴露于名义浓度为0–20 μg/mL的亚硒酸钠（Na2SeO3）中，并将表型评估与0、5、10和15 μg/mL组的转录组学和广泛靶向代谢组学分析相结合。结果： 在5 μg/mL浓度下，最终菌落直径和干生物量均高于对照组（CK）（Tukey校正后p = 0.0313和0.0189），而15–20 μg/mL则使两项指标均降低。转录组结果和探索性代谢组学关联分析提示，淀粉和蔗糖代谢以及谷胱甘肽相关氧化还原过程发生浓度依赖性变化。磷酸葡萄糖变位酶（PGM；gene1915）的表达及相关糖类谱与碳代谢改变一致；CUF1（gene816）和RLM1（gene5124）与PGM相关，被认为是候选调控因子。硒暴露引发了谷胱甘肽S-转移酶的亚型特异性响应，并诱导了谷胱甘肽过氧化物酶基因（GPX；gene6123）的表达。结论： 低剂量亚硒酸钠（5 μg/mL）促进了双孢蘑菇菌丝体生长，而较高浓度则抑制生长，并与碳水化合物和谷胱甘肽相关代谢的变化相关联。
论文解读
一、研究背景与目的
硒是人和动物必需的微量元素，参与抗氧化防御、氧化还原稳态、甲状腺激素代谢和免疫功能等多种生理过程，其功能主要通过硒蛋白（包括谷胱甘肽过氧化物酶和硫氧还蛋白还原酶）介导。由于硒的营养适宜量与毒性剂量之间范围狭窄，其效应取决于化学形态、剂量、生物利用度和代谢转化方式。食用菌因其菌丝体和子实体能够吸收无机硒并将其部分转化为有机硒化合物，被视为有前景的硒生物强化载体。双孢蘑菇（Agaricus bisporus）是全球栽培最广泛的食用菌之一，其子实体富含蛋白质、必需氨基酸、膳食纤维、维生素、矿物质、多糖、酚类化合物、黄酮类及其他生物活性成分，具有重要的经济价值。然而，双孢蘑菇对硒补充的生理和分子响应，尤其是硒耐受性和硒诱导代谢变化的调控机制，尚不完全清楚。过量硒可抑制真菌生长，且元素积累因菌种、基质和培养条件而异。因此，明确双孢蘑菇菌丝体对硒的剂量依赖性响应，可为未来的硒生物强化研究提供依据。
二、研究内容与主要结论
研究人员将双孢蘑菇菌株W192菌丝体暴露于名义浓度为0、5、10、15和20 μg/mL的亚硒酸钠中，整合体外表型评估、转录组学和广泛靶向代谢组学分析，系统表征了菌丝体对递增硒浓度的响应。研究旨在鉴定与碳代谢、氧化还原稳态和硒适应相关的差异表达基因（DEGs）、差异积累代谢物（DAMs）以及候选转录因子–靶基因模块。结果表明，5 μg/mL亚硒酸钠促进了菌丝体生长（菌落直径和干生物量均显著高于对照），而15–20 μg/mL则显著抑制生长。转录组和代谢组分析提示淀粉和蔗糖代谢以及谷胱甘肽相关氧化还原过程发生浓度依赖性变化。该研究为理解硒对食用菌的双相剂量效应提供了分子层面的证据，对硒生物强化策略的优化具有参考价值。
三、主要技术方法
研究人员使用的主要技术方法包括：体外表型评估（琼脂平板菌落直径测量和液体培养干生物量测定）；RNA提取、链特异性文库构建及Illumina NovaSeq 6000平台150 bp双端测序，用于转录组分析；超高效液相色谱–电喷雾电离–串联质谱（UPLC–ESI–MS/MS）结合多反应监测（MRM）进行广泛靶向代谢组学分析，代谢组学分析由北京百迈客生物科技有限公司完成；生物信息学分析包括fastp质控、HISAT2比对至双孢蘑菇H97参考基因组、StringTie组装、featureCounts定量、DESeq2差异表达分析、KEGG通路富集分析及Pearson相关网络分析。每个组学处理组设三个生物学重复，来源于独立接种的培养皿。
