综合分析揭示了双孢蘑菇（Agaricus bisporus）栽培过程中的包膜层动态变化，以及假单胞菌Pseudomonas putida AT130对蘑菇生长的促进作用

《Food Bioscience》：Integrative analysis reveals casing layer dynamics during Agaricus bisporus cultivation and the growth promoting effect of Pseudomonas putida AT130

本研究通过微生物组测序、非靶向代谢组学和功能基因组学，解析了Agaricus bisporus casing layer 中微生物群落动态变化与代谢特征，揭示了拟杆菌属（Pseudomonas）AT130菌株通过磷酸溶胀、钾动员及吲哚-3-乙酸合成等基因簇促进蘑菇产量（提高123.55%）和营养价值（蛋白质、可溶性糖增加，灰分降低）的机制。

　　

李洪图|席俊杰|钟华宇|严晓明|莫同同|陈秦|穆东东|吴学锋|李行江

合肥工业大学食品与生物工程学院，中国安徽省合肥市230009

摘要

双孢蘑菇是最广泛食用的食用蘑菇，也是膳食蛋白质和生物活性化合物的重要来源。其菌盖层在其生长过程中起着关键作用，微生物群落和代谢活动对产量和质量有显著影响。然而，目前仍存在研究空白：尚不清楚菌盖层中哪些微生物和代谢变化与子实体形成及后续品质形成相关。本研究通过结合微生物组测序、非靶向代谢组学和功能基因组学，探讨了蘑菇品质形成的生态和代谢基础。研究发现，微生物群落在子实体形成期间表现出阶段特异性动态变化，此时群落凝聚力和生态位宽度达到最高水平（分别为0.68 ± 0.06和4.48 ± 1.05）。通过代谢组学分析共鉴定出1,108种非挥发性代谢物，其中腺苷和色氨酸发生了显著变化，并富集在能量和氨基酸代谢途径中。从假单胞菌属中分离出一种代表性菌株Pseudomonas putida AT130。基因组分析揭示了与该菌株相关的磷酸盐溶解、钾迁移、木质素降解和吲哚-3-乙酸生物合成相关基因簇，其多功能性通过体外实验得到验证。盆栽实验表明，接种AT130可提高蘑菇产量（增加123.55%），并改善营养特性（蛋白质和可溶性糖含量增加，灰分减少）。这些发现将菌盖层微生物群与蘑菇品质联系起来，并证实AT130是一种有前景的食品级生物制剂，可用于提升双孢蘑菇的营养价值和产量。

引言

双孢蘑菇作为全球产量最大的食用蘑菇，具有显著的营养价值（Ka?a等人，2021年）。由于其对集约化全年生产系统的良好适应性、较短的生命周期以及高效的生物转化能力，它已成为农业废弃物高值利用的重要途径，对农业经济贡献显著（Carrasco等人，2020年）。双孢蘑菇的商业化栽培是一种环境可控的生物转化系统：首先将有机材料发酵成适宜的培养基（Carrasco等人，2018年），接种后菌丝体完成定殖并形成菌盖层。菌盖层的形成受CO₂浓度和温度等环境因素的精确调控（Baars等人，2020年）。菌盖层是双孢蘑菇菌丝体从营养生长阶段向生殖生长阶段转变的关键界面，它不仅提供了适宜的湿度、气体交换和物理支撑环境，更重要的是，其活跃的生物界面被认为是触发和调控子实体发育的关键因素（Wang等人，2023年）。因此，菌盖层内的微生物生态活动成为理解和控制双孢蘑菇子实体形成过程的核心研究焦点。

菌盖层通常由泥炭、石灰和其他辅助材料组成（Kumar等人，2022年）。其中嵌入的微生物群落通过复杂的种间相互作用、代谢物交换和信号分子网络影响子实体的诱导、分化和后续发育（Deveau等人，2018年；Pawlowska，2024年）。在双孢蘑菇的整个栽培过程中，菌盖层的微生物多样性显著高于其他部分，尤其是假单胞菌科成员数量较多（Ga-Hee Ban等人，2023年）。此外，分析菌盖层生态界面上的动态微生物群落发现黄杆菌属占主导地位。Bdellovibrio和假单胞菌等群体的相对丰度在栽培周期中显著增加，尤其是假单胞菌从早期非优势菌属转变为第二次出菇期的优势菌属（Carrasco等人，2019年）。在莫尔切拉菇的子实体发育过程中，菌盖层中的假单胞菌和黄杆菌等核心细菌群被确认为细菌网络的关键组成部分（Benucci等人，2019年）。这些发现突显了菌盖层细菌在真菌发育中的关键作用。同时，土壤中的微生物群持续分泌和转化各种代谢物，微妙地塑造其内部生化微环境（Cheng等人，2022年）。不同生长阶段的作物代谢物组成和多样性存在差异（Steinauer等人，2023年；Vives-Peris等人，2020年）。在微生物生态系统中，可扩散的信号分子是微生物间常见的化学通信方式，例如群体感应在细菌-真菌相互作用中起关键作用，帮助细菌规避和抑制真菌防御机制，从而维持与真菌的共生关系（Wongsuk等人，2016年）。细菌促进真菌生长的核心机制之一是释放特定或共同的生长因子：假单胞菌 P7014株分泌的吲哚-3-乙酸可促进平菇的生长（Kang & Cho，2014年），Paenibacillus peoriae M48F株分泌的2,5-二异丙基吡嗪可显著刺激平菇菌丝体的生长（Orban等人，2023年）。这种机制对微生物群与宿主食用真菌之间的通信至关重要，直接影响菌丝体定殖和子实体形成等关键生理过程。

