皱皮粗柄白蚁伞子实体和蚁巢的关联物质分析及氨基酸糖类促生作用初探

王成凤, 刘夏, 张曦予, 董杰, 张实润, 杨晓敏, 吕为, 刘佳艳, 李宗菊

菌物学报 ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (3) : 240256.

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菌物学报 ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (3) : 240256. DOI: 10.13346/j.mycosystema.240256 CSTR: 32115.14.j.mycosystema.240256
研究论文

皱皮粗柄白蚁伞子实体和蚁巢的关联物质分析及氨基酸糖类促生作用初探

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Analyses of substances associating Termitomyces robustus fruiting bodies with termite nests and preliminary studies on growth-promoting effect of amino acids and sugars

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摘要

白蚁伞为云南名贵野生菌,与白蚁互惠共生于白蚁巢中,其子实体的发育至今仍然是一个难解之谜。为了解白蚁伞子实体与蚁巢的物质流,本文应用液相质谱(LC-MS)技术,对皱皮粗柄白蚁伞Termitomyces robustus子实体及其生长基质蚁巢的代谢物谱进行了分析。子实体(JZ)和蚁巢(YC)中共检测到2 023个代谢物,其中JZ特有物质(JZS) 284个,YC特有物质(YCS) 317个,二者共有显著差异物质(GDS) 322个。以相对含量≥0.5的化合物为例,利用Cytoscape (v3.10.0)软件分别展示了43个JZS及YCS中39个物质、29个GDS中19个物质间的显著相关性。KEGG富集到18条共有通路中的40个JZS、YCS及GDS物质,通过氨基酸生物合成及代谢(ABM)、次级代谢产物的生物合成(BSM)及ABC转运3大类通路发生关联。18条通路中,12条与ABM相关,2条与ABC转运中糖代谢相关。选取参与ABM通路的9种氨基酸(苯丙氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、脯氨酸、苏氨酸、缬氨酸、色氨酸、亮氨酸、谷氨酸)、参与ABC转运的3种糖(蔗糖、山梨醇、海藻糖)及蚁巢水提液对纯培养菌丝体的促生作用研究表明,每升基础培养基中加入0.2-0.6 g 9种复合氨基酸,20 g葡萄糖+5 g蔗糖或山梨醇或海藻糖、50-150 mL蚁巢水提液,对菌丝体的生长都有显著的促进作用;但添加150 mL蚁巢水提液对菌丝的促生效果显著优于复合氨基酸及糖处理组(0.6 g复合氨基酸+20 g葡萄糖+5 g海藻糖)及复合氨基酸处理组(0.6 g/L复合氨基酸)。284个JZS、317个YCS及322个GDS,特别是以上98个物质在子实体及蚁巢中显著关联,推测其对白蚁伞子实体的发育有重要的调控作用;复合氨基酸及山梨醇或海藻糖对纯培养菌丝体促生效果显著,但次于蚁巢水提液。以上研究为今后进一步分析与白蚁伞子实体生长发育相关的信号分子,探明白蚁伞与白蚁的共生机理,规模化人工培养白蚁伞等提供了理论依据。

Abstract

Termitomyces robustus is a rare wild fungus in Yunnan, eciprocally symbiotic with termites in termite nests, and the development of its fruiting bodies remains mysterious. In this study liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) was used to analyze the metabolite profiles of T. robustus fruiting bodies and their growth substrate termite nests. In total, 2 023 metabolites were detected in the fruiting bodies (JZ) and the termite nests (YC), including 284 JZ-specific substances (JZS), 317 YC-specific substances (YCS), and 322 common significantly differential substances (GDS). Citing the compounds with relative content≥0.5 as instance, Cytoscape (v3.10.0) software was used to show the significant correlation among 39 substances in 43 JZS and YCS and 19 substances in 29 GDS. A total of 40 JZS, YCS and GDS substances in 18 common pathways was enriched by KEGG, which were associated through three major categories of pathways, ABM (amino acid biosynthesis and metabolism), BSM (biosynthesis of secondary metabolites) and ABC (ATP-binding cassette) transporters. Among the 18 pathways, 12 were related to ABM and 2 were related to glucose metabolism in ABC transporters. Nine amino acids (phenylalanine, isoleucine, tyrosine, proline, threonine, valine, tryptophan, leucine, and glutamic acid) involved in the ABM pathway, three sugars (sucrose, sorbitol, and trehalose) involved in ABC transporters, and termite water extract were selected to study the growth-promoting effect of purely cultured T. robustus mycelia, and the results showed that the addition of 0.2-0.6 g 9 complex amino acids, 20 g glucose + 5 g sucrose or sorbitol or trehalose, and 50-150 mL termite nest water extracts in per liter of basal media significantly promoted the growth of mycelia. However, the promoting effect of adding 150 mL termite nest water extracts on mycelial growth was significantly better than that of complex amino acid and sugar treatment (0.6 g complex amino acid + 20 g glucose + 5 g trehalose) and compound amino acid treatment (0.6 g complex amino acid). 284 JZS, 317 YCS and 322 GDS, especially the above 98 substances were significantly correlated to the fruiting bodies and termite nests, and it was speculated that they played an important role in regulating the development of the fruiting bodies of Termitomyces. The complex amino acid, sorbitol or trehalose had a significant effect on promoting the growth of purely cultured mycelia, but they were inferior to the water extract of termite nest. Further analysis of signal molecules related to the growth and development of Termitomyces fruiting bodies is needful, for the purpose of exploring the symbiotic mechanism of Termitomyces and termites, and large-scale artificial cultivation of Termitomyces.

关键词

皱皮粗柄白蚁伞 / 蚁巢 / 关联物质 / 关联通路 / 复合氨基酸 / 糖类 / 促生作用

Key words

Termitomyces robustus / termite nest / associated substance / associated pathways / complex amino acids / sugars / growth promoting effect

