Inonotus hispidus与Morus alba L.树皮相互作用的多组学分析：来自转录组学和代谢组学的见解

《South African Journal of Botany》：Multi-omics profiling of the Inonotus hispidus and Morus alba L. bark interaction: insights from transcriptomics and metabolomics

本研究通过转录组测序和代谢组学分析，揭示蜜环菌（Inonotus hispidus）与白蜡树（Morus alba）皮层寄生互作的分子机制。共鉴定70849个非冗余转录单元，其中577个差异表达基因（DEGs）及256个差异代谢物（DEMs）被筛选，发现黄酮类、酚酸类和三萜类化合物在互作中起关键作用，并发现特定基因簇与代谢物动态显著相关。

王清春|鲍海英

（真菌传统中药资源开发利用重点实验室），吉林农业大学，长春130118，中国

摘要

Inonotus hispidus是一种大型寄生真菌，主要寄生于Morus alba L.、Fraxinus mandshurica Rupr.等阔叶树上。尽管I. hispidus的基因组已被测序，其次级代谢产物的生物合成途径也已明确，但其与宿主树皮之间的寄生互作的分子机制仍不清楚。为填补这一空白，我们对I. hispidus-M. alba树皮系统进行了整合转录组学和代谢组学分析。使用Illumina NovaSeq平台对真菌和宿主树皮的转录组进行了测序，并通过LC-MS代谢组学方法鉴定出差异表达的代谢物（DEMs）。转录组分析产生了70,849个单基因（N50 = 1401 nt），其中NR数据库的注释率最高（47,543个单基因）；还鉴定出4330个SSR位点。代谢组学分析检测到256种DEMs，这些代谢物主要富含黄酮类、酚酸和三萜类化合物，可能与植物-真菌相互作用有关。相关性分析显示，单基因Cluster-17,903.38216与5-甲基胞嘧啶等DEMs呈显著正相关，而与Yuheinoside等代谢物呈负相关，这表明该基因可能在寄生过程中调节代谢物动态。总体而言，这些发现为理解I. hispidus-M. alba树皮相互作用提供了转录组和代谢组学框架，确定了相关的候选基因和代谢物，并为野生I. hispidus资源的可持续利用奠定了基础。

引言

Inonotus hispidus是一种属于Hymenochaetaceae科、Inonotus属的大型可食用和药用真菌（Markakis等人，2017年；Wu等人，2019年）。它主要分布在东亚和欧洲国家，在中国尤为常见，被认定为药用真菌（Tang等人，2022年）。古代文献，包括《神农本草经》和《本草纲目》，记载了这种真菌生长在山东省黄河上游Morus alba L.上的情况，称为“桑黄”（Li等人，2022年；Yousfi等人，2009年）。这种真菌主要寄生于阔叶树种上，如Ulmus macrocarpa Hance.和Fraxinus mandshurica Rupr.，这两种树在中国东北部的新疆维吾尔自治区也有广泛分布（Tang等人，2023年；Yuan等人，2023年）。

药理学研究表明，I. hispidus具有抗肿瘤、抗氧化、抗病毒和保肝作用（Zhang等人，2022年；Zhao等人，2026年）。其子实体富含多糖、多酚、萜类和甾体等生物活性化合物。在自然条件下，I. hispidus的子实体形成是一个漫长的过程，需要特定的环境因素，包括充足的碳氮源、氧气、水分和光照。此外，萌发的菌丝必须穿透宿主植物以获取子实体发育所需的养分。因此，当前的研究重点在于阐明参与菌丝生长的基因表达和代谢调控机制。

虽然I. hispidus的全基因组序列已经初步完成，其根际微生态和内生菌多样性也已得到研究（Wang等人，2023年；2024年；2025年），但I. hispidus及其宿主M. alba树皮在寄生过程中的基因表达调控和代谢反应仍不清楚。真菌-植物相互作用是高度动态的分子过程，其特征包括营养竞争、信号识别和代谢适应。对药用大型真菌的研究揭示了植物相互作用期间的精确转录重编程和代谢调控。例如，当Ganoderma lucidum感染宿主树木时，它会上调细胞壁降解酶基因（如木聚糖酶和漆酶）以分解木质素和纤维素，同时激活次级代谢产物的合成途径（如三萜和灵芝酸），从而可能抑制植物的防御反应（Zhan等人，2025年）。类似地，外生菌根真菌Boletus edulis通过特定转录因子调节效应蛋白的分泌和小分子代谢产物的产生，以抑制植物免疫并建立营养交换界面（Santolamazza-Carbone等人，2025年）。然而，作为一种宿主特异性的药用真菌，I. hispidus在寄生于M. alba树皮期间是否采用类似的分子机制来获取养分并启动子实体形成，目前尚未系统研究。

整合多组学分析已成为阐明微生物-植物相互作用分子机制的强大策略。通过结合转录组学和代谢组学，这种方法能够表征基因表达动态与代谢物积累之间的分子相互作用，有助于重建基因-代谢物调控网络，为理解真菌的适应性和寄生策略提供系统性的见解。为了研究I. hispidus与M. alba树皮之间的相互作用，本研究采用了基于Illumina NovaSeq的转录组测序和基于LC-MS的非靶向代谢组学方法。我们期望我们的发现能为I. hispidus的寄生现象提供初步的转录组和代谢组学特征，为未来关于人工培养、宿主兼容性和生物活性成分调控的研究奠定基础。