四、研究结果
4.1 硒处理下双孢蘑菇的生长与形态
硒补充影响了菌落形态和最终菌落直径。与对照相比，5 μg/mL处理产生更大、更致密的菌落和更多气生菌丝；10 μg/mL菌落小于Se5但与对照无显著差异；15和20 μg/mL菌落更小更紧凑，气生菌丝减少，20 μg/mL抑制最为严重。Se5最终菌落直径为68.26 ± 3.48 mm，显著高于对照的61.99 ± 2.77 mm（Tukey校正后p = 0.0313）。Se5干生物量为5.05 ± 0.39 mg mL?1，较对照的4.25 ± 0.30 mg mL?1增加18.8%（p = 0.0189）。Se20生物量最低。
4.2 转录组和代谢组数据质量评估
12个生物学样本的配对相关分析显示数据质量良好。代谢组学QC样本配对Pearson系数为0.967–0.982，2185个特征中81.37%的QC相对标准偏差≤30%。补充的RNA-seq PCA分析中PC1解释78.74%方差，PC2解释11.43%。
4.3 差异表达基因和差异积累代谢物分析
采用名义p < 0.05和VIP > 1的探索性标准，36个代谢物特征出现在所有六组比较中；经Benjamini–Hochberg（BH）校正后（每组比较对2185个特征进行校正，q < 0.05），仅一个特征出现在所有六组FDR支持的列表中（NEG_t31，注释为Northienamycin，供应商3级注释），其化学身份和生物学意义不确定。转录组方面，相对于CK，Se5、Se10和Se15分别检测到1491、2930和4657个DEGs；CK_vs_Se15包含4657个DEGs（2269个上调，2388个下调）。38个DEGs在所有六组比较中共享。
4.4 硒响应DEGs的基因本体分类
GO分类将六组比较的DEGs归入生物学过程、细胞组分和分子功能三个域。生物学过程中，细胞过程和代谢过程包含最多上调和下调基因；细胞组分注释主要归于细胞解剖实体、细胞器和含蛋白复合物；催化活性和结合在分子功能中占主导。各比较间的类别分布大致相似，但DEGs数量和方向因处理对比而异。
4.5 DEGs和DAMs的KEGG通路富集分析
转录组富集分析显示，核糖体生物发生、DNA复制与修复、细胞周期、核苷酸代谢、氨基酸代谢、碳水化合物代谢、脂质代谢和能量代谢等通路在DEGs中有所体现；较高剂量比较还涉及氧化磷酸化、柠檬酸循环、过氧化物酶体、脂肪酸降解和谷胱甘肽代谢。探索性代谢组通路图提示淀粉和蔗糖、谷胱甘肽、硫、半胱氨酸和甲硫氨酸、精氨酸和脯氨酸以及丙酮酸代谢的可能参与，但这些结果为探索性可视化，未经FDR支持的特征列表重新计算。
4.6 硒响应下淀粉和蔗糖代谢及谷胱甘肽代谢的重塑
淀粉和蔗糖代谢相关基因呈现处理特异性表达模式。编码α-淀粉酶（AMY；gene9259）和葡糖淀粉酶（GLA/GAM；gene4473）的转录本在硒处理菌丝体中较CK更丰富。编码寡糖-1,6-葡萄糖苷酶（OGL；gene9268）、内切葡聚糖酶（EGL；gene7386）和磷酸葡萄糖变位酶（PGM；gene1915）的基因表达从CK到Se15逐步增加。相反，编码1,3-β-葡聚糖合酶（BGS/FKS；gene8211）和海藻糖-6-磷酸合酶（TPS；gene7164）的基因在所有硒处理中均低于CK，尽管其模式非单调。编码环麦芽糊精酶（CDase；gene5632）的基因表达逐步下降，而编码海藻糖酶（TRE/TREH；gene6107）的基因在Se5中下降但在Se10和Se15中上升。
