黄色Monascus菌色素生产过程中果糖和硫酸铵偏好调控的机制：一项代谢组学和蛋白质组学研究

《Food Bioscience》：Mechanism of fructose and ammonium sulfate preference regulation in yellow Monascus pigment production: a metabolomic and proteomic study

本研究通过形态学、细胞状态、色素产量、代谢组学和蛋白质组学分析，揭示了葡萄糖和硫酸铵协同促进Monascus pilosus MS-1黄色色素合成的分子机制，包括提高NAD+水平、减少ROS积累、增强糖代谢和氨基酸代谢通路，以及硫代谢和能量代谢相关蛋白的上调。

　　

Xianjin Liu|Wei Zou|Bin Xie|Yufan Zhang|Haolan Han|Xiang Yu|Jun Liu|Yiwen Sun|Yuanliang Hu|Yanli Feng

湖北省食用野生植物保护与利用重点实验室，湖北师范大学生命科学学院，中国湖北省黄石市，435002

摘要

Monascus色素（MPs）根据颜色可分为三类：红色、橙色和黄色。MPs的颜色分类受碳源和氮源的影响，但其调控机制仍不清楚。本研究通过分析菌落和菌丝形态、细胞状态、MPs产量、代谢组学和蛋白质组学，阐明了果糖和硫酸铵如何驱动黄色MPs的偏向性生物合成。在发酵过程中添加果糖和硫酸铵显著促进了M. pilosus MS-1的生长，提高了细胞内NAD⁺水平，增强了细胞完整性，并减少了活性氧（ROS）的积累。此外，MS-1的生物量和黄色MPs产量分别比对照组高出3.2倍和12.4倍。代谢组学分析显示，实验条件下MS-1中的抗坏血酸、D-半胱氨酸和UDP-葡萄糖醛酸水平升高，这些成分主要与碳水化合物代谢、氨基酸生物合成和维生素代谢途径相关。蛋白质组学分析发现了参与MPs生物合成和能量代谢的上调蛋白，特别是与硫代谢相关的成分，包括谷胱甘肽合成酶、磷酸化蛋白、氧化还原调节因子和ATP结合蛋白。这些成分与氨基酸生物合成、聚酮化合物合成和碳代谢途径存在功能耦合。

引言

Monascus属微生物被归类为具有药用和食用双重功能的传统 Chinese 微生物资源，常用于生产“红曲米”（Chen et al., 2019）。Monascus属微生物在生长过程中能合成多种有益的次级代谢产物，包括单曲菌素K（MK）、Monascus色素（MPs）和γ-氨基丁酸（Zhang et al., 2025）。MPs是一系列含有偶氮菲酮骨架的聚酮化合物，根据颜色可分为红色、橙色和黄色三类（Chen et al., 2019）。其中，黄色MPs因市场需求大和多种生理功能而受到关注（Nie et al., 2023）。黄色MPs的化学结构具有抗氧化活性（Gong et al., 2023）和降脂活性（Li et al., 2025）等特性。

除了优化产量和生产周期外，定向合成MPs（尤其是单色变体，如黄色或红色色素）仍是工业发展的关键挑战。研究表明，MPs的产生和颜色不仅受基因簇表达的影响，还受细胞内环境因素（如前体物质、能量、运输和调控机制）的影响（Xiong et al., 2025）。通过优化培养基和培养条件，可以生产出具有不同颜色特性的MPs混合物（例如黄色、橙色、红色）（Chen et al., 2019）。碳源和氮源对MPs的颜色和定向生物合成具有调控作用（Jiang et al., 2023; Liu et al., 2021）。无机氮源比有机氮源更有效地促进黄色MPs的产生。Monascus属微生物对有机氮源（蛋白胨、酵母提取物、大豆蛋白分离物）的蛋白水解会产生氨基酸，这些氨基酸与橙色MPs反应，使其转化为红色MPs，从而减少黄色MPs的生物合成（Yin et al., 2022）。然而，其具体作用机制尚未完全阐明。

近年来，代谢组学凭借其强大的分析能力解决了这些问题（Liu et al., 2025）。通过KEGG通路富集分析发现，氯化铵抑制了多种氨基酸（精氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、丝氨酸和苏氨酸）的代谢以及氨基酰-tRNA的生物合成（Liu et al., 2021）。代谢组学分析表明，细胞内氨基酸调节红色MPs的生物合成，而核苷酸生物合成途径影响橙色/黄色MPs的产生（Huang et al., 2021）。蛋白质组学分析显示，培养基中添加硝酸盐通过上调MPs合成酶和氧化还原酶，提高了水溶性MPs的产量，从而加速了其生物合成（Huang et al., 2023）。

本研究通过分析菌落和菌丝形态、细胞状态、MPs产量、代谢组学和蛋白质组学，阐明了果糖和硫酸铵如何驱动M. pilosus MS-1中黄色MPs的偏向性生物合成。

菌株、化学试剂和培养基

M. pilosus MS-1（CCTC CM2013295，中国典型培养物保藏中心）是从红曲米中分离得到的菌株，具有高产量且不含柠檬霉素的特性。该菌株在接种前在马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基上30°C培养了10天。

主要实验试剂：MgSO₄、K₂HPO₄、KCl、FeSO₄、(NH₄)₂SO₄和葡萄糖购自中国上海的Sinopharm集团有限公司；蔗糖、果糖、谷氨酸钠和琼脂购自上海

菌落和菌丝形态分析

MS-1在PDA培养基上的菌落表面呈橙红色，边缘呈橙黄色，菌丝密集，边缘平坦，中心略微隆起。MS-1在合成培养基中的生长较慢，形成的菌落较小，正面呈白色，背面呈红色，菌丝稀疏（图1A）。MS-1在优化培养基中的生长最快，形成的菌落呈放射状扩展，表面呈橙红色，菌丝尖端略微隆起，与先前的观察结果一致。

显著

讨论

初步研究表明，合成培养基中的果糖（108.10 g/L）和硫酸铵（29.20 g/L）优先诱导了MS-1产生黄色MPs。与对照组相比，在促进黄色MPs产生的培养基中培养的MS-1生长更快，菌丝分支频率更高，菌丝直径更大。此外，在后期发酵阶段细胞完整性也得到提高。在优化培养基中培养的MS-1表现出更优的生长

结论

本研究通过多组学分析表明，果糖和硫酸铵增强了M. pilosus MS-1中黄色MPs的生物合成。这些添加剂显著提高了微生物生长（生物量增加3.2倍）、黄色MPs产量（增加12.4倍）、细胞内NAD⁺水平，并减少了ROS的积累。代谢组学分析显示，抗坏血酸、D-半胱氨酸和UDP-葡萄糖醛酸水平升高，这些成分主要与碳水化合物代谢、氨基酸生物合成相关

CRediT作者贡献声明

Xianjin Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，概念构思。Wei Zou：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，概念构思。Bin Xie：撰写 – 原稿撰写，方法学研究，实验设计，概念构思。Yufan Zhang：撰写 – 原稿撰写，软件应用，数据分析。Haolan Han：撰写 – 原稿撰写，软件应用，数据分析。Xiang Yu：撰写 – 审稿与编辑，指导。Jun Liu：撰写 – 审稿与编辑。Yiwen Sun：撰写 – 审稿与

资助

本研究得到了湖北省中央政府指导的地方科技发展项目（项目编号：2025CSA104、2025BSB020）；湖北省“双百计划”科技创新项目（项目编号：2025EIA078）；湖北师范大学研究生创新基金（项目编号：2024Y084）的支持。

利益冲突声明

作者声明与本手稿所述工作无任何利益冲突。