《Food Microbiology》：Metabolomic insights into homogentisic acid-mediated regulation of tocopherol enhancement in
Monascus purpureus fermentation
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靶向富集角鲨烯的真菌发酵系统通过HGA调控策略显著提升产率，Exo+End-HGA组合（250 μg/mL）使总角鲨烯增加1.86倍，代谢组学揭示HGA激活苯丙烷和MEP/MVA途径并抑制竞争途径。
吴启峰|张娜娜|孙一春|齐正芳|张荣荣|文安燕|秦立康|曾海英
中国贵州省贵阳市贵州大学生命科学学院，550025
摘要：
在真菌发酵系统中靶向富集生育酚仍然是一个重要的代谢工程挑战。本研究提出了一种新的策略，利用香豆酸（HGA）调节作用有效提高了M. purpureus发酵薏苡籽（MFCS）系统中的生育酚产量。系统地研究了三种HGA添加方式：外源性HGA补充（Exo-HGA）、内源性HGA积累（End-HGA）以及外源性HGA补充与内源性HGA积累的结合（Exo+End-HGA）。虽然End-HGA最有利于洛伐他汀、色素和生物量的产生，但Exo+End-HGA策略（添加250 μg/mL的Exo-HGA）实现了更显著的生育酚富集效果。总生育酚、α-生育酚和γ-生育酚的含量分别达到了225.407 μg/mL、64.022 μg/mL和161.385 μg/mL，比对照组提高了1.86倍。共鉴定出2,425个差异表达的代谢物。HGA的显著积累、γ-生育三烯酚和menatetrenone（VK2）的同步增加，以及4-羟基苯甲酸衍生物等泛醌前体的减少表明HGA特异性激活了生育酚生物合成途径。KEGG途径分析进一步显示，HGA上调了莽草酸和甲基赤藓糖磷酸/甲羟戊酸（MEP/MVA）途径，从而协调了碳流的重分布，并抑制了苯丙素和生物碱等竞争途径的合成，最终促进了生育酚的富集。本研究阐明了HGA在MFCS中促进生育酚富集的代谢网络，为通过微生物代谢工程策略提高生育酚产量提供了理论基础和潜在靶点。
引言
生育酚是一类具有强抗氧化活性的脂溶性化合物，能够有效清除活性氧并维持细胞膜完整性，从而有效延缓细胞衰老（Kukri等人，2025年）。这些化合物在食品工业、制药行业和营养保健品市场等领域具有重要的应用价值（Lopez等人，2022年）。传统的生育酚生产主要依赖于植物提取或化学合成，但这些方法往往受到高生产成本、低产量和较大环境影响的限制（Ogbonna，2009年）。因此，寻找环保和可持续的微生物发酵策略已成为一个日益重要的研究方向。M. purpureus由于其强大的代谢能力和适应性生长要求，在天然产物合成方面展现出巨大潜力，成为提高生育酚产量的有希望的候选菌株（Zhang等人，2020年；Zeng等人，2023年）。因此，阐明其生物合成途径的分子调控机制对于优化发酵过程和促进工业应用至关重要。然而，目前对微生物生育酚合成代谢网络的系统理解有限，特别是在关键节点的流量分布方面，这限制了代谢流的精确优化，从而阻碍了高产菌株的开发及其工业应用（Yang等人，2024年）。
在微生物发酵富集生育酚的过程中，底物选择对产量效率和质量至关重要。与水稻、小麦和玉米等常见谷物相比，薏苡籽（Coix lacryma-jobi L.）作为一种传统的药用和食用作物，具有明显的营养优势。其蛋白质和脂肪含量（14.2%，3.6%）显著高于水稻（7.8%，1.3%）和小麦（9.9%，1.8%）（Shahrajabian等人，2022年）。此外，薏苡籽富含L-酪氨酸，这是HGA的直接前体，而HGA是微生物生育酚生物合成中的关键中间体，因此为靶向生物转化提供了优良的代谢底物（Liao等人，2025年；Zhang等人，2025a）。先前的研究表明，使用Monascus rubiginosus发酵可以显著提高薏苡籽中的α-生育酚积累量，达到62.30 mg/kg，比原料高出13.88倍（p < 0.001）。这一水平分别比发酵水稻、小米和燕麦高出3.51倍、1.59倍和3.65倍（Fu，2025年）。此外，发酵薏苡籽产品表现出显著的生物功能特性，尤其是在抗氧化能力和抗癌活性方面（Zhu，2017年）。因此，薏苡籽是微生物发酵富集生育酚的理想底物，对其发酵潜力的全面研究对于开发新型功能性食品产品具有重要意义。