在农业土壤系统中，整个微生物群落可通过综合功能效应调节养分循环和代谢信号分子的释放。假单胞菌作为一种促进双孢蘑菇生长的细菌（MHB），具有诸多有益作用：一方面，该菌株可分泌拮抗性代谢物，参与生态位竞争并诱导宿主防御反应，有效抑制潜在病原体和竞争性微生物的增殖，从而减轻生物胁迫对双孢蘑菇生长和发育的负面影响（Lv等人，2023年）；另一方面，菌盖层中的假单胞菌所含的ACC脱氨酶可促进双孢蘑菇子实体的形成（Zhang等人，2019年）。此外，在菌盖层的养分循环过程中，假单胞菌可通过有机酸介导的磷酸盐溶解提高磷的生物利用度，从而改善培养基中的矿物质含量，促进双孢蘑菇子实体的发育（Singh等人，2024年）。然而，这些复杂的群落相互作用如何在双孢蘑菇的不同发育阶段动态变化，以及它们与子实体形成和品质形成的关联程度仍不清楚。具体而言，（1）菌盖层细菌群落的阶段依赖性更替和重组；（2）随发育过程重塑的关键非挥发性代谢物及其潜在的生理学关联；（3）具有生长促进作用的代表性菌株的功能基因组基础及其与原位群落-代谢物模式的关联尚未明确。因此，本研究结合了微生物组测序、非靶向代谢组学和功能基因组学分析，并通过体外实验进行验证，旨在：（1）揭示菌盖层细菌群落的动态更替模式和组成；（2）描述菌盖层的代谢组特征及其与宿主生理过程的潜在联系；（3）阐明假单胞菌 AT130的功能基因组特征及其促进双孢蘑菇在菌盖层中生长的分子机制。

双孢蘑菇的栽培条件及菌盖层样本采集

双孢蘑菇的商业化栽培在安徽省阜阳市富南县的一家农产品公司进行（东经115°，北纬32°）。将双孢蘑菇菌种与发酵培养基混合后均匀撒在培养床上，并覆盖5-5.5厘米厚的菌盖层（含水量75%，pH值7.5）。在初始栽培阶段，培养室温度维持在17-19°C，湿度为96-98%。第四天时...

双孢蘑菇发育过程中菌盖层中的微生物更替

Adonis分析显示，双孢蘑菇不同生长阶段的菌盖层微生物群落结构存在显著差异（R² = 0.277，p = 0.001）。基于栽培条件的动态控制和Bray-Curtis距离算法的PCoA分析，将双孢蘑菇的生长过程分为三个阶段：早期（第1阶段，D0-D4）、中期（第2阶段，D8-D13）和晚期（第3阶段，D17-D21）（图1A）。ASV分析进一步表明...

双孢蘑菇发育对菌盖层细菌群落结构的影响

研究双孢蘑菇发育过程中的微生物群落组装机制和生态组装原理，有助于深入理解真菌-细菌的协同进化，并为微生物资源在农业生产中的精准应用提供实践指导（Sessitsch等人，2019年；Trivedi等人，2020年）。研究发现，双孢蘑菇菌盖层中的细菌群落结构和组成发生了...

结论

本研究系统分析了双孢蘑菇菌盖层中微生物群落和代谢物的动态更替模式。结果表明，细菌群落在发育过程中经历阶段特异性更替，代谢物谱型发生显著重塑。腺苷和色氨酸等关键分子参与了养分转化和信号传导。结合基因组和功能验证，发现假单胞菌...

CRediT作者贡献声明

陈秦：数据可视化、软件处理。席俊杰：软件处理、方法学设计、数据分析。钟华宇：软件处理、数据分析。严晓明：数据分析、数据管理。莫同同：方法学设计。李行江：文章撰写、审稿与编辑、资源协调、项目管理、资金争取。李洪图：文章撰写、初稿撰写、方法学设计、实验设计、数据分析、概念构建。穆东东：文章撰写、审稿与编辑、概念构建。吴学锋：文章撰写...

未引用参考文献

Chaparro等人，2014年；Ga-Hee等人，2023年。

资助

本研究得到了安徽省重点科技项目（202423m10050005）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。