离季工业化栽培条件下极细羊肚菌（Morchella eximia）从菌丝生长到子实体形成的环境关联发育重编程

《Journal of Fungi》：Environmentally Associated Developmental Reprogramming from Mycelial Growth to Fruiting Body Formation in Morchella eximia Under Off-Season Industrial Cultivation

　　

羊肚菌（Morchella spp.）为高度珍贵的食用真菌，但其栽培仍主要依赖季节性田间条件。研究人员通过建立精准环境调控的离季工业化栽培系统，包括基质与环境温度、湿度及灌溉管理，以极细羊肚菌（M. eximia）G10为材料开展研究。基于该可控栽培平台，整合转录组学与代谢组学分析以探究从营养生长到子实体成熟的发育重编程。代谢组学分析仅于生殖阶段进行，转录组学则覆盖营养与生殖阶段。低温刺激与细胞壁重塑、碳水化合物代谢及胁迫响应相关基因表达显著上调相伴，而氧化还原酶与水解释功能注释基因下调。原基阶段为最动态的发育转换点，伴随转录调控、细胞骨架组织与信号转导通路变化。随后菌盖与菌柄组织呈现不同发育轨迹，表明子实体成熟过程存在组织特异性调控程序。菌盖中早期氨基酸与氮相关代谢与转录变化协调，后转向碳与脂质代谢；菌柄早期氨基酰-tRNA生物合成与翻译能力增强，后期调整碳、硫及脂质代谢。结果提供了受控离季栽培下冷处理关联的营养生长至生殖发育转换中发育重编程的组织分辨多组学视图，将环境线索与阶段及组织特异性转录和代谢程序相联系，为优化环境调控与提升羊肚菌工业化生产稳定性提供分子基础。

研究背景与立项依据

羊肚菌（Morchella spp.）因独特风味与活性成分成为高价值食用菌，但目前商业化栽培依赖季节性简易大棚，产量受温度等环境因子制约。已有少量关于羊肚菌转录组与蛋白组的研究多在田间或野生群体开展，采样阶段有限，菌丝多取自平板而非栽培基质，且子实体常整体混合检测，掩盖了菌盖（pileus）与菌柄（stipe）的组织特异性程序。低温刺激在糙皮侧耳（Pleurotus tuoliensis）与金针菇（Flammulina velutipes）等食用菌中被证明可触发钙信号、MAPK、细胞壁膜过程及碳水蛋白质代谢重编程，但在羊肚菌可控工业化体系中是否保守未知。为此，研究人员在杭州建立极细羊肚菌（M. eximia）G10离季工业化栽培系统，于夏季—秋季（2025年9—11月）实现稳定出菇，并以此为平台开展跨阶段、组织分辨的多组学分析。论文发表于《Journal of Fungi》。

主要技术方法概括

研究以栽培基质（泥炭土:珍珠岩:园土=1:1:1）上生长的M. eximia G10为材料，按发育轨迹取冷处理前菌丝（M1，50 DAS）、冷处理后菌丝（M2，54 DAS）、原基（F1）、菌盖菌柄初分化子实体（F2）、幼小子实体（F3）、成熟子实体（F4，均63 DAS同步取样）共六阶段；F2–F4另分离菌盖与菌柄。转录组以HISAT2比对Morexi1 v1.0参考基因组，DESeq2筛差异基因（|log₂FC|≥1，padj≤0.05），ClusterGVis做k-means趋势聚类；代谢组仅做F1–F4菌盖/菌柄非靶向UHPLC–MS/MS，XCMS定量、NovoMetDB按MSI Level 1–3注释，KNN补缺失、QC校正；转录-代谢聚簇间用Pearson相关（Z-score归一）描述阶段模式协同；RT-qPCR以CYC3为内参验证。RNA-seq数据存于GEO GSE333452。

研究结果

3.1 离季工业化栽培环境动态

栽培分菌丝期（12–15℃、RH 80–95%、CO₂ 500–1000 ppm暗培养）、低温刺激期（约6℃维持2–5天，实测空气最低3.24℃、基质6.76℃）、出菇期（13–15℃、RH 85–95%、800–1500 Lux）。70 m²批次均产1.79 kg/m²，基质温度缓冲优于空气温度，重灌后基质含水短时升至17.7%后回14%，证明精准控温湿可支撑离季出菇。

