生物化学、转录组学和代谢组学分析表明，在模拟 map（ mimeograph）条件的气体环境中，Penicillium digitatum 显示出协调的抗氧化反应

《Food Microbiology》：Biochemical, transcriptomics, and metabolomics analyses reveal coordinated antioxidant responses in Penicillium digitatum under MAP-simulated gas conditions

　　

王正利|刘世豪|徐慧慧|吉娜娜|阿克勒姆·阿巴斯|郭彦音|郝珊珊

山东省工业大学农业工程与食品科学学院，淄博255049，中华人民共和国

摘要

抗氧化代谢在维持采后真菌病原体的氧化还原平衡和增强适应能力方面起着关键作用。然而，Penicillium digitatum在改良气氛包装（MAP）条件下的适应机制仍不清楚。为了研究这一点，我们对暴露于空气、控制气氛（CA）和MAP处理下的P. digitatum进行了综合生化、转录组和代谢组分析。第3天的转录组分析鉴定出75个与抗氧化途径相关的差异表达基因（DEGs），而代谢组分析则发现4种差异积累的代谢物。在CA和MAP处理下，脂肪酸β-氧化的增加与活性氧（ROS）的增加相关，特别是过氧化氢（H₂O₂）和超氧阴离子。此外，适应MAP的P. digitatum能够有效清除H₂O₂，生化检测显示过氧化氢酶（CAT）活性增加，超氧化物歧化酶活性也有适度提升。MAP处理还导致HOG-MAPK信号通路的转录重编程，并下调了转录因子Sko1，这与CAT的表达和活性相关。此外，MAP通过上调D-葡萄糖醛酸脱水酶和L-古洛酮酸脱氢酶促进了抗坏血酸的生物合成，并通过上调谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽过氧化物酶加强了谷胱甘肽循环。在MAP条件下，3-氨基-1,2,4-三唑对病原体中CAT的抑制作用抑制了真菌生长，表明其在适应性抗氧化防御中的重要作用。最后，qRT-PCR验证了八个关键DEGs，证实了转录组模式。总之，这些在MAP条件下的协同反应与ROS清除能力的增强和氧化损伤的减轻有关，为P. digitatum的适应性抗氧化机制提供了新的见解。

引言

全球范围内，水果和蔬菜的采后损失带来了重大的经济挑战。改良气氛包装（MAP）是一种广泛采用的采后技术，通过调节产品周围的气体组成（主要是降低O₂和增加二氧化碳（CO₂水平）来抑制呼吸作用、腐败和变质，从而延长水果和蔬菜的保质期（Pinto等人，2020；Qu等人，2022）。Penicillium digitatum是一种臭名昭著的真菌病原体，会导致柑橘类水果的采后病害，在储存和运输过程中造成严重的损耗（Bhatta，2021）。P. digitatum能够在这些改良条件下存活和繁殖，显示出其抵御储存环境中的氧化和环境压力的显著能力。病原体在这种压力条件下的存活的关键决定因素是对活性氧（ROS）的管理，抗氧化代谢在维持氧化还原平衡和增强适应能力方面起着核心作用（Bairagya等人，2024）。

ROS，如超氧阴离子（O₂）、过氧化氢（H₂O₂）和羟基自由基（·OH），在各种代谢过程中产生，包括脂肪酸的β-氧化（Del Rio & Lopez-Huertas，2016；Reczek & Chandel，2015；Yang等人，2013）。在低浓度下，ROS主要作为重要的信号分子，调节关键的细胞过程，包括细胞死亡、色素代谢、昼夜节律、耐寒性和免疫反应（Huang等人，2019；Reczek & Chandel，2015）。例如，外源性的H₂O₂可以通过激活抗氧化酶来增强马赛草的耐寒性（Wang等人，2010），而适量的H₂O₂可以延缓采后西兰花的衰老（Nomura等人，2017）。相反，过量的ROS会引发严重的氧化应力，导致大分子损伤，包括DNA损伤（Srinivas等人，2019）、由于蛋白质氧化引起的蛋白质功能障碍（Stadtman & Levine，2000）以及由于脂质过氧化导致的膜流动性和完整性的损害（Avery，2011）。为了维持氧化还原平衡，生物体拥有一种复杂的抗氧化系统，包括酶促和非酶促成分来清除多余的ROS。酶促抗氧化剂包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）。非酶促抗氧化剂包括谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸（AsA）和类胡萝卜素。SOD催化O₂转化为氧气和H₂O₂（Alscher等人，2002）。CAT随后将H₂O₂分解为H₂O和O₂（Schouten等人，2002）。GPX通过将GSH氧化为氧化型谷胱甘肽（GSSG）来催化H₂O₂和氢过氧化物的还原。谷胱甘肽还原酶（GR）则从GSSG再生GSH（Couto等人，2016）。AsA和GSH循环的协同生物合成形成了AsA-GSH循环，这是解毒各种ROS的关键抗氧化防御机制。