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王成凤, 刘夏, 张曦予, 董杰, 张实润, 杨晓敏, 吕为, 刘佳艳, 李宗菊. 皱皮粗柄白蚁伞子实体和蚁巢的关联物质分析及氨基酸糖类促生作用初探[J]. 菌物学报, 2025, 44(3): 240256 https://doi.org/10.13346/j.mycosystema.240256
WANG Chengfeng, LIU Xia, ZHANG Xiyu, DONG Jie, ZHANG Shirun, YANG Xiaomin, LÜ Wei, LIU Jiayan, LI Zongju. Analyses of substances associating Termitomyces robustus fruiting bodies with termite nests and preliminary studies on growth-promoting effect of amino acids and sugars[J]. Mycosystema, 2025, 44(3): 240256 https://doi.org/10.13346/j.mycosystema.240256
白蚁伞(鸡㙡菌) Termitomyces robustus (Beeli) R. Heim隶属于真菌界Fungi、担子菌门Basidiomycota、蘑菇纲Agaricomycetes、蘑菇目Agaricales、离褶伞科Lyophyllaceae (付子艳和李荣春 2009),常生长于1.5 m以下的深土蚁巢中,其子实体生长出地面才能被看见及采摘,是一类与白蚁有着密切共生关系的珍贵野生菌(黎勇等 2022)。白蚁伞与白蚁形成了互利共生的营养关系,白蚁伞通过分解木质纤维素等富碳植物材料为白蚁提供食物来源,白蚁为白蚁伞提供适宜的生长环境条件(Pennisi 2015)。白蚁伞味道鲜美、营养丰富,且具有很高的药用价值(戴玉成和杨祝良2008;Zhao et al. 2016),为菌中之王。白蚁伞在国内主要分布于云南、贵州、四川等高海拔地区(马雅鸽等 2015),其种类丰富,约有27种(喻敏等 2014)。目前白蚁伞的研究主要集中于系统分类(邹立扣等 2011)、分子鉴定(邹立扣和潘欣 2009)、菌丝分离(曾大兴等 1999)、培养特性(胡尚勤等 2006;朱玉昌等 2009;付前发等 2013)及菌丝发酵(聂晓东 2011)、营养及风味成分(彭阳翔等 2019;张梦珂等 2024)、多糖的提取(Hong & Ying 2019)等方面。白蚁伞与白蚁的共生关系复杂,子实体的发育至今仍然是一个难以揭开的谜底。白蚁巢是白蚁伞生长发育的营养基质,在蚁巢中,白蚁伞的发育必须经历菌丝体、小白球、子实体3个重要的发育时期,纯培养条件下菌丝不会扭结发育成小白球(原基),不会形成子实体,不能完成整个生活史。蚁巢中的物质对子实体的发育起着重要的营养及信号交换作用。
随着高通量组学技术的发展,代谢组学成为化学物质生物合成途径和分子调控作用机制的重要手段。液相色谱-质谱联用(liquid chromatograph mass spectrometer, LC-MS)技术是目前代谢组学分析的主流技术,适用于脂质、类黄酮、类胡萝卜素、生物碱等热稳定性不高、不易挥发并且相对分子质量较大的代谢物(梁丹丹等 2018;傅秀敏等 2021),目前已广泛用于动物(Chauhan et al. 2024)、植物(Üst et al. 2024)、食品(Masquelier et al. 2023)的研究,在菌物研究中也有报道(杜冰雪 2022;You et al. 2023)。
白蚁伞目前仍难以人工培养,市售产品全部来源于野外采集。因白蚁伞产量低、价格昂贵,且随着无序泛采及生境的影响,其资源已难以持续性利用。皱皮粗柄白蚁伞Termitomyces robustus盛产于云南楚雄州武定、禄劝、富明等地。本文以皱皮粗柄白蚁伞子实体及蚁巢为研究材料,基于LC-MS技术,对二者的代谢谱进行了分析,以了解子实体及蚁巢的关联物质,为今后进一步分析与白蚁伞子实体生长发育相关的信号分子,探明白蚁伞与白蚁的共生机理,规模化人工培养白蚁伞,开发白蚁伞与蚁巢相关药物等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料、试剂和仪器

1.1.1 实验材料

皱皮粗柄白蚁伞及蚁巢取自云南省楚雄市武定县小尾村团山。地理位置为102°22.103′- 102°22.365′E,北纬25°32.652′-25°32.936′N,海拔2 012-2 099 m的山上,挖取5个蚁巢及38个白蚁伞子实体。

1.1.2 试剂和仪器

甲醇、甲酸、l-2-氯苯丙氨酸;液相色谱-质谱联用仪(Thermo Fisher Scientific公司)。

1.2 样品制备

挖取白蚁伞子实体,次日,挑取30个子实体于超净工作台上,用刀片轻轻刮去菌柄基部表面泥沙,并用75%乙醇棉球对菌盖、菌柄表面轻轻反复擦拭,用无菌解剖刀切去菌盖中部一小圆块外部组织,用无菌镊子沿菌盖边缘撕去外部表皮,用无菌解剖刀挑取一层已暴露的内部组织块;去除菌盖,从菌盖与菌柄的交接处挖取菌柄上部1/3的内部无菌组织块,将小组织块切成1-1.5 cm的小方块;每个子实体取15-20个小块,分别接种于含改良PDA培养基的试管中,分离纯化菌丝;剩下的切碎后放于无菌大烧杯中;将取自30个子实体的所有碎小组织块混匀,按以下方式制备冻干粉;另外8个子实体,送中国科学院植物研究所鉴定为皱皮粗柄白蚁伞T. robustus后,作为标本保存于云南大学生命科学学院植物标本馆,标本号为TR-1-TR-8。挖回的 5个蚁巢,每个取1/3于无菌大烧杯中,用无菌镊子夹碎后混匀,按以下方式制备冻干粉。另取每个蚁巢的1/3作为标本与子实体一起保存,标本号为TRYC-1-TRYC-5。剩下的1/3将其接种在培养基上,用于分离微生物。将以上混匀的30个子实体的碎小组织,放于高温灭菌的大研钵中,加入少量液氮,快速研磨成粉;分装于 5 mL冻存管中,管口用封口膜封住,用牙签在膜上扎若干小孔;于-80 ℃静置1 h;于冷冻干燥机中干燥48 h后置于-80 ℃冰箱中备用。将以上混匀的5个蚁巢的碎小组织,放于无菌的大研钵中,其余操作同上。

1.3 样品提取

分别称取80 mg子实体和蚁巢冻干粉于2 mL离心管中,重复3次,加入800 μL 80%甲醇(色谱级,-20 ℃预冷),涡旋混匀90 s,在冰浴条件下45 kHz超声波辅助萃取1 h,-20 ℃静置1 h,于4 ℃、12 000 r/min离心15 min,取全部上清液于离心管中,再次冷冻离心后,移取200 μL上清液,加入5 μL内标(140 μg/mL l-2-氯苯丙氨酸),用1 mL无菌注射器吸取样品,经0.22 μmol/L聚四氟乙烯(PTFE)超滤膜过滤至进样小瓶中,待上样检测。

1.4 LC-MS分析

1.4.1 色谱及色谱条件

采用液相色谱-质谱联用仪对样品进行分析。色谱柱为Hypersil GOLD-C18柱(2.1 mm × 100 mm × 1.9 μm);柱温:27.5 °C;自动进样器温度:4 °C;进样量:10 μL;流速:0.3 mL/min;流动相:水+ 0.1%甲酸为流动相A,甲醇为流动相B;洗脱程序:0-2 min 95% A,2-4 min 95%-30% A,4-8 min 30% A,8-10 min 30%-5% A,10-16 min保持5% A,16-18 min 5%-95% A,18-20 min 5%-95% A。质谱采用高分辨FTMS全扫描模式(m/z范围70-1 050,分辨率60 000)。质谱参数:离子源,电喷雾ESI (正/负离子);离子源温度,350 ℃ (+,−);毛细管温度,350 ℃ (+,−);喷雾电压,3 000 V (+,−);加热器温度,300 ℃ (+,−);鞘气流速,35 arb (+,−);辅气流速,15 arb (+,−);尾气流速,1 arb (+,−);S-Lens RF level,30% (+)和60% (−)。

1.4.2 代谢物鉴定

将下机数据文件(.raw)导入Compound DiscovererTM3.1软件(CD3.1, Thermo Fisher)中,根据保留时间、质荷比(m/z)、碎片化模式等参数进行初步定性,并分别对各代谢物的峰面积进行相对定量分析(用匹配物质的峰面积值/内标峰面积值来表征该物质的含量)。为提高代谢物鉴定的可信度,将原始峰谱图用Thermo Xcalibur Qual Browser软件,根据保留时间偏差0.2 min和质量偏差5×10-6分别进行峰对齐,依据目标母离子、碎片离子和m/z等,并结合公用数据库MS-DIAL (systemsomicslab.github.io),与真菌数据库(mzLogic-zhenjun.cdProcessingWF)进一步比较、定性化合物。最后通过空白样本消除背景离子影响,并对定量结果进行归一化处理,最终得到样品中代谢物的定性及定量结果(Excel格式的二维数据矩阵) (刘芹等 2024)。