3.2 发育阶段动态转录组

3.2.1 阶段采样与全局动态

PCA显示菌丝、原基、菌盖、菌柄各自成簇，原基转录态更接近菌柄，暗示菌柄分化可能早于菌盖。M2→F1差异基因数最多，为全周期最剧烈转换；菌盖后期以上调为主、菌柄以下调为主，反映菌盖持续形态建成、菌柄转录渐静息。

3.2.2 冷处理与原基起始转录变化

M1 vs M2得990 DEGs（405上/585下），上调富集细胞壁、碳水代谢、胁迫响应，下调富集氧化还原酶与水解酶（含葡聚糖降解）。k-means分6簇：cluster 2（n=3131）原基期爆发性诱导，富转录调控、信号、细胞骨架；cluster 4（n=1721）菌丝高表达、原基下调，富蛋白合成、RNA代谢、能量代谢，提示营养维持程序关闭。

3.2.3 菌盖与菌柄特异转录程序

菌盖F1–F4聚为6簇：早期簇（1、2）富转录因子与DNA结合，后期簇（3、4）富蛋白合成与氧化代谢，cluster 5在F2瞬态高表达（细胞周期/骨架），cluster 6分化后持续升（转录/RNA功能）。菌柄呈不同模式：cluster 1（septin复合体相关）全程升，cluster 6在F2–F3高（微管组织中心），cluster 5双峰（早/晚均高，富转录调控）；总体菌柄早期骨架与能量程序激活、后期蛋白合成衰减，菌盖则成熟中代谢与翻译程序渐进激活。

3.3 菌盖菌柄组织特异性代谢程序

非靶向代谢检出3456特征（Level 1:401、Level 2:1376、Level 3:1779），PCA按阶段与组织分离。菌盖代谢分3簇：cluster 1原基峰值，富氨基酸与氮代谢，与转录cluster 1/2强正相关（r=0.94/0.92），协同氨基酸、能量、硫代谢；cluster 2青/熟期高（中心碳代谢）；cluster 3早分化期峰值（脂质/甾醇）。菌柄cluster 1于F2峰值后降，与转录cluster 3正相关（r=0.86），富氨基酰-tRNA生物合成（多氨酰-tRNA合成酶与对应氨基酸并行积累）；cluster 2原基高（脂肪酸）；cluster 3后期升（中心碳、硫代谢、甘油磷脂重塑）。两组织早期共有氨基酸代谢特征，后期菌盖走碳/脂、菌柄走碳/硫/磷脂重塑。

讨论部分总结

低温刺激通过细胞壁/膜重塑、碳水代谢、MAPK（gene_77约2倍上调）及氧化还原酶/水解酶下调触发营养—生殖转换，原基期为最剧转录检查点；菌盖菌柄PCA分离度大于阶段，证实组织分辨必要性。菌盖早期氮/氨基酸、后期碳/脂的模式与红菇（Stropharia rugosoannulata）菌盖富氨基酸、香菇（Lentinula edodes）HSP70后期表达等跨物种现象部分趋同；菌柄早期氨基酰-tRNA与骨架组织匹配金针菇菌柄伸长报道。作者指出局限：单菌株G10、单体系、F1–F4同日期形态取样非严格时序、代谢仅生殖期、相关非因果、缺功能验证。未来需基因编辑/RNAi、蛋白组整合、系统环境扰动实验。

结论部分翻译

本研究建立极细羊肚菌可控离季工业化栽培系统，刻画自营养菌丝至成熟子实体发育重编程。冷处理后转录广泛重编程，尤涉细胞壁功能、碳水化合物代谢、胁迫响应及氧化还原酶/水解酶相关活动。子实体发育中菌盖菌柄呈特异且协同的转录与代谢程序：两组织早期均现氨基酸相关代谢变化；菌盖原基—菌盖轨早期协调氨基酸与氮代谢转录与代谢、后增碳脂代谢，菌柄原基—菌柄轨早期显氨基酰-tRNA生物合成与对应氨基酸积累、成熟中调整碳硫脂代谢。成果为受控离季栽培下M. eximia环境调控与组织特异性发育提供分子框架，并为后续功能验证与栽培优化奠基。