谷胱甘肽代谢相关基因也呈现处理特异性响应。编码谷胱甘肽过氧化物酶（GPX；gene6123）的基因在所有硒处理中均高于CK，在Se10和Se15中达到最高转录丰度。谷胱甘肽S-转移酶（GST）家族成员响应不均匀：gene7485、gene8067、gene8068和gene9757被诱导，而gene7271在所有硒处理中均被抑制。gene3643和gene6006呈非单调模式，在Se10中最高、Se15中最低。γ-谷氨酰循环相关基因包括GGT（gene1610）和OPLAH（gene1155）也呈现不同响应。NADPH产生相关基因中，G6PD（gene3953）在所有硒处理中均被诱导，PGD（gene786）在Se5和Se10中升高但在Se15中略降，IDH（gene8130）在Se5中最高、Se15中显著降低。
4.7 整合转录组–代谢组相关性分析
整合相关性分析识别了与碳水化合物代谢相关的协调基因–代谢物模块。蔗糖与PGM正相关。碳水化合物降解相关基因形成第二个模块，包括OGL–EGL、GLA–PGM、OGL–PGM和EGL–PGM。PGM与葡萄糖-6-磷酸和蔗糖正相关，与果糖负相关。转录因子中，CUF1（gene816）、RLM1（gene5124）和含同源异型结构域的转录因子候选基因gene238与PGM强正相关（r = 0.9708、0.9385和0.9293）。
谷胱甘肽代谢相关探索性网络显示，UGA3L1（gene4439）和Zn2Cys6TF1（gene3246）与还原型谷胱甘肽（GSH）丰度及GST2（gene3642）存在显著的基于网络的关联，提示这些转录因子、GST2表达和谷胱甘肽代谢之间存在协调关联。
五、讨论与结论
讨论部分总结： 硒补充与双孢蘑菇菌落形态、最终菌落直径和干生物量的剂量依赖性差异相关。低浓度（5 μg/mL）促进生长，高浓度（15–20 μg/mL）抑制生长，与灵芝、刺芹侧耳和榆黄蘑等硒生物强化真菌中报道的剂量依赖性效应一致。转录组富集模式和探索性代谢组通路图提示浓度相关的代谢重编程：低中浓度下核糖体生物发生、DNA复制与修复、核苷酸代谢和淀粉蔗糖代谢突出，与生物合成和生长调整一致；较高浓度下氧化磷酸化、柠檬酸循环、过氧化物酶体过程、脂肪酸降解和谷胱甘肽代谢相关，与生物能量和氧化还原应激增加一致。PGM位于多糖周转与消耗葡萄糖-6-磷酸的通路（糖酵解和磷酸戊糖途径）之间的界面，其表达与糖类谱的变化提示硒影响碳代谢重编程。硒暴露还影响谷胱甘肽相关氧化还原过程的转录本，GST家族成员的亚型特异性诱导或抑制以及GPX转录本增加，与硒暴露影响GST和其他谷胱甘肽代谢基因的植物转录组证据一致。需要指出的是，网络结果属于相关性分析，不能确立直接的转录调控关系。
结论部分翻译： 在所测试的条件下，亚硒酸钠对双孢蘑菇菌丝体生长产生浓度依赖性效应。在名义浓度为5 μg/mL时，菌落直径和干生物量相对于对照增加，而15–20 μg/mL则抑制这两项指标。整合转录组和代谢组分析表明碳水化合物代谢和谷胱甘肽相关氧化还原过程发生变化。PGM表达和糖类谱与碳代谢改变相关，而CUF1、RLM1和含同源异型结构域的候选基因gene238与PGM相关。探索性网络还将UGA3L1和Zn2Cys6TF1与还原型谷胱甘肽及GST2相关联；硒暴露还诱导了GPX表达。这些发现表明，硒相关的生长响应伴随着碳和氧化还原代谢的变化。由于网络结果为相关性分析，需要靶向实验来验证所提出的调控关系并评估其与硒生物强化的相关性。