1.5 数据的可靠性及差异物质分析

将含有保留时间、代谢产物相对含量的数据矩阵导入SIMCA-P 14.1 (Umetrics)软件,对数据中心化和规格化处理之后进行主成分分析(principal component analysis, PCA)和最小二乘法显著性分析(PLS-DA),来观察样本之间的总体分布和区分各组样本代谢轮廓的总体差异,通过正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal PLS-DA, OPLS-DA)中变量权重值(variable importance in projection, VIP)大于1的组分和相关系数标注的载荷图中|P|>0.02和|P(corr)|>0.5的区域来确定差异变量。对差异变量进行定性和内标归一化定量后,采用Student’s t-test方法的双尾t检验进行差异显著性分析。选取VIP>1,P<0.05且|变异倍数(fold change, FC)|≥2或≤0.5 (Log2|FC|≥1)的成分作为显著差异性代谢物。

1.6 差异物质富集及物质关联分析

将子实体及蚁巢中检测到的显著差异物质,在基迪奥云平台(https://www.omicshare.com/)进行KEGG富集分析。代谢通路间的网络关联用KEGG富集高级网络分析工具完成。物质的网络关联用Metaboanalyst 4.0平台(https://www.metaboanalyst.ca/)的Network Analysis模块及Cytoscape_v3.10.0软件完成。Cytoscape软件的作图过程如下:利用R 4.2.2软件的内置cor函数计算各化合物间的皮尔逊相关系数(Pearson’s correlation coefficient, PCC),选取|PCC|>0.8,P<0.05的物质用Cytoscape (v3.10.0)软件可 视化。

1.7 蚁巢水溶性活性物质的制备及其培养基配制

称取已制备好的蚁巢冻干粉50 g,按1:10的比例加入无菌水,涡旋混匀90 s,在冰浴条件下45 kHz超声波辅助萃取1 h,4 ℃、5 000 r/min离心10 min,将上清液先后用15、8、5、1.2、0.45、0.22 μm的滤膜进行抽滤,另外取一套高温灭菌后的过滤装置,在超净工作台上进行最后一次0.22 μm滤膜过滤,密封备用。以基础培养基(BMS)为对照,设置3个蚁巢水提液(TNT)浓度(T1、T2、T3),具体4种处理如下:CK (850 mL BMS+150 mL无菌水)、T1 (850 mL BMS+50 mL TNT+100 mL无菌水)、T2 (850 mL BMS+100 mL TNT+50 mL无菌水)、T3 (850 mL BMS+150 mL TNT)。每个处理按基础培养基配方加入各成分,先定容至850 mL,灭菌后置于超净工作台上,待培养基冷至80 ℃以下,加入总体积为150 mL TNT及无菌水,充分摇匀后倒平板,每个处理15个平板。

1.8 菌丝生长量计算

菌丝生长量采用称重法,计算公式如下。
Gn=Wt-W0+WN15
其中,Gn,菌丝生长量;Wt,观测期接种物及平板的重量;W0,第0天接种物及平板的重量;WN15,为水分蒸发量。
WN15计算如下:每批实验设置15个加入培养基的平板,第0天称重,计算每个平板的平均重量(W015),与处理组置于同样环境,观测期称重,计算每个平板的平均重量(WT15)。
WN15=W015-WT15

2 结果与分析

2.1 多元统计学验证

为充分了解组间的数据差异,将子实体(JZ)及蚁巢(YC)的两组数据,利用SIMCA-P 14.1软件进行多元统计学分析。首先应用PCA分析来评估组之间的离散程度(图1A) JZ及YC分别位于第一主成分的负半轴和正半轴上,并且均置于95%置信区间内,无异常值存在,样本数据处理结果可信,可以继续进行PLS-DA模型验证。排列实验模型有效验证图见图1B,经200次交叉验证,左边任何一次排列产生的R2Q2均小于右端的原始值,且Q2与纵轴交点均为-0.606<0,R2Y=0.529,Q2=0.873,结果显示模型可靠有效且预测性良好,可以继续进行OPLS-DA分析。OPLS-DA散点图(图1C)中R2Y=0.999,Q2=0.996,用ANOVA法来验证OPLS模型,模型验证的P=0.014 780 9 <0.05,模型验证成立,并且图中两组样品得到最大分离,有效降低了组内差异。3种模型验证无异常值存在,表明样本数据处理结果可靠。
图1 白蚁伞子实体(JZ)和蚁巢(YC)的多元统计学分析 A:PCA得分图;B:置换模型验证;C:OPLS-DA得分图

Fig. 1 Multivariate statistical analyses of Termitomyces robustus fruiting bodies and termite nests. A: PCA score plot; B: Replacement model validation; C: OPLS-DA score plot.

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2.2 代谢组分总体分析及共有差异代谢物筛选

以CD3.1等公共数据库及购买的真菌数据库为基础,并利用三重四极质谱多反应监测模式,对子实体(JZ)及蚁巢(YC)中代谢物进行定性与定量分析。在JZ及YC中分别检测到1 706和1 739个化合物,其中子实体特有物质284个,蚁巢特有物质317个(图2A);子实体及蚁巢的共有物质1 422个(包括显著差异的322个,无显著差异的1 100个)。
图2 子实体及蚁巢的化合物数 A:JZ及YC的特有物质及共有物质;B:JZ及YC共有上调及下调差异物质的火山图;C:JZ及YC特有物质、共有上调及下调差异物质的含量分段之化合物数;RC:相对含量

Fig. 2 Fruiting body (JZ) and termite nest (YC) compounds. A: Specific substances and common substances of JZ and YC; B: Volcanic map of common up-regulated and down-regulated differential substances of JZ and YC; C: The number of compounds of the content segments of specific substances and common up-regulated and down-regulated differential substances of JZ and YC; RC: Relative content.

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基于OPLS-DA结果,在JZ及YC的1 422个共有物质中,以VIP>1、P<0.05 且Log2|FC|≥1相结合的方法,筛选了322个显著差异代谢物(GDS),其中,YC_vs_JZ,50个为上调物质(G-up),272个为下调物质(G-down)。利用TBtools绘制的1 422个共有物质的火山图,红色及绿色点表示322个显著差异物,灰色点表示1 100个无显著差异物(图2B)。
用匹配物质的峰面积值/内标峰面积值来表征该物质的相对含量。按含量高低,将子实体特有物质(JZS)、蚁巢特有物质(YCS)、50个上调差异物(G-up)、272个下调差异物(G-down)含量,分为≥10.0、2.0-10.0、1.0-2.0、0.5-1.0、0.1-0.5、<0.1这6个区段(图2C)。可以看出,在JZS中,≥0.5占了11.6%;<0.1占了大部分(73.94%)。在YCS中,≥0.5仅占了3.16%;<0.1的占了大部分(92.11%)。在G-up中,≥0.5占了小部分(12.00%);<0.1的占了68.00%。在G-down中,≥0.5占了8.46%;<0.1的占了大部分(72.43%)。

2.3 高含量物质

2.3.1 特有物质

利用GraphPadPrism8软件展示的284个子实体特有物质(JZS)、317个蚁巢特有物质(YCS)中,相对含量≥0.5的有43个化合物(图3A),其中,JZS中有33个化合物,YCS中有10个化合物。JZS中相对含量居于前3的物质依次是:艾司西酞普兰(escitalopram, ESP)、柯因二甲醚(chrysin dimethyl ether, CDE)、多萘哌齐碱(donepezil, DNP),其含量分别为:36.39%、21.05%、20.87%。YCS中相对含量居于前3的物质依次是:桔梗皂苷元(platycodigenin, PLD)、2-羟基戊二酸(2-hydroxyglutaric acid, HGA)、吗菌灵(dodemorph, DOD),其含量分别为:6.70%、2.64%、2.13%。
图3 JZS及YCS中43个化合物的含量(≥0.5)及其关系 A:JZS及YCS中43个化合物的含量;B:43个化合物中具有显著相关的39个化合物间之网络关系. 蓝色填充圆圈表示JZS;红色填充圆圈表示YCS;橙色字体为 JZS及YCS中含量前3的4个化合物

Fig. 3 Content (≥0.5) and relationships of 43 compounds in JZ-specific substance (JZS) and YC-specific substance (YCS). A: The content of 43 compounds in JZS and YCS; B: Network correlations of 39 compounds with significant correlation among 43 compounds. The blue filled circles represent compounds in JZS; the red filled circles represent compounds in YCS; the orange fonts represent four compounds of the top three content of JZS and YCS.

