《Scientia Horticulturae》：Molecular mechanisms through which carbon metabolism regulates amino acid biosynthesis during the growth and development of Agaricus bisporus
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双孢蘑菇（Agaricus bisporus）是全球栽培最广泛的食用菌之一。堆肥过程中的营养积累影响产量和品质。在本研究中，研究人员对双孢蘑菇‘Shen K6’品种生长发育阶段的转录组与生理生化指标进行了整合分析，分析了其木质纤维素降解效率、碳代谢基因表达模式
双孢蘑菇（Agaricus bisporus）是全球栽培最广泛的食用菌之一。堆肥过程中的营养积累影响产量和品质。在本研究中，研究人员对双孢蘑菇‘Shen K6’品种生长发育阶段的转录组与生理生化指标进行了整合分析，分析了其木质纤维素降解效率、碳代谢基因表达模式以及氨基酸生物合成途径的动态变化。结果表明，‘Shen K6’显著降解了半纤维素，降解效率达51%。GO和KEGG富集分析显示，差异表达基因（DEGs）主要涉及含氮化合物代谢过程、碳水化合物衍生物结合、淀粉和蔗糖代谢、糖酵解/糖异生、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及赖氨酸降解。对碳氮代谢关键酶编码基因的分析表明，Exo2、Endo2、Endo10、Xylo3、AXE1、VP1、GDH2和ASNS1的表达水平显著上调。在糖酵解和三羧酸（TCA）循环方面，AK、AS、KGDH和KGsyn的上调表达促进了天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）的生物合成，驱动了这两种风味相关氨基酸的显著积累，最终改善了双孢蘑菇的品质。因此，本研究阐明了‘Shen K6’生长发育过程中碳代谢调控氨基酸生物合成的主要途径和关键基因。这些发现为改善双孢蘑菇品质提供了重要的分子靶点，并为理解营养转运如何调控食用菌品质形成奠定了基础。
双孢蘑菇（Agaricus bisporus）是全球广泛栽培的食用菌，其堆肥过程中营养积累显著影响产量和品质。然而，底物降解后碳代谢如何调控氨基酸合成的机制尚不明确。针对这一科学问题，研究人员以自主研发的‘Shen K6’品种为研究对象，开展系统研究。该品种经系统选育，适用于工业化栽培的三阶段堆肥，已在上海、浙江等地推广。研究旨在阐明碳代谢通过糖酵解和三羧酸（TCA）循环调控氨基酸生物合成的分子途径，为提升双孢蘑菇品质提供分子靶点。论文发表在《Scientia Horticulturae》。
为揭示这一机制，研究人员采用了多项关键技术方法。首先，对来自上海联中合作社的六个生长发育阶段（三阶段堆肥PC、降温前BC、钉头期PS、第一潮FF、第二潮SF、第三潮TF）的堆肥样品进行生理生化分析，包括木质纤维素酶活性测定（内切β-1,4-葡聚糖酶、外切β-1,4-葡聚糖酶、木聚糖酶、漆酶、锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶）和底物组分分析（纤维素、半纤维素、木质素含量），并利用高效液相色谱（HPLC）测定子实体氨基酸含量。同时，进行转录组测序（RNA-seq），获得高质量clean reads，通过差异表达基因（DEGs）筛选、GO和KEGG富集分析，鉴定碳氮代谢关键基因，最后用qRT-PCR验证基因表达趋势。
研究结果分述如下：