抗氧化防御的调节受到信号通路的严格控制，特别是高渗透压甘油（HOG）丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路（Bahn，2008；Ikner & Shiozaki，2005）。在氧化应激条件下，HOG通路通过上游传感器Sln1和Sho1被激活，从而引发MAPK级联反应（Hohmann，2002；Kaserer等人，2009）。这一级联反应最终调节转录因子Atf1，后者抑制过氧化氢酶的表达；因此，Atf1的丢失增强了抗氧化应力抵抗能力（Van Nguyen等人，2013；Van Thuat等人，2012）。

如前所述，尽管MAP有效减缓了许多鲜产品的呼吸作用和腐败，但某些病原体，如P. digitatum表现出显著的适应性。我们的初步研究表明，P. digitatum作为水果和蔬菜的主要采后病原体，在MAP气体条件下经历了显著的代谢变化，并表现出令人担忧的增殖能力（Wang等人，2025）。然而，该真菌的抗氧化能力作为其在宿主果实中生存和毒力的关键适应机制，仍有待充分阐明。

为解决这一知识空白，本研究采用了综合生化、转录组和代谢组方法来研究P. digitatum》克服MAP诱导的氧化应激的抗氧化机制。这一机理理解填补了采后病理学中的关键知识空白，并为抑制病原体在MAP气体条件下的适应提供了基础。

章节片段

样品准备和处理

样品准备：本研究中使用的P. digitatum是从受感染的柑橘果实中分离出来的。纯化和鉴定工作由美吉生物医学技术有限公司（上海，中国）完成。该菌株在25 ± 5 °C的 Potato Dextrose Agar（PDA）上培养了六天，然后用于实验。收集孢子并将其浓度标准化为1×10⁶孢子/mL^-1的无菌蒸馏水中。使用微量移液器将5 μL的孢子液滴加到216个PDA平板的中心进行接种

比较转录组学显示MAP特异性上调的抗氧化途径

对暴露于不同气体条件的P. digitatum进行转录组分析揭示了显著的转录重编程。为阐明MAP条件下的适应机制，我们重点比较了第3天的数据，特别是MAP d3和CA d3之间的差异。与Air d3相比，MAP d3组显示出更多的DEGs（2,064个），而CA d3组则显示出相对较低的响应（1,924个DEGs）。第3天鉴定出的DEGs的KEGG富集分析显示

讨论

MAP通过减缓呼吸作用和延缓腐败被广泛用于保存水果和蔬菜（Mahajan & Lee，2023）。我们之前的研究表明P. digitatum通过调节碳水化合物和能量代谢来适应MAP条件（Wang等人，2025）。这里我们发现，尽管CA和MAP都能增强脂肪酸的β-氧化，但只有CA条件下会积累H₂O₂，表明暴露于MAP的P. digitatum具有更强的H₂O₂清除能力。因此，这项研究

结论

总之，P. digitatum通过强大的抗氧化系统在MAP条件下表现出增强的适应能力，该系统维持了氧化还原平衡。虽然CA和MAP下的脂肪酸β-氧化增加了ROS的产生，但MAP处理与过氧化物酶（CAT、SOD、Prx5）和AsA-GSH循环的上调以及HOG-MAPK信号通路的转录重编程有关，这些机制共同有助于防止H₂O₂

CRediT作者贡献声明

阿克勒姆·阿巴斯：写作 – 审稿与编辑。郭彦音：写作 – 审稿与编辑、监督、资源提供。徐慧慧：数据验证、数据管理。吉娜娜：数据验证、数据管理。王正利：原始草稿编写、方法学设计、实验设计、数据分析、概念构思。刘世豪：数据可视化、数据分析。郝珊珊：写作 – 审稿与编辑、监督

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文的报告。

数据可用性

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利益冲突声明

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致谢

本工作得到了国家自然科学基金（-->32202137和-->62305197）、山东省自然科学基金（-->ZR2022MC091）以及山东省博士后创新计划（SDCX-ZG-202503075）的支持。