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将以上JZS中的33个物质及YCS中的10个物质,首先利用R 4.2.2软件的内置cor函数计算化合物间的相关性,再将|PCC| >0.8,P<0.05的物质用Cytoscape (v3.10.0)软件展示其网络关联(图3B),可以看出,43个化合物中具有显著相关的化合物有39个,其中,JZS中最高含量ESP、次高含量CDE与YCS中最高含量PLA关联在一个模块;JZS中桃叶珊瑚苷(aucubin, AUC)与YCS中次高含量的(HGA)关联在另一个模块。

2.3.2 共有差异物质

在子实体及蚁巢1 422个共有物质中,有 322个物质具有显著差异(GDS),其中,YC_vs_JZ,上调物质(G-up)有50个,下调物质(G-down)有272个(图2B)。用GraphPadPrism8展示了G-up、G-down中相对含量≥0.5的29个化合物(其中,G-up 6个,G-down 23个) (图4A)。G-up中相对含量居于前3的物质依次是:脯氨酸(proline, PRO)、依米丁(emetine, EME)、杨梅素(myricetin, MYR),其含量分别为:5.91%、1.94%、1.64%。G-down中相对含量居于前3的物质依次是:溶血磷脂酰胆碱(18:2) (lysophosphatidyl choline (18:2), LPC)、雷酚内酯(triptophenolide, TRI)、炔诺酮(norethindrone, NOR),其含量分别为:23.35%、7.35%、3.97%。
图4 GDS中29个显著差异化合物的含量(≥0.5)及其关系 A:GDS中的29个化合物的含量;B:29个化合物中具有显著相关的19个化合物间的网络关系. 橙色字体表示G-up及G-down中含量居于前3的4个化合物

Fig. 4 Content (≥0.5) and relationships of 29 differential compounds in common significantly differential substance (GDS). A: The content of 29 compounds in GDS; B: Network correlations of 19 compounds with significant correlation among 29 compounds. The orange fonts represent four compounds of the top three content of G-up and G-down.

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利用Cytoscape_v3.10.0软件展示29个物质的网络关系(图4B),可以看出,29个化合物中具有显著相关的化合物有19个,其中G-up中最高含量PRO、第三高含量MYR关联在一个模块;G-up中次高含量EME独立在一个模块;G-down中最高含量LPC独立在另一个模块。

2.4 通路富集物质

差异化合物的通路富集分析有助于了解和分析代谢途径的变化机制。本文将子实体及蚁巢特有物质、共有差异物质,通过基迪奥云平台(https://www.omicshare.com/)进行KEGG匹配,注释代谢通路,完成通路富集分析。

2.4.1 特有物质

将子实体的284个特有物质(JZS),蚁巢的317个特有物质(YCS),分别进行KEGG富集分析,JZS共富集到18条通路(图5A);YCS共富集到27条通路,展示了前25条通路(图5B);标红的字体为JZS及YCS皆富集到的9条共有通路,其分别为:β-丙氨酸代谢(beta-alanine metabolism),多种植物次生代谢产物的生物合成(biosynthesis of various plant secondary metabolites),精氨酸和脯氨酸代谢(arginine and proline metabolism),ABC转运(ABC transporters),组氨酸代谢(histidine metabolism),甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢(glycine, serine and threonine metabolism),半胱氨酸和甲硫氨酸代谢(cysteine and methionine metabolism),次级代谢产物的生物合成(biosynthesis of secondary metabolites),氨基酸的生物合成(biosynthesis of amino acids)。富集到以上9条通路中的物质有29个,其中,YCS有19个[姜黄素(curcumin)、葫芦素E (cucurbitacin E)、表儿茶素(epicatechin)、d-海藻糖(trehalose)、四环素(tetracycline)、褪黑素(melatonin)、色氨酸(tryptophan)、n-乙酰-dl-谷氨酸(n-acetylglutamate)、4-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid)、开环异落叶松树脂酚(secoisolariciresinol)、秦皮乙素(6,7-dihydroxycoumarin)、滨蒿内酯(scoparone)、原烟碱(nornicotine)、肌肽(carnosine)、6-姜酚(6-gingerol)、5ʹ-脱氧-5ʹ-硫代甲基酰苷(5ʹ-methylthioadenosine)、甘油(glycerol)、d-木糖(xylose)、d(+)-纤维二糖(cellobiose)],JZS有 10个[香豆素(coumarin)、链霉素(streptomycin)、鹰嘴豆芽素A (biochanin A)、1,4-丁二胺(putrescine)、精胺(spermine)、王草酚(osthenol)、l-鹅肌肽(anserine)、dl-别胱硫醚(cystathionine)、2ʹ-脱氧尿苷(2ʹ-deoxyuridine)、2ʹ-脱氧腺苷(2ʹ-deoxyadenosine)]。
图5 JZS、YCS的富集分析及9条共有通路间网络关系 A:由JZS富集到的通路;B:由YCS富集到的通路;标红的字体为JZS及YCS的共有通路;C:9条共有通路间的关联

Fig. 5 Enrichment analyses of JZS and YCS and network relationships among 9 common pathways. A: The pathway enriched by JZS; B: The pathway enriched by YCS; The lettering in red represent 9 common pathways of JZS and YCS; C: Associations among 9 common pathways.

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通过基迪奥云平台(https://www.omicshare.com/)中KEGG高级网络图工具,将以上9条通路进行网络关联分析,其中,权重较高的有7条通路(图5C):次级代谢产物的生物合成、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、半胱氨酸和甲硫氨酸代谢、多种植物次生代谢产物的生物合成、组氨酸代谢、β-丙氨酸代谢,其通路关联数(Degree值)依次是:30、22、15、15、6、6、5,以次级代谢产物的生物合成(BSM)通路最大,推测BSM通路为关联物质代谢各通路的重要或枢纽通路;7条通路,除2条次级代谢大通路外,其余5条皆与氨基酸代谢有关。
JZS及YCS中参与以上7条通路的化合物分别有8、16个,共24个。蚁巢特有的16个物质(姜黄素、葫芦素E、表儿茶素、d-海藻糖、四环素、褪黑素、色氨酸、n-乙酰-dl-谷氨酸、4-氨基丁酸、开环异落叶松树脂酚、秦皮乙素、滨蒿内酯、原烟碱、肌肽、6-姜酚、5ʹ-脱氧-5ʹ-硫代甲基酰苷)通过BSM大通路与JZS中的 8个物质(香豆素、链霉素、鹰嘴豆芽素A、1,4-丁二胺、精胺、王草酚、l-鹅肌肽、dl-别胱硫醚)发生关联(图6A)。在BSM大通路中,蚁巢特有的4-氨基丁酸通过精氨酸和脯氨酸代谢通路与子实体特有的1,4-丁二胺、精胺关联;蚁巢特有的开环异落叶松树脂酚、秦皮乙素、滨蒿内酯、原烟碱通过多种植物次生代谢产物的生物合成通路与子实体特有的王草酚、l-鹅肌肽关联;蚁巢特有的5ʹ-脱氧-5ʹ-硫代甲基酰苷通过半胱氨酸和甲硫氨酸代谢通路与子实体特有的dl-别胱硫醚关联;蚁巢特有的肌肽通过组氨酸代谢通路与子实体特有的l-鹅肌肽关联。另外,蚁巢特有的6-姜酚、姜黄素、葫芦素E分别通过芪类化合物、二芳庚烷类化合物和姜辣素的生物合成通路,萜类化合物和类固醇的生物合成通路与子实体特有的香豆素关联;表儿茶素通过类黄酮的生物合成汇集到BSM大通路中。
图6 JZS和YCS中7条共有通路的化合物通路及网络关联 A:24个化合物的通路关联;B:24个化合物中匹配到9个化合物的网络关联. 蓝色字体及蓝色实心圆圈为JZS,红色字体及红色实心圆圈为YCS

