整合转录组与代谢组学揭示野生与栽培蝉花在发育阶段及代谢特征上的差异

《Food Production, Processing and Nutrition》：Integrated transcriptomic and metabolomic analyses reveal developmental and metabolic differences between wild and cultivated Cordyceps chanhua

蝉花（Cordyceps chanhua）是一类兼具食药价值的虫生真菌（entomopathogenic fungus），然而其在不同发育阶段下野生与栽培材料间的分子差异仍知之甚少。研究人员采用转录组测序（transcriptome sequencing）、非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）、靶向核苷定量（targeted nucleoside quantification）及转录组—代谢组整合分析（integrated transcriptome–metabolome analysis），比较了栽培子实体与菌丝（AF、AM）以及野生子实体与宿主关联菌丝组织（WF、WM）。在AF对AM比较中鉴定到1000个差异表达基因（DEGs）与370个差异积累代谢物（DAMs）；在WF对WM比较中检测到1080个DEGs与602个DAMs，表明存在广泛的阶段关联转录与代谢重塑。栽培样本中DAMs主要关联氨基酸代谢、膜脂重塑、嘌呤代谢与次生代谢；野生样本DAMs更贴近谷胱甘肽代谢、中心碳代谢与氧化还原调控。整合分析显示栽培样本具有更紧凑的基因—代谢物关联网络，野生样本则呈更离散的关联模式，提示自然条件下更强的来源异质性。靶向定量表明N6-(2-hydroxyethyl)adenosine（HEA）在栽培与野生菌丝中均显著富集，而腺苷（adenosine）在栽培子实体中积累最突出，体现出明显的阶段与来源关联活性核苷积累模式。该研究为野生与栽培蝉花发育及代谢差异提供了多组学证据，并识别出可供后续可控栽培与功能验证的候选通路、代谢物与转录本。

研究背景与立项依据

蝉花（Cordyceps chanhua）为虫生真菌，具食药同源价值，其活性成分涵盖核苷、多糖、甾醇、氨基酸及次生代谢物，涉及免疫调节、抗炎、抗肿瘤及脂质代谢调控等潜能。2021年其子实体被中国国家卫生健康委员会批准为“新食品原料”，产业需求迅速上升。目前材料来源分为野生采集与人工栽培两类：野生材料在复杂自然生境中受宿主昆虫、微生境、营养与胁迫共同塑造，代谢异质性强；栽培材料可稳定供应，但基质、环境与发育条件差异可能导致活性成分积累偏移。已有研究多聚焦近缘虫草，直接针对蝉花在“菌丝—子实体”发育进程中野生与栽培并行的多组学比较仍然不足，阶段转换与来源效应如何共同塑造转录—代谢表型尚未厘清。为此，研究人员以发育阶段与样本来源为双主线，开展整合转录组与代谢组研究，旨在识别阶段依赖与来源依赖的分子差异，为品质评价与可控栽培提供假设与候选靶点。

主要技术方法

研究以栽培蝉花“云蝉1号”为材料，设栽培子实体（AF）与栽培菌丝（AM）；野生材料采自江苏宜兴竹林地，设野生子实体（WF）与宿主关联菌核/菌丝组织（WM），每两组各3个生物学重复。技术链路包括：基于LC–MS的非靶向代谢组学（液相色谱—质谱）、转录组de novo组装与差异表达分析、KEGG功能富集、蛋白—蛋白互作（PPI）网络预测，以及靶向HPLC定量N⁶-(2-hydroxyethyl)adenosine（HEA）与腺苷。整合层采用Pearson相关构建基因—代谢物关联网络。方法上忽略试剂配方与培养操作细节，核心在于“发育阶段×来源”配对队列与多组学耦合。

研究结果

代谢组质控与多元统计分析：QC样本TIC一致性强，PCA中PC1、PC2分别解释39.3%、19.5%方差，QC紧密聚类；野生子实体与菌丝代谢相似度更低，说明野生阶段分化更明显。代谢物以羧酸及衍生物、脂肪酸、异戊二烯脂质为主。

差异代谢物筛选：AF vs AM获370个DAMs（196上/174下）；WF vs WM获602个DAMs（327上/275下）。同源阶段比较中AM vs WM差异最剧烈（1074个），提示菌丝阶段来源变异更突出。栽培组内共享代谢模式更多，野生组特异代谢物更丰富。

差异代谢物与通路富集：AF vs AM中，子实体上调lactaroviolin、lacinilene C、cGMP等，下调norleucine、腺琥珀酸等；富集到氨基酸代谢、环核苷酸相关保守信号模块（文中将动物源KEGG名映射为真菌保守信号，如cAMP/cGMP、Ca²⁺、MAPK）。WF vs WM中，子实体上调天冬氨酰苯丙氨酸、5-氨基戊酸、氧化型谷胱甘肽、FMN等；富集于谷胱甘肽代谢、氧化磷酸化、中心碳代谢、氨基酸代谢，反映能量供给与 redox 平衡协同重编程。

靶向核苷定量：HEA在菌丝中显著高于子实体，栽培AM为0.83±0.08%对AF 0.51±0.08%（P<0.01），野生WM为0.76±0.05%对WF 0.49±0.08%（P<0.01）；腺苷在栽培子实体显著累积（AF 1.47±0.15%对AM 0.84±0.12%，P<0.01），野生中亦有但幅度较小。结论：HEA偏菌丝期，腺苷偏子实体期，且栽培子实体腺苷积累最强。

差异基因与功能网络：AF vs AM鉴定1000 DEGs（397上/603下），下调富集核糖体发生、RNA聚合酶、半胱氨酸甲硫氨酸代谢，上调富集减数分裂/细胞周期酵母模块、淀粉蔗糖代谢与芳香族次生代谢。WF vs WM鉴定1080 DEGs（495上/585下），基础代谢、脂肪酸降解、cAMP/MAPK信号以下调为主。PPI中，AF侧高连接候选节点TRINITY_DN131_c0_g1（pheromone-processing carboxypeptidase/KexA类）下调；WF侧TRINITY_DN80_c0_g1（alpha-glucosidase II/glucan 1,3-alpha-glucosidase类）下调，均作候选功能节点而非已验证调控因子。

转录组—代谢组整合：AF vs AM有48个共同差异因子，网络紧凑，谷氨酸、cGMP、腺琥珀酸、溶血磷脂居中心位；WF vs WM仅36个共同因子，相关弱且负向边居多，氧化型谷胱甘肽、脯氨酸、5′-甲硫腺苷、磷脂类居中。栽培样本基因—代谢物耦合更强，野生样本更离散。

讨论与结论翻译

讨论指出，栽培样本组内一致性强、阶段分离清晰，野生样本因生境与遗传背景异质而离散度更高，这与食用菌驯化选择的一般规律一致。子实体形成受光温水肥与宿主背景共同影响；栽培蝉花重“紧凑协同”，野生蝉花重“分散多通路”。在结论部分，研究人员写明：本研究为蝉花阶段与来源关联的发育及代谢差异提供了多组学证据，并识别候选通路、代谢物与转录本，作为未来可控栽培与功能验证的可检验假设。换言之，研究并不断言野生或栽培哪一方更优，而是把差异结构本身转化为可进一步实验的候选靶标——HEA菌丝富集、腺苷子实体富集、谷胱甘肽与中心碳代谢在野生发育中的突出角色，以及栽培条件下膜脂与信号模块的协同重排，均为后续定性栽培因子与功能验证留下了清晰入口。

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提炼候选基因与代谢物验证方案

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