科研新知|靈芝的時空組學與靈芝酸生物合成探秘
2025-05-09
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靈芝/鐵皮石斛國際標準主導制定單位 股票代碼：603896
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靈芝，是被譽為“仙草”的藥食兩用珍品，在中醫藥的浩瀚歷史中已流傳了2000多年。它因其獨特的基因組小、生長周期短以及遺傳體系完善等特點，成為了科學家們研究真菌發育與天然產物代謝合成的“明星”藥用模式真菌。
近期，壽仙谷與東北林業大學、中國中醫科學院中藥研究所等多家單位合作，在中國工程院院刊《Engineering》（IF：10.1）上發表了一項研究成果。他們利用先進的時空多組學技術，成功揭開了靈芝酸生物合成的神秘面紗。
為了搞清楚靈芝酸在靈芝體內的分布情況，研究團隊使用MALDI質譜成像技術，清晰地捕捉到靈芝在不同成熟階段，其原基和子實體中24種靈芝酸類化合物的精確位置。研究發現這些靈芝酸類化合物特別喜歡“扎堆”在靈芝的皮殼層。
圖1：靈芝酸的空間分布
研究團隊又完成了靈芝的端粒到端粒（T2T）水平單倍體基因組精細圖譜的繪制。這就像是給靈芝的基因組拍了一張超級詳細的“全家福”。基于這張“全家福”，他們首次繪制出了靈芝子實體的單細胞轉錄組圖譜，就像是給靈芝的每個細胞都做了一個“身份證”。通過這些“身份證”，他們將靈芝的子實體細胞分為了6種類型，包括皮殼層外層、皮殼層中層、皮殼層內層、菌肉層、菌管層和孢子。并且發現，那些已知的靈芝酸生物合成基因，在靈芝皮殼層外層中表現得尤為活躍。
圖2： 靈芝子實體的單細胞轉錄組及發育軌跡研究
此外，研究團隊還重構了靈芝子實體的發育軌跡，就像是給靈芝的成長過程拍了一部“紀錄片”。他們發現，靈芝酸的皮殼層三層結構是從皮殼層外層逐漸發育而來的，這與實際靈芝栽培過程中觀察到的皮殼層增厚、分層現象完全一致。這一發現進一步揭示了靈芝酸的合成與靈芝子實體發育之間的緊密聯系。
在深入探索靈芝酸生物合成的過程中，研究團隊還鑒定到了一個新的關鍵酶——CYP450酶。這個酶能夠催化生成丹芝酸E和F。其中，丹芝酸F是新發現的一種靈芝酸類化合物，體外藥理活性實驗證實它具有抗癌活性，這為靈芝酸藥物的開發提供了新的希望。
圖3： 靈芝酸生物合成新穎酶CYP512A3的發現及功能研究
更令人興奮的是，研究團隊還實現了羊毛甾醇、靈芝酸中間體HLDOA、丹芝酸E和F等在米曲霉底盤系統中的高效合成，并申請了相關專利。這一成果為靈芝酸的綠色生物制造研究提供了重要的數據支撐和技術基礎。
這項研究不僅為我們揭示了靈芝酸生物合成的復雜網絡，還為靈芝酸藥物的開發及資源可持續利用奠定了堅實的理論基礎。隨著科學研究的不斷深入，相信靈芝這味“仙草”將會為我們帶來更多的驚喜和福祉。
東北林業大學生命科學學院都昱朋、彭爽，澳門大學中華醫藥研究院陳虹果，中國中醫科學院中藥研究所李俊為論文的共同第一作者。東北林業大學生命科學學院徐志超、劉成偉、壽仙谷植物藥研究院李振皓、中國中醫科學院中藥研究所孫偉為該論文的共同通訊作者。埃及開羅大學Mohamed A. Farag教授、日本靜岡大學Hirokazu Kawagishi教授、Jing Wu教授等參與指導該工作。該研究工作得到了國家重點研發計劃（No. 2023YFC3504104、No. 2024YFD2100701）、國家自然科學基金（No. 32370069）、浙江省自然科學基金杭州區域創新發展聯合基金（No. LHZSZ24H280003）、浙江省農業新品種選育重大科技專項（No. 2021C02073）以及中央引導地方科技發展資金項目（No. 2024ZY01009）的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.03.030
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