Fig. 6 Compound pathways and network associations of 7 common pathways in JZS and YCS. A: Pathway associations of 24 compounds; B: Network associations of 9 compounds matched in 24 compounds; The blue fonts and the blue solid circles represent JZS, and the red fonts and the red solid circles represent YCS.

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Metaboanalyst 4.0平台(https://www.metaboanalyst.ca/)的Network Analysis模块有助于凸显大量注释化合物之间的潜在功能关系。将7条通路的24个化合物在Network Analysis中匹配到9个(图6B),可见,YCS中的5个物质(褪黑素、5ʹ-脱氧-5ʹ-硫代甲基酰苷、d-海藻糖、n-乙酰-dl-谷氨酸、4-氨基丁酸;其关联化合物数分别为:5、5、3、4、7)与JZS中的4个物质(香豆素、鹰嘴豆芽素A、1,4-丁二胺、精胺;其关联化合物数分别为:4、2、9、7)存在网络关联。

2.4.2 共有显著差异物质

将子实体与蚁巢的322个差异代谢物(GDS)进行富集分析,共富集到38条通路,展示了前25条通路(图7A),其中P<0.05的通路有9条,分别是:缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成(valine, leucine and isoleucine biosynthesis)、ABC转运(ABC transporters)、氰基氨基酸代谢(cyanoamino acid metabolism)、氨酰-tRNA生物合成(aminoacyl-tRNA biosynthesis)、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解(valine, leucine and isoleucine degradation)、青霉素和头孢菌素生物合成(penicillin and cephalosporin biosynthesis)、2-氧代羧酸代谢(2-oxocarboxylic acid metabolism)、阿特拉津降解(atrazine degradation)、氨基酸生物合成(biosynthesis of amino acids)。富集到以上 9条通路中的物质有11个,分别为l-异亮氨酸(l-isoleucine)、l-缬氨酸(l-valine)、l-苯丙氨酸(l-phenylalanine)、l-酪氨酸(l-tyrosine)、l-脯氨酸(l-proline)、l-苏氨酸(l-threonine)、腺苷(adenosine)、左旋肉碱(carnitine)、肌苷(carnitine)、山梨醇(sorbitol)、尿苷(uridine),其中l-脯氨酸、肌苷为上调物质,其余9个为下调物质。
图7 GDS的KEGG富集通路及9条显著差异通路间网络关系 A:前25条富集通路;B:9条显著差异通路间的关联

Fig. 7 KEGG enrichment pathways of common differential substances from GDS and the network relationships among 9 significantly differential pathways. A: The top 25 pathways enriched; B: Associations among 9 significantly differential pathways.

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通过基迪奥云平台(https://www.omicshare.com/)中KEGG高级网络图工具,将GDS的9条通路进行关联分析,其中权重较高的有5条通路(图7B):缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生成,氰基氨基酸代谢,氨酰-tRNA生物合成,2-氧代羧酸代谢,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解,其通路关联数分别为:9、6、5、5、4,其中以缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成通路最大。这几条通路主要与氨基酸的生物合成与代谢有关。
差异物质中参与以上5条通路的化合物有6种氨基酸:l-异亮氨酸(l-isoleucine)、l-缬氨酸(l-valine)、苯丙氨酸(l-phenylalanine)、l-酪氨酸(l-tyrosine)、脯氨酸(l-proline)、l-苏氨酸(l-threonine)。6种氨基酸通过氨酰-tRNA生物合成通路与4个氨基酸通路关联(图8A)。
图8 化合物通路及网络关联 A:6个氨基酸的通路关联;B:6个氨基酸的network关联

Fig. 8 Compound pathways and network correlations. A: Pathways associations of six amino acids; B: Network associations of six amino acids.

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将以上6种氨基酸在代谢关系Network Analysis中匹配到6种(l-苏氨酸、l-酪氨酸、l-异亮氨酸、l-苯丙氨酸、l-缬氨酸、l-脯氨酸) (图8B)。

2.5 氨基酸及糖类物质和蚁巢水溶性活性物质对白蚁伞菌丝的促生作用

2.5.1 JZS、YCS及GDS中富集到通路中的氨基酸及糖类物质

综上所述,284个子实体特有物质(JZS)及317个蚁巢特有物质(YCS),二者皆富集到的9 条共有通路中,除次级代谢产物的生物合成(BSM)及多种植物次生代谢产物的生物合成(PBS)通路与次级代谢相关外,其余6条通路与氨基酸生物合成及代谢相关,1条与ABC转运相关。YCS中的色氨酸、4-氨基丁酸、褪黑素、n-乙酰-dl-谷氨酸等氨基酸类物质参与了氨基酸的生物合成及代谢。YCS中海藻糖、甘油、d-木糖、d(+)-纤维二糖参与了ABC转运中的糖代谢。
共有显著差异物质(GDS)富集到P<0.05的9条通路中,Degree值较大的前6条通路与氨基酸生物合成及代谢相关,1条与ABC转运相关。6种氨基酸(l-异亮氨酸、l-缬氨酸、l-苯丙氨酸、l-酪氨酸、l-脯氨酸、l-苏氨酸)参与了氨基酸的生物合成及代谢。山梨醇参与了ABC转运中的糖代谢。
JZS、YCS及GDS中富集到所有通路中的11种氨基酸及6种糖类物质(图9),包括JZS及YCS非共有通路中的4种氨基酸(l-亮氨酸、l-谷氨酸、l-鸟氨酸、亮脯氨酸)及2种糖类(蔗糖、麦芽糖)物质。可以看出,11种氨基酸,除脯氨酸在子实体中上调外,其余10种在蚁巢中显著上调(l-苯丙氨酸、l-异亮氨酸、l-缬氨酸、l-苏氨酸、l-亮氨酸、l-谷氨酸、l-酪氨酸)或蚁巢特有(l-酪氨酸、l-色氨酸、l-鸟氨酸、亮脯氨酸)。6种糖代谢物质,除山梨醇在蚁巢中极显著上调外,其余5种(蔗糖、麦芽糖、木糖、海藻糖、甘油)皆为蚁巢特有。
图9 JZS、YCS及GDS中富集到通路中的氨基酸及糖类物质

Fig. 9 Amino acids and sugars enriched into pathways in JZS, YCS and GDS.

