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UMI絕對(duì)定量轉(zhuǎn)錄組+代謝組聯(lián)合研究β-葡萄糖苷酶抑制劑在草菇采后貯藏中的應(yīng)用前景

2022-02-08

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Postharvest Biology and Technology

影響因子:5.537

文章題目:The promising application of aβ-glucosidase inhibitor in the postharvest management of Volvariella volvacea

技術(shù)手段:UMI絕對(duì)定量轉(zhuǎn)錄組,qPCR,LC-MS非靶向代謝

派森諾上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院攜手合作,于近期在《Postharvest Biology and Technology》上發(fā)表了β-葡萄糖苷酶抑制劑在草菇采后管理中應(yīng)用的研究成果。

草菇(Volvariella volvacea)又稱蘭花菇,味道鮮美,營(yíng)養(yǎng)豐富,脂質(zhì)含量低。低溫貯藏是大多數(shù)食用菌保存和運(yùn)輸?shù)某R?guī)方法。然而,在傳統(tǒng)的保存溫度(4℃)下,草菇會(huì)變軟、液化,甚至腐爛,這種現(xiàn)象被稱為“低溫自溶”。草菇的低溫自溶限制了這種商業(yè)栽培蘑菇的采后貯藏和銷(xiāo)售。已有研究表明,UBEV2特異性泛素結(jié)合酶E2 (UBEV2)(L345-0044)是一種有效防止低溫自溶的抑制劑。然而L345-0044作為食品防腐劑的安全性是有爭(zhēng)議的。因此,尋找一種更為安全的保存草菇的食品添加劑是十分必要的。

本研究采用絕對(duì)定量轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)方法,分析在4℃條件下L345-0044處理后草菇子實(shí)體的基因和代謝產(chǎn)物變化,并揭示UBEV2介導(dǎo)的酶通路。本文提供了一種更為安全的方法來(lái)管理草菇的采后貯藏,并有望應(yīng)用于商業(yè)栽培模式。


研究路線

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研究結(jié)果


1.草菇子實(shí)體的UMI絕對(duì)定量轉(zhuǎn)錄組

對(duì)草菇樣本進(jìn)行UMI絕對(duì)定量轉(zhuǎn)錄組分析。結(jié)果顯示,0H_vs_24H中有5255個(gè)差異表達(dá)基因(DEGs),0H_vs_L24H中有5313個(gè)差異表達(dá)基因,24H_vs_L24H中有1218個(gè)差異表達(dá)基因(圖2A)。主成分分析顯示,0H、24H和L24H組內(nèi)具有很好的重復(fù)性并且組間可以明顯的分開(kāi)(圖1B)。Venn分析顯示,0H_vs_24H、0H_vs_L24H、24H_vs_L24H比較組間共有889個(gè)差異重疊基因(圖1C)。

DEGs的Heatmap分析顯示,L345-0044處理顯著影響了24H和L24H組的基因表達(dá) (圖1D)。KEGG通路富集分析表明,0H_vs_24H中上調(diào)的DEGs富集在過(guò)氧化物酶體、吲哚生物堿生物合成和丙酸代謝通路。0H_vs_24H中下調(diào)的DEGs在核糖體、蛋白酶體和嘌呤代謝通路富集。0H_vs_L24H中上調(diào)的DEGs在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的過(guò)氧化物酶體和蛋白質(zhì)加工以及纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的降解通路富集。0H_vs_L24H中下調(diào)的DEGs在核糖體、蛋白酶體、淀粉和蔗糖代謝通路富集。24H_vs_L24H中DEGs在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工通路顯著富集(圖1E)。24H_vs_L24H中上調(diào)的DEGs在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工、蛋白分泌和N-聚糖生物合成通路富集。24H_vs_L24H中表達(dá)下調(diào)的DEGs在淀粉和蔗糖代謝、酵母減數(shù)分裂以及果糖和甘露糖代謝通路富集。以上結(jié)果表明,L345-0044處理影響了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工通路。

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圖1草菇子實(shí)體的絕對(duì)定量轉(zhuǎn)錄組分析


2.草菇子實(shí)體的非靶向代謝組學(xué)