**3.1 生理特性和底物利用**：通过监测六个生长阶段的生理指标和酶活性，发现随着菌丝从营养生长（PC、BC、PS）向生殖生长（FF、SF、TF）转变，堆肥颜色变化，蛋白质含量先升后降。纤维素酶和木质素酶活性呈现阶段性波动，半纤维素酶（木聚糖酶）活性在生殖期出现二次峰值。底物含量分析表明，半纤维素降解效率最高达51%，纤维素和木质素分别降解16%和12%。子实体富含多种氨基酸，包括鲜味氨基酸天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）以及必需氨基酸亮氨酸（Leu）等。
**3.2 转录组测序和DEG鉴定**：通过RNA-seq共获得6.218亿条clean reads，Q20>98%，Q30>94%，基因组比对率57.84%–89.20%。主成分分析显示同一阶段样品聚类，不同阶段差异显著。DEGs比较发现，BC vs PC组差异最大（3959个DEGs），FF vs PS组次之（3249个DEGs），其中上调基因数量在生殖阶段较多。
**3.3 DEG聚类和功能富集**：所有DEGs聚类为6个簇，其中簇3和簇6基因表达趋势在营养生长向生殖生长转变过程中逐渐上升，表明这些基因在调控子实体发育和营养积累中起关键作用。GO富集显示这些基因主要参与含氮化合物代谢过程、碳水化合物衍生物结合、水解酶活性等。KEGG富集包括淀粉和蔗糖代谢、糖酵解/糖异生等碳代谢通路，以及氮代谢和多种氨基酸代谢通路，表明碳氮代谢紧密协调。
**3.4 不同生长阶段碳氮代谢基因分析**：通过分析CAZyme基因表达，发现营养生长阶段BC vs PC中有51个重叠基因，其中17个在PC中上调，14个在BC中上调，20个在PS中上调；生殖生长阶段SF vs FF和TF vs SF有80个重叠CAZyme基因，53个在SF中表达最高。具体基因方面，木质素酶基因Lac7、VP1、Lac5上调，纤维素酶基因Endo10、Exo2等上调，半纤维素酶基因Xylo1、Xylo3、AXE1等上调。氮代谢基因GDH2、ASNS1、GS3、GOGAT1上调，而NiR1、GS1等下调，表明‘Shen K6’通过上调高效CAZyme积累碳骨架，为氮代谢提供支持。
**3.5 碳和氨基酸代谢途径整合分析**：通过KEGG分析构建代谢网络，发现糖酵解关键酶基因（HK、PFK、GAPDH、ENO等）在生殖生长阶段显著上调，TCA循环中KGDH上调，而CS下调，表明代谢流重新分配，优先流向氨基酸合成。氨基酸合成途径中，AGT、AK、AS、P5CS、Dhad、BCAT、OTC、ArgH等基因上调，促进丙氨酸、天冬氨酸、赖氨酸、脯氨酸、支链氨基酸和精氨酸的合成，而分解代谢相关基因下调。这解释了子实体中高浓度氨基酸的积累。
**3.6 qRT-PCR验证**：选取木质素、纤维素、氮代谢和氨基酸代谢相关关键基因（如Lac7、Endo10、Exo2、GDH2、ASNS1等）进行qRT-PCR，表达趋势与转录组数据一致，验证了转录组结果的可靠性。
**3.7 分子模型**：综合以上结果，提出分子模型：堆肥中木质纤维素被CAZymes水解为可同化的己糖和戊糖，进入糖酵解途径，生成丙酮酸。丙酮酸通过TCA循环或直接转化，提供碳骨架。在从营养生长向生殖生长转变时，转录重编程促进氨基酸合成相关基因上调（如AK、AS、KGDH等），驱动天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）等风味氨基酸大量合成，为子实体原基形成和成熟提供营养和结构基础。
讨论部分总结了研究意义：双孢蘑菇‘Shen K6’在生长发育过程中表现出高效的半纤维素降解能力，碳水化合物活性酶（CAZymes）的阶段性上调提供了碳骨架，糖酵解和TCA循环的协同作用促进了氨基酸合成。关键酶如KGDH、GDH2等的上调表明碳氮代谢协调是品质形成的基础。研究结果与其他食用菌（如香菇、大球盖菇）的研究一致，强调了中心碳代谢对氨基酸积累的重要性。结论部分翻译如下：通过整合六个发育阶段的转录组和生理生化数据，本研究系统揭示了‘Shen K6’在木质纤维素降解、碳代谢和氨基酸生物合成中的动态变化。结果表明，‘Shen K6’具有强半纤维素降解能力（51%），其DEGs显著富集于碳氮代谢通路，关键代谢酶编码基因如Exo2和GDH2显著上调。底物中木质纤维素被CAZymes水解为己糖和戊糖，经糖酵解转化为丙酮酸，并通过糖酵解和TCA循环的协同作用生成关键代谢中间体，从而上调氨基酸合成相关基因表达，最终驱动天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）等主要风味氨基酸的显著积累，提升子实体品质。本研究阐明了‘Shen K6’中碳代谢调控氨基酸合成的主要途径和核心基因，为双孢蘑菇的分子育种和品质改良提供了重要分子靶点。