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2.5.2 氨基酸及糖类物质对皱皮粗柄白蚁伞纯培养菌丝体的促生作用

选取以上11种氨基酸中的9种(l-苯丙氨酸、l-异亮氨酸、l-酪氨酸、l-脯氨酸、l-苏氨酸、l-缬氨酸、l-色氨酸、l-亮氨酸、l-谷氨酸)及6种糖类物质中的3种(山梨醇、蔗糖、海藻糖),初步探讨9种氨基酸及3种糖类物质对皱皮粗柄白蚁伞菌丝体(本实验室分离、纯化、继代)的促生作用。
氨基酸对皱皮粗柄白蚁伞纯培养菌丝体的促生作用:氨基酸设置4个处理(CK、A1、A2、A3)。首先制备9个混合氨基酸(MAA)母液,分别称取苯丙氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、脯氨酸、苏氨酸、缬氨酸、色氨酸、亮氨酸、谷氨酸各 1 g,共9 g,溶于90 mL水中,制成0.1 g/mL MAA。4个处理如下:CK,实验室常用的基础培养基(BMA);A1,BMA+2 mL MAA/L (0.2 g/L);
A2,BMA+4 mL MAA/L (0.4 g/L);A3,BMA+ 6 mL MAA/L (0.6 g/L)。按以上处理配置培养基,灭菌后置于超净工作台上,待培养基冷至80 ℃以下倒平板,每个处理15个平板。挑选浓密、生长活力旺盛的皱皮粗柄白蚁伞菌丝块,均分为4等分,分别接入4个处理的培养基中,室温下培养,每5 d进行一次称重、拍照和记录。菌丝生长量采用称重法,利用GraphPadPrism8软件,进行单因素方差分析。
该组实验通过添加不同浓度的9种复合氨基酸(MAA)以探究其是否可促进纯培养物的生长(图10),添加0.6 g/LMAA处理组(A3),菌丝生长量在培养5、15、25 d时,显著高于对照组(CK)及其他2个处理组(A1及A2);添加0.2 g/LMAA (A1)及0.4 g/LMAA (A2)处理组,在15 d、25 d时,菌丝生长量显著高于CK,显著低于A3;但A1及A2间在15 d时无显著差异,在25 d时,A2显著高于A1。综上所述,在1 L培养基中加入0.2-0.6 g的9种复合氨基酸,对菌丝的生长都有较好的促进作用,尤其是加入0.6 g,效果更显著,如果考虑成本因素,加入0.2-0.4 g,即有显著的促生作用。
图10 添加复合氨基酸后皱皮粗柄白蚁伞菌丝体不同时期形态特征及生长量 A:5、15及25 d的菌丝体形态特征;B:5、15及25 d的菌丝生长量;CK、A1、A2、 A3分别代表对照组、0.2、0.4、0.6 g/L MAA;相同小写字母表示两者之间无显著差异,不同小写字母表示两者之间P≤0.05;MAA:混合氨基酸母液;下同

Fig. 10 Morphological characteristics and growth increment of Termitomyces robustus mycelia in different periods after adding complex amino acids. A: Mycelium morphological characteristics in 5, 15 and 25 d; B: Mycelium growth increment in 5, 15 and 25 d. CK, A1, A2 and A3 represented experimental control, addition of 0.2, 0.4 and 0.6 g/L MAA, respectively; The same lowercase letter means there is no significant difference between the two, and different lowercase letters mean P≤0.05 between the two; MAA: Mixed amino acid mother liquor. The same below.

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3种糖类物质对皱皮粗柄白蚁伞纯培养菌丝体的促生作用:蔗糖、山梨醇、海藻糖3种物质,都可以通过淀粉和蔗糖代谢通路参与到糖的生物合成及代谢中。本实验设置4个处理(CK、B1、B2、B3):CK,实验室常用的基础培养基(BMA,2.5%葡萄糖)、B1 (BMA,2.0%葡萄糖+0.5%蔗糖)、B2 (BMA,2.0%葡萄糖+0.5%山梨醇)、B3 (BMA,2.0%葡萄糖+0.5%海藻糖)。培养基的配制、分装、接种、观察、记录及菌丝生长量的测定同上。
该组实验在基础培养基2.0%葡萄糖的基础上,分别添加0.5%的蔗糖、山梨醇、海藻糖,以探究3种糖是否可促进纯培养物的生长 (图11),添加2.0%葡萄糖+0.5%海藻糖处理组(B3),菌丝生长量在培养15 d和25 d时,显著高于对照组(CK)及其他2个处理组(B1及B2);添加2.0%葡萄糖+0.5%蔗糖(B1)及2.0%葡萄糖+0.5%山梨醇(B2)处理组,在15 d和25 d时,菌丝生长量显著高于CK,显著低于B3;但B1及B2间在15 d时无显著差异,在25 d时,B2显著高于B1。综上所述,在培养基中加入0.5%的蔗糖、山梨醇、海藻糖,对15 d以后菌丝的生长都有较好的促进作用,尤其是加入0.5%海藻糖,效果更显著,如果考虑成本因素,也可选择0.5%蔗糖及0.5%山梨醇,二者也有显著的促生作用。
图11 添加3种糖源后皱皮粗柄白蚁伞菌丝体不同时期形态特征及生长量 A:5、15及25 d的菌丝体形态特征;B:5、15及25 d的菌丝生长量;CK、B1、B2、 B3分别代表对照组(2.5%葡萄糖)、2.0%葡萄糖+0.5%蔗糖、2.0%葡萄糖+0.5%山梨醇、2.0%葡萄糖+0.5%海藻糖

Fig. 11 Morphological characteristics and growth increment of Termitomyces robustus mycelia in different periods after adding three sugar sources. A: Mycelium morphological characteristics in 5, 15 and 25 d; B: Mycelium growth increment in 5, 15 and 25 d; CK, B1, B2 and B3 represented experimental control (addition of 2.5% glucose), 2.0% glucose+0.5% sucrose, 2.0% glucose+0.5% sorbitol, 2.0% glucose+0.5% trehalose, respectively.

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2.5.3 蚁巢水溶性活性物质对白蚁伞菌丝的促生作用

该组实验在基础培养基(BMS)基础上,分别添加50、100、150 mL蚁巢水提液(TNT),以探究蚁巢水溶性活性物质是否可促进纯培养物的生长(图12),添加150 mL TNT (T3),菌丝生长量在培养15 d和25 d时,显著高于对照组(CK)及其他2个处理组(T1、T2);添加50 mL TNT (T1)及100 mL TNT (T2)处理组,在15 d和25 d时,菌丝生长量显著高于CK,显著低于T3;但T1及T2间在15 d及25 d时无显著差异。综上所述,在培养基中加入50-150 mL TNT,对15 d以后菌丝的生长都有显著的促进作用,尤其是加入150 mL TNT,效果更显著,考虑到蚁巢太珍贵,每升培养基加入50 mL蚁巢水提液,也可显著促进菌丝生长。
图12 添加蚁巢水提液后皱皮粗柄白蚁伞菌丝体不同时期形态特征及生长量 A:5、15及25 d的菌丝体形态特征;B:5、15及25 d的菌丝生长量;CK、T1、T2、T3分别代表对照组(850 mL BMS+150 mL无菌水)、850 mL BMS+50 mL TNT+100 mL无菌水、850 mL BMS+100 mL TNT+50 mL无菌水、850 mL BMS+150 mL TNT;BMS:基础培养基;TNT:蚁巢水提液

Fig. 12 Morphological characteristics and growth increment of Termitomyces robustus mycelia in different periods after adding termite nest water extracts. A: mycelium morphological characteristics in 5, 15 and 25 d; B: Mycelium growth increment in 5, 15 and 25 d; CK, T1, T2 and T3 represented experimental control (850 mL BMS+150 mL sterile water), addition of 850 mL BMS+50 mL TNT+100 mL sterile water, 850 mL BMS+ 100 mL TNT+50 mL sterile water, 850 mL BMS+150 mL TNT, respectively; BMS: Basal medium; TNT: Termite nest water extract.