部分摘要

Inonotus hispidus是一种属于Hymenochaetaceae科、Inonotus属的大型食用和药用真菌（Markakis等人，2017年；Wu等人，2019年）。它主要分布在东亚和欧洲国家，在中国尤为常见，被认定为药用真菌（Tang等人，2022年）。古代文献中提到，这种真菌生长在山东省黄河上游的Morus alba L.上，被称为“桑黄”（Li等人，2022年；Yousfi等人，2009年）。这种真菌主要寄生于阔叶树种上，如Ulmus macrocarpa Hance.和Fraxinus mandshurica Rupr.，这两种树在中国东北部的新疆维吾尔自治区也有广泛分布（Tang等人，2023年；Yuan等人，2023年）。

药理学研究表明，I. hispidus具有抗肿瘤、抗氧化、抗病毒和保肝作用（Zhang等人，2022年；Zhao等人，2026年）。其子实体富含多糖、多酚、萜类和甾体等生物活性化合物。在自然条件下，I. hispidus的子实体形成是一个漫长的过程，需要特定的环境条件，包括丰富的碳氮源、充足的氧气、水分和光照。此外，萌发的菌丝必须穿透宿主植物以获取子实体发育所需的养分。因此，当前的研究重点在于阐明参与菌丝生长的基因表达和代谢调控机制。

尽管I. hispidus的全基因组序列已经初步完成，其根际微生态和内生菌多样性也已被研究（Wang等人，2023年；2024年；2025年），但I. hispidus及其宿主M. alba树皮在寄生过程中的基因表达调控和代谢反应仍不清楚。真菌-植物相互作用是高度动态的分子过程，涉及营养竞争、信号识别和代谢适应。对药用大型真菌的研究揭示了植物相互作用期间的精确转录重编程和代谢调控。例如，当Ganoderma lucidum感染宿主树木时，它会上调细胞壁降解酶基因（如木聚糖酶和漆酶）以分解木质素和纤维素，同时激活次级代谢产物的合成途径（如三萜和灵芝酸），从而可能抑制植物的防御反应（Zhan等人，2025年）。类似地，外生菌根真菌Boletus edulis>通过特定转录因子调节效应蛋白的分泌和小分子代谢产物的产生，以抑制植物免疫并建立营养交换界面（Santolamazza-Carbone等人，2025年）。然而，作为一种宿主特异性的药用真菌，I. hispidus在寄生于M. alba树皮期间是否采用类似的分子机制来获取养分和启动子实体形成，尚未进行系统研究。

整合多组学分析已成为阐明微生物-植物相互作用分子机制的强大工具。通过结合转录组学和代谢组学，这种方法能够表征基因表达动态与代谢物积累之间的分子相互作用，有助于重建基因-代谢物调控网络，为理解真菌的适应性和寄生策略提供系统性的见解。为了研究I. hispidus与M. alba树皮之间的相互作用，本研究采用了基于Illumina NovaSeq的转录组测序和基于LC-MS的非靶向代谢组学方法。我们期望我们的发现能为I. hispidus的寄生现象提供初步的转录组和代谢组学特征，为未来关于人工培养、宿主兼容性和生物活性成分调控的研究奠定基础。

部分摘要

转录组测序和组装

为了表征I. hispidus-M. alba树皮寄生系统的转录景观，我们在Illumina HiSeq 2000平台上进行了高通量测序。经过质量过滤后，从所有样本中获得了148,482,396个高质量读段。所有样本的测序质量均较高，Q30分数超过95%，GC含量平均为51.70%。

对高质量读段进行从头组装后，得到了141,105个转录本，进一步将其聚类为70,849个非冗余转录本

讨论

在本研究中，我们通过整合转录组学和代谢组学分析，系统研究了药用大型真菌I. hispidus与其宿主M. alba树皮之间的寄生相互作用。共组装了70,849个单基因，其中55,251个（77.98%）得到了成功注释，表明测序质量较高，为基因发现提供了可靠的基础。比较分析发现了I. hispidus与宿主树皮之间的579个差异表达基因（DEGs）。值得注意的是，

结论

我们的整合多组学分析揭示了I. hispidus与M. alba树皮之间复杂的代谢相互作用，显示出特殊的生态适应特征。转录组测序发现了579个DEGs，其中只有6个基因在真菌中上调，573个基因下调。这表明这种相互作用更倾向于代谢优化而非侵袭性致病。对972种代谢物的代谢组学分析检测到256种DEMs，包括11种酚酸、11种黄酮类化合物和12种

实验材料和样本制备

2024年7月28日，我们在中国山东省德州市夏津县的一片古桑树林中收集了I. hispidus的子实体和M. alba的树皮（坐标：36°59′N, 115°11′E）（图1 A-B）。用于转录组分析的样本标记为IHT和IBT；用于代谢组分析的样本分别标记为IHM和IBM。每组包含三个生物学重复样本。样本立即在液氮中快速冷冻，用干冰运输，并储存在-80°C条件下

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32070021）和黄河上游地区桑黄药用材料及优质新品种的研发（项目编号：20240180）的支持。

伦理批准

本文未包含作者进行的任何涉及人类或动物的实验。

CRediT作者贡献声明

王清春：撰写——原始草稿、软件开发、数据分析、概念构建。鲍海英：撰写——审稿与编辑、数据可视化、监督、方法设计、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。