采用LC-MS/MS方法檢測(cè)18個(gè)草菇子實(shí)體(0H、24H和L24H每組各6個(gè))的代謝物。基峰色譜圖(BPC)表明,在正負(fù)離子模式下,3組樣本差異明顯(圖2A和B),說(shuō)明L345-0044處理影響了草菇在CS脅迫下的代謝過(guò)程。根據(jù)p值≤0.05,VIP≥1的標(biāo)準(zhǔn)篩選差異代謝物,在正離子模式下0H_vs_24H中有3106個(gè)代謝物上調(diào),2134個(gè)代謝物下調(diào)。在0H_vs_L24H中有586個(gè)代謝物上調(diào),1949個(gè)代謝物下調(diào)(圖2C)。負(fù)離子模型也有類(lèi)似的結(jié)果(圖2D)。QC分析表明儀器穩(wěn)定性良好,數(shù)據(jù)可靠。OPLS-DA分析顯示組間可以明顯分開(kāi),進(jìn)一步證實(shí)L345-0044在CS處理下影響了草菇的代謝過(guò)程(圖2E)。

利用MetPA數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)0H_vs_24H中上調(diào)的代謝物進(jìn)行通路富集分析,篩選出5條顯著富集通路(Impact >1),包括亞油酸代謝和精氨酸生物合成。通過(guò)對(duì)0H_vs_24H中下調(diào)的差異代謝物進(jìn)行通路分析,篩選出7條顯著富集通路,如酮體的合成降解、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸生物合成、果糖和甘露糖代謝。通過(guò)對(duì)0H_vs_L24H中下調(diào)的差異代謝物進(jìn)行通路分析,篩選出4條顯著富集通路,如酮體的合成和降解和谷胱甘肽代謝。

Heatmap分析顯示,L345-0044處理后L-酪氨酸、左旋多巴、纖維二糖、D-葡萄糖1-磷酸、乙酰乙酸和酪胺化合物的表達(dá)顯著上調(diào)(P< 0.05)(圖3A)。通過(guò)對(duì)24H_vs_L24H中上調(diào)的差異代謝物進(jìn)行富集分析,篩選出6條顯著富集的通路,如酮體的合成和降解、淀粉和蔗糖代謝、丁酸代謝(圖3B)。對(duì)24H_vs_L24H中下調(diào)的差異代謝物進(jìn)行富集分析,篩選出5條顯著富集的通路,如亞油酸代謝和苯丙氨酸代謝(圖3C)。

以上結(jié)果表明L345-0044處理顯著影響了酪氨酸代謝、淀粉和蔗糖代謝通路,并提高了參與這些通路的L-酪氨酸、左旋多巴、纖維二糖、D-葡萄糖1-磷酸和酪胺的含量。

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圖2草菇子實(shí)體的非靶向代謝組學(xué)分析

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圖3顯著差異代謝物(SDMs)的熱圖和KEGG富集分析


3.代謝組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析

對(duì)24H_vs_L24H中SDMs和DEGs進(jìn)行相關(guān)性分析 (圖4A)。EC注釋顯示,酪氨酸酶和β-葡萄糖苷酶是相關(guān)性最強(qiáng)的兩種酶(圖4B)。24H_vs_L24H中上調(diào)的相關(guān)DEGs在糖酵解/糖異生和丙酮酸代謝通路富集(圖4C)。24H_vs_L24H中下調(diào)的相關(guān)DEGs在氨基糖和核苷酸糖代謝以及淀粉和蔗糖代謝通路富集(圖4C)。

24H_vs_L24H中相關(guān)SDMs(>3)的熱圖分析顯示,L-酪氨酸、左旋多巴和D-葡萄糖1-磷酸顯著上調(diào)(圖4D)。通過(guò)對(duì)24H_vs_L24H中相關(guān)的SDMs進(jìn)行通路富集分析,篩選出5條顯著富集的通路,如酮體的合成和降解、酪氨酸代謝、淀粉和蔗糖代謝、丁酸代謝(圖4E)。通路(ko00350)顯示,L-酪氨酸(C00082)、酪胺(C00483)、左旋多巴(C00355)和乙酰乙酸(C00164)參與了酪氨酸的代謝。L-酪氨酸在酪氨酸酶作用下形成左旋多巴和多巴醌,表明酪氨酸酶在低溫自溶中的作用。通路(Ko00500)顯示D-葡萄糖1-磷酸 (C00103)和纖維二糖(C00185)參與淀粉和蔗糖的代謝。此外,β-葡萄糖苷酶催化纖維二糖水解生成D-葡萄糖,表明β-葡萄糖苷酶在低溫自溶過(guò)程中的作用。

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圖4 24H_vs_L24H組DEGs與SDMs的相關(guān)性分析