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2.5.4 氨基酸及糖类物质和蚁巢水溶性活性物质促生作用的比较

为进一步了解氨基酸、糖类物质与蚁巢水溶性活性物质的促生作用,将以上3个实验的最大处理组进行重组、比较,设置以下4种处理:CK (基础培养基)、C1 (A3,0.6 g/L MAA)、C2 (A3+B3,0.6 g/L MAA+2.0%葡萄糖+0.5%海藻糖),C3 (T3,150 mL TNT) (图13)。培养基的配制、分装、接种、观察、记录及菌丝生长量的测定同上。
图13 3个比较组皱皮粗柄白蚁伞菌丝体不同时期的形态特征及生长量 A:5、15及25 d的菌丝体形态特征;B:5、15及25 d的菌丝生长量;CK、C1、C2、C3分别代表对照组(基础培养基BMS)、A3 (0.6 g/L MAA)、A3+B3 (0.6 g/L MAA+2.0%葡萄糖+0.5%海藻糖)、T3 (150 mL TNT);MAA:混合氨基酸母液;TNT:蚁巢水提液

Fig. 13 Morphological characteristics and growth increment of Termitomyces robustus mycelia in different periods of three comparison groups. A: Mycelium morphological characteristics in 5, 15 and 25 d; B: Mycelium growth increment in 5, 15 and 25 d; CK, C1, C2 and C3 represented experimental control, A3 (0.6 g/L MAA), A3+B3 (0.6 g/L MAA+2.0% glucose+0.5% trehalose), T3 (150 mL TNT), respectively; MAA: Mixed amino acid mother liquor; TNT: Termite nest water extract.

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C3的菌丝生长量在培养5、15、25 d时,显著高于对照组(CK)及其他2个处理组(C1、C2) (图13)。C1及C2处理组,在15 d、25 d时,菌丝生长量显著高于CK,显著低于C3;且C1和C2间在15 d及25 d时均具显著差异。综上所述,C3处理组对菌丝的促生效果显著高于C2处理组,C2处理组又显著高于C1处理组。在今后实践中可考虑C2处理组,并尝试加入蚁巢中的一些特有、低成本小分子物质。

3 讨论

3.1 YCS中的2个高含量生物活性物质及其标品鉴定

317个蚁巢特有物质(YCS)中,含量居于前二位的物质为桔梗皂苷元(platycodigenin, PLD)、2-羟基戊二酸(2-hydroxyglutaric acid, HGA),其含量分别为6.70、2.64。PLD具有抗肿瘤、抗氧化、抑制细菌生长的功能(付凯 2014),且可调节神经轴突再生和神经元存活,在治疗阿尔茨海默病中起着关键作用(Yang et al. 2019);HGA有助于癌症代谢和氧化应激的特异性改变,同时还诱导T淋巴细胞的分化决策,并作为免疫细胞中的信号信使(Ježek 2020)。考虑到PLD及HGA具有较高的生物活性,利用标准品法对二者进行了鉴定。分别称取platycodigenin及2-hydroxyglutaric acid各1 mg,于10 mL无菌冻存管中,用80%甲醇定容,制备0.1 mg/mL浓度的标准品溶液。上机样品及上机条件见1.4。蚁巢提取物的总离子峰谱TIC、蚁巢样品中2-羟基戊二酸和桔梗皂苷元的相对丰度见图14A-14C;2-羟基戊二酸标准品的总离子峰谱TIC及其相对丰度见图14D-14E;桔梗皂苷元标准品的总离子峰谱TIC及其m/z见图14F-14G。可以看出:2-羟基戊二酸的MF为C5H8O5,MW为148.11,保留时间Rt为10.486;检测MF为C5H9O5,MW为149.12[M+H],Rt为10.378;结合其质谱碎片峰,可以认定Rt为10.486的色谱峰为2-羟基戊二酸。桔梗皂苷元的MF为C30H48O7,MW为520.70,保留时间Rt为12.176;检测MF为C30H49O7,MW为521.83[M+H],Rt为12.364;结合其质谱碎片峰,可以认定Rt为12.176的色谱峰为桔梗皂苷元。
图14 蚁巢(YC)和桔梗皂苷元及2-羟基戊二酸的LC-MS总离子峰谱(TIC)图 A:YC甲醇提取液的TIC;B, C:正离子模式下2-羟基戊二酸及桔梗皂苷元的相对丰度;D, E:2-羟基戊二酸标准品的TIC及相对丰度;F, G:桔梗皂苷元标准品的TIC及相对丰度

Fig. 14 Total ion chromatograph (TIC) of termite nest (YC) and platycodigenin and 2-hydroxyglutaric acid. A: TIC of YC methanol extract; B, C: Relative abundance of 2-hydroxyglutaric acid and platycodigenin in positive ion mode; D, E: TIC and relative abundance of 2-hydroxyglutaric acid standards; F, G: TIC and relative abundance of platycodigenin standards.

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3.2 子实体及蚁巢关联物质的调控通路

将JZS及YCS分别进行KEGG富集分析,二者皆富集到的共有通路有9条,按Degree值的高低,依次为次级代谢产物的生物合成(BSM),甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢,精氨酸和脯氨酸代谢,半胱氨酸和甲硫氨酸代谢,多种植物次生代谢产物的生物合成(PBS),组氨酸代谢,β-丙氨酸代谢,氨基酸的生物合成,ABC转运。9条通路中前7条通路的Degree较高,依次是:26、22、15、15、6、6、5,后两条通路的Degree为2。其中除BSM及PBS两条通路与次级代谢相关外,6条通路皆与氨基酸生物合成及代谢相关。虽然ABC转运通路的Degree值较小,但富集到该通路的物质有7个:甘油、d-木糖、d(+)-纤维二糖、d-海藻糖、1,4-丁二胺、2ʹ-脱氧尿苷、2ʹ-脱氧腺苷,其分别参与到糖代谢、嘧啶及嘌呤代谢中。
GDS显著富集到P<0.05的通路有9条,按Degree值的高低,依次为缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成,氰基氨基酸代谢,氨酰-tRNA生物合成,2-氧代羧酸代谢,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解,氨基酸生物合成,ABC转运,阿特拉津降解,青霉素和头孢菌素生物合成。 9条通路,前5条通路的Degree值依次为9、6、5、5、4,后4条通路的Degree值皆为2。其中6条通路与氨基酸生物合成及代谢相关。富集到ABC转运通路的物质有11个(l-缬氨酸、l-苏氨酸、l-脯氨酸、l-苯丙氨酸、l-异亮氨酸、腺苷、山梨醇、肌苷、左旋肉碱、腺苷、尿苷),其中有5种氨基酸分别参与到氨基酸代谢、糖代谢、嘧啶及嘌呤代谢中。
综上所述,JZS、YCS及GDS富集到18条通路,主要涉及氨基酸生物合成及代谢(ABM)、次级代谢产物的生物合成(BSM)及ABC转运这3大类通路(图15)。18条通路中,Degree较大的12条通路,除两条次级代谢产物的生物合成通路(BSM及PBS)外,其余10条通路皆与ABM有关。BSM通路(Ko01110)是生物体内一条庞大的网络通路,其涉及ABM、氨基酸的生物合成及代谢、糖代谢、脂代谢、维生素的生物合成及代谢等217条代谢通路,还有很多隐藏的及没有研究透彻的通路。这些交互复杂的网络为物质的转运提供了便捷。
图15 JZ及YC中关联物质的调控通路

Fig. 15 Regulatory pathways of associated substances in JZ and YC.