HGA是生育酚生物合成的关键前体，对生育酚产量的影响显著（HGA+植酰焦磷酸（IPP）→2-甲基-6-植酰苯醌（MBPQ）→2,3-二甲基-5-植酰苯醌（DMBPQ）→γ-生育酚→α-生育酚）（Yang等人，2024年）。作为芳香环供体，HGA通过莽草酸衍生的代谢途径合成，在该途径中L-酪氨酸首先被酪氨酸转氨酶转化为4-羟基苯丙酮酸（HPP），随后被4-羟基苯丙酮酸双加氧酶（HPPD）氧化为HGA（Kim等人，2021年；Zhang等人，2025a）。当前的研究表明，通过激活HPPD或补充酪氨酸可以显著提高HGA的积累，从而提高生育酚产量。例如，在蓝细菌中过表达HPPD可使生育酚含量增加7倍，而在Arabidopsis thaliana中的类似遗传修饰使叶片和种子中的生育酚含量分别增加了43%和28%（Karunanandaa等人，2005年；Raclaru等人，2006年）。此外，在Helianthus annuus悬浮细胞培养中补充HGA可使生育酚含量增加约30%（Caretto等人，2004年）。同样，在MFCS中添加0.02%的Exo-HGA可使总生育酚产量增加53.11%（Zhang等人，2025a）。综合调节HGA的生物合成效率是提高生育酚产量的关键策略。然而，HGA在生育酚生物合成和竞争性分解代谢途径之间的动态分配及其背后的调控机制仍不够明确。
本研究通过比较Exo-HGA、End-HGA和Exo+End-HGA组与对照组的发酵结果，系统评估了不同HGA调节策略对生育酚及其他生物活性化合物富集的影响。结合非靶向代谢组学分析，本研究深入表征了MFCS中的差异代谢物，阐明了HGA介导的生育酚富集的代谢途径。这些发现为基于微生物发酵的高效生产生育酚及其他天然生物活性化合物提供了重要的理论基础和技术支持。
章节片段
菌株和化学品
M. purpureus（CGMCC编号3.4629）由中国普通微生物菌种保藏中心提供。薏苡籽购自贵州兴仁薏苡电子商务有限公司。HGA（试剂级，纯度>97%）由日本东京的TCI公司提供，而HGA标准品（高效液相色谱（HPLC）级则购自法国的EXTRASYNTHESE公司。γ-谷维素（≥98%）和洛伐他汀（≥95%）的参考标准品由Yuanye Bio-Technology公司提供
在含有End-HGA的M. purpureus发酵薏苡籽系统中通过Exo-HGA增强生育酚
先前的研究表明，上调End-HGA的生物合成可以显著提高MFCS中的生育酚产量（Zhang等人，2025a）。HGA在细胞内环境中容易发生非酶促氧化，导致其参与竞争性副反应，从而降低其作为生育酚前体的有效性（Qin和Xia，2024年）。Exo-HGA的添加对含有End-HGA的MFCS中的生育酚积累产生了差异性影响
结论
本研究系统评估了三种HGA调节策略——Exo-HGA、End-HGA和Exo+End-HGA——对MFCS中生育酚及其他生物活性化合物的影响。在End-HGA策略下，洛伐他汀的积累、色素生产和生物量生长得到了最有效的支持。相比之下，通过Exo+End-HGA调节实现了生育酚的优化。具体而言，在End-HGA条件下，当Exo-HGA的添加量为250 μg/mL时，
CRediT作者贡献声明
张娜娜：软件、方法学、实验设计。孙一春：方法学、实验设计。齐正芳：资源支持。张荣荣：资源支持。吴启峰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法学、实验设计、数据分析、数据管理。文安燕：方法学。秦立康：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源支持、方法学。曾海英：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思
未引用参考文献
Richard和Cotton，1965年；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b。
资助
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号32260583）；贵州生态特色食品新型品质加工与贮藏重点实验室（编号ZSYS[2025]023）；中国医药集团同济堂（贵州）药业有限公司的技术开发项目（编号TJTZY-JS-2025020216）的支持。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