4.酪氨酸酶和β-葡萄糖苷酶的表達(dá)及活性驗(yàn)證

酪氨酸酶的熱圖分析如圖5A所示。在24H中,只有VVO_03657表達(dá)上調(diào)。qPCR也證實(shí)了VVO_03657在24H中異常高表達(dá)(圖5B)。通過(guò)分子模擬獲得VVO_03657的三維結(jié)構(gòu),VVO_03657與A. bisporus tyrosinase (PDB code:4OUA)的序列一致性達(dá)到了23%。酪氨酸酶活性驗(yàn)證顯示L24H組的酶活性最低(圖5C),說(shuō)明L345-0044處理降低了酪氨酸酶活性。酪氨酸酶WB分析顯示CS降低了L24H中酪氨酸酶的含量(圖5H),說(shuō)明L345-0044處理抑制了酪氨酸酶的表達(dá)。

β-葡萄糖苷酶的熱圖分析顯示,L345-0044處理后L24H中β-葡萄糖苷酶的表達(dá)下調(diào)(圖5D)。我們重點(diǎn)研究了一些在24H中表達(dá)上調(diào)的β-葡萄糖苷酶基因,qPCR也證實(shí)其在24H表達(dá)上調(diào),尤其是BGVV1 (VVO_08574)高度表達(dá)(圖5E)。β-葡萄糖苷酶的活性驗(yàn)證表明,酶活性的均值在24H時(shí)最高(圖5F)。利用SignalP 5.0進(jìn)行蛋白信號(hào)肽預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)BGVV1具有信號(hào)肽的概率為93.193%,表明BGVV1是一種胞外酶。通過(guò)分子模擬獲得BGVV1的三維結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)BGVV1與水稻β-葡萄糖苷酶(3GNR)的序列一致性達(dá)到31%(圖5G)。β-葡萄糖苷酶的WB實(shí)驗(yàn)表明,大約70-kD的條帶在24H組消失(圖5H),BGVV1的分子量為71.35 kDa。上述結(jié)果表明,CS脅迫在24H時(shí)促進(jìn)胞外β-葡萄糖苷酶的分泌,如BGVV1。

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圖5 酪氨酸酶和β-葡萄糖苷酶的表達(dá)及活性驗(yàn)證


5.防凍試驗(yàn)

我們證實(shí)了GCase可以通過(guò)抑制β-葡萄糖苷酶的活性來(lái)提高草菇的CS耐受性。但是,GCase的食品安全問(wèn)題限制了其在食品保鮮中的應(yīng)用。DGase作為食品添加劑也是β-葡萄糖苷酶的有效抑制劑。防凍實(shí)驗(yàn)表明,在CS脅迫時(shí),用DGase浸泡過(guò)的草菇子實(shí)體形狀更飽滿、顏色更亮、硬度更大,明顯優(yōu)于H2O處理。

CS脅迫48h后,與H2O相比,DGase處理后子實(shí)體形狀保持較好。而且DGase價(jià)廉易得,可廣泛用于草菇子實(shí)體的低溫保存。

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圖6 草菇子實(shí)體的防凍試驗(yàn)


結(jié)論

本研究采用UMI絕對(duì)定量轉(zhuǎn)錄組分析和代謝組學(xué)方法,在4℃條件下對(duì)UBEV2抑制劑處理的草菇子實(shí)體的基因和代謝物進(jìn)行差異分析。多組學(xué)結(jié)果表明,L345-0044處理增強(qiáng)了24H_vs_L24H中酪氨酸代謝、淀粉和蔗糖代謝。24H_vs_L24H中DEGs和SDMs的相關(guān)性分析表明,酪氨酸酶和β-葡萄糖苷酶是相關(guān)性最強(qiáng)的兩種酶,分別參與酪氨酸代謝、淀粉和蔗糖代謝通路。qPCR證實(shí)胞外BGVV1和VVO_03675高度表達(dá)。WB和酶活實(shí)驗(yàn)表明,CS可誘導(dǎo)胞外BGVV1的分泌,并提高酪氨酸酶和β-葡萄糖苷酶的活性。防凍試驗(yàn)和酶活實(shí)驗(yàn)表明,β-葡萄糖苷酶和酪氨酸酶抑制劑可以通過(guò)降低酪氨酸酶和β-葡萄糖苷酶的活性來(lái)提高草菇的CS耐受性。DGase作為一種廉價(jià)的食品添加劑,可廣泛用于草菇的保鮮貯藏。


本研究的UMI絕對(duì)定量轉(zhuǎn)錄組和LC-MS非靶向代謝組均由上海派森諾生物科技有限公司完成。



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