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3.3 子实体及蚁巢的物质关联

蚁巢是培菌白蚁生活的场所,通过白蚁的生命活动,在蚁巢中富集了极其丰富的有机和无机营养成分,如小分子的氨基酸、糖和矿质元素等。蚁巢中丰富的营养及潮湿、黑暗的生长环境,不仅满足了白蚁的生活所需,而且为白蚁伞的生长提供了重要的基质及环境条件(陈实等 2021)。白蚁伞子实体发育过程中需要的营养物质几乎全部来源于蚁巢。白蚁伞的纯培养菌丝在改良PDA培养基上生长缓慢,不会发育成小白球(子实体形成的原基),可能与培养基营养单一有关。
本文的研究结果表明,(1)子实体特有物质(JZS)与蚁巢特有物质(YCS)存在网络关联。以相对含量≥0.5的化合物为例,43个化合物中具有显著相关的化合物有39个(JZS中33个,YCS中10个)。将JZS及YCS进行KEGG富集分析, 29个物质(YCS19个,JZS10个)通过二者共有的9条通路发生了上下游关联。(2)共有显著差异物质(GDS)间存在网络关联。相对含量≥0.5的29个化合物(上调6个,下调23个)中具有显著相关的化合物有19个。KEGG富集分析,11个物质(上调2个,下调9个)通过P<0.05的9条通路发生了上下游关联。
JZS、YCS、GDS富集到18条通路中的40个物质(JZS及YCS,29个;GDS,11个)通过氨基酸生物合成及代谢(ABM)、次级代谢产物的生物合成(BSM)及ABC转运这3大类通路发生关联。其中,16个物质(l-苏氨酸、l-缬氨酸、l-异亮氨酸、l-苯丙氨酸、l-酪氨酸、l-脯氨酸、l-色氨酸、4-氨基丁酸、精胺、褪黑素、N-乙酰-dl-谷氨酸、dl-别胱硫醚、5ʹ-脱氧-5ʹ-硫代甲基酰苷、1,4-丁二胺、l-鹅肌肽、肌肽)与ABM相关;13个物质(姜黄素、葫芦素E、表儿茶素、四环素、开环异落叶松树脂酚、秦皮乙素、滨蒿内酯、原烟碱、6-姜酚、香豆素、链霉素、鹰嘴豆芽素A、王草酚)与BSM相关;11个物质(d-海藻糖、甘油、d-木糖、d(+)-纤维二糖、2ʹ-脱氧尿苷、2ʹ-脱氧腺苷、腺苷、左旋肉碱、肌苷、山梨醇、尿苷)与ABC转运相关。
综上所述,JZS、YCS、GDS中,相对含量≥0.5的72个物质中,具有显著相关的物质有58个(JZS及YCS,39个;GDS,19个);富集到18条通路中的40个物质通过ABM、BSM及ABC转运3大类通路发生关联。这98个物质在子实体及蚁巢中显著或紧密相关,由此推测这些物质对白蚁伞子实体的发育有重要的调控作用。参与氨基酸生物合成及代谢的16个物质及ABC转运的11个物质中,9个氨基酸类物质(l-苏氨酸、l-缬氨酸、l-异亮氨酸、l-苯丙氨酸、l-酪氨酸、l-脯氨酸、l-色氨酸、4-氨基丁酸、精胺)及d-海藻糖、甘油、山梨醇,这些都是常见的、成本低廉的营养物质,可考虑用于纯培养的培养基中,这为通过培养基优化进行白蚁伞的人工培养奠定了理论基础。

3.4 氨基酸及糖类物质和蚁巢水溶性活性物质对白蚁伞菌丝体的促生作用

氨基酸及糖是生物体内基础生命活动及代谢所需的两大重要基质,其在调节机体的生长、发育和防御反应中起着关键的作用。在JZS、YCS及GDS中,富集到的18条共有通路,有12条与氨基酸生物合成及代谢相关,2条与ABC转运中糖的生物合成及代谢相关。富集到所有通路(包括非共有通路)中的11种氨基酸(l-苯丙氨酸、l-异亮氨酸、l-酪氨酸、l-脯氨酸、l-苏氨酸、l-缬氨酸、l-色氨酸、l-亮氨酸、l-谷氨酸、l-鸟氨酸、亮脯氨酸)及6种糖类物质(蔗糖、山梨醇、麦芽糖、木糖、海藻糖、甘油),除脯氨酸在子实体中上调外,其余10种氨基酸及6种糖类物质在蚁巢中极显著上调或特有。选取了前9种氨基酸及3种糖源(蔗糖、山梨醇、海藻糖),初步探讨了混合氨基酸、3种糖类物质、蚁巢水溶性活性物质对纯培养皱皮粗柄白蚁伞菌丝体的促生作用。
结果表明,在单因素实验中,每升培养基加入0.2-0.6 g的9种复合氨基酸,20 g葡萄糖+5 g蔗糖(山梨醇、海藻糖)、50-150 mL蚁巢水提液,对菌丝的生长都有显著地促进作用。3组比较实验表明,虽然添加150 mL蚁巢水提液对菌丝的促生效果显著优于复合氨基酸及糖处理组、复合氨基酸处理组,但考虑到蚁巢资源的稀少,在今后实践中可考虑复合氨基酸及糖处理组,并尝试加入蚁巢中的一些特有、低成本小分子物质,以筛选出更优的培养基。在人工食用菌培养中,常通过添加氨基酸促进菌丝的生长量,如外源氨基酸可以显著促进香菇菌丝生长,促进生长率可达到27.3% (常婷婷等 2022)。杨焕玲等(2019)发现添加外源海藻糖的培养基提高了皱环球盖菇、斑玉蕈菌丝生长速度及其生物量。山梨醇用于菌物培养的研究目前尚未见报道。

作者贡献

王成凤:论文撰写、作图;刘夏:作图;张曦予:采样;董杰:实验、数据管理;张实润:实验、数据管理;杨晓敏:实验;吕为:软件分析;刘佳艳:实验;李宗菊:实验指导、写作指导。

利益冲突

作者声明,该研究不存在任何潜在利益冲突的商业或财务关系。

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摘要
Fruiting body samples of 10 species of Termitomyces grown in different regions of Sichuan province were analyzed for their amino acid composition using amino acid auto analyzer and Se content using atomic fluorescence spectrometer. The results showed that the contents of total amino acids and essential amino acids were 15.92%-28.86% and 7.08%-10.20%, respectively in the fruiting bodies of the investigated species of the genus Termitomyces. The fruiting bodies of T.albuminosus, T. robustus, T. badius, T. microcarpus, T. schimperi and T. heimi exhibited a total amino acid content of more than 20% and the contents of total amino acids and essential amino acids in T. heimii fruiting bodies were 28.86% and 10.20%, respectively. Besides, Se content of Termitomyces fruiting bodies was 3-18 times higher than that of Xerula radicata, and the Se content of T. badius was (1.2286 ± 0.0340)μg/g. It could be concluded that the 10 investigated species of Termitomyces grown in Sichuan province are rich in a variety of amino acids and Se and are highly nutritious.
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高通量代谢组学研究的一大难点在于数据的处理和分析。为分析和处理此类数据,各种生物信息学工具应运而生。这些工具能够对复杂高维的数据集进行预处理、物质鉴定、统计分析和结果解释等。该文以代谢组学数据处理与分析的整体流程和方法为基础,对现阶段一些常用的代谢组学全功能软件进行归纳整理,并对4种代表性软件作详细介绍和对比,为代谢组学研究提供工具选择和方法学参考。
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基金

国家自然科学基金(31560575)
云南省自然科学基金(2014FA020)
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