虎奶菇液态发酵超支化多糖的生物合成途径解析

Hyperbranched polysaccharides (HBPSs) derived from Pleurotus tuber-regium (PTR) is a kind of fungal polysaccharides with highly branched structure. Their unique characteristics including irregular shape of the quasi-spherical molecules and numerous terminal functional groups, lead to excellent biological properties. Therefore, HBPSs have great potential in the fields of food additives, drug nano-carriers, as well as polymer materials. Our previous studies have identified and characterized several HBPSs from different developtmental stages of PTR. However, the biosynthesis mechanism of PTR HBPSs was still unclear, which limits further study of this polysaccharides and the development of high value-added products. This study aims to clarify the biosynthetic pathway of HBPSs by using submerged fermentation of PTR mycelia as the research object. The project will elucidate the key enzyme and metabolic pathway on biosynthesis of HBPSs by the methods of stable isotope tracer, fermentation with single carbon source, precursor feeding, as well as analysis of carbohydrate metabolite, differential proteome, transcriptome and enzyme activity. This study will provide new research ideas and theoretical basis for the improvement of quality and yield of the HBPSs from edible fungi.

虎奶菇超支化多糖是一类具有高度支化结构的食用菌多糖, 因不规则的准球形分子及表面大量的端基官能团而体现出优良的生物学性能，在食品添加剂、药物载体和高分子材料等许多领域具有十分重要的价值。申请人在前期研究中发现虎奶菇各生长阶段均可产生大量超支化多糖，且结构信息已经确定，但目前合成途径尚不明确，这严重制约了该多糖的深入研究和相关高附加值产品的开发。针对这些问题，本项目拟以液态发酵的虎奶菇菌丝体为研究对象，采用稳定同位素示踪法、单一碳源培养法及前体饲喂法结合相关代谢物检测技术、蛋白质组学、转录组学及酶活性分析等研究方法，重点研究影响多糖超支化结构的关键酶及相关代谢通路，阐明虎奶菇超支化多糖的生物合成途径。本项目的实施将为揭示真菌超支化多糖特殊结构的合成机理、提升其品质和产量提供新的研究思路和理论依据。

该项目“虎奶菇液态发酵超支化多糖的生物合成途径解析”（项目批准号：21706094）主要针对食用菌富含超支化多糖这类极具开发潜力的生物材料但合成途径仍不明确的问题，以虎奶菇为研究对象，通过系统研究不同碳源和外源添加植物油对液态发酵虎奶菇菌丝体超支化多糖合成的影响，解析虎奶菇超支化多糖的合成途径。. 通过对虎奶菇菌丝体细胞壁进行解析发现，主要包含热水提组分、冷碱提组分、热碱提组分、碱不溶物等4种多糖组分。含量最高的热碱提组分经进一步纯化得到单一组分MHA-I，是一种具有较高分支度的准球状β-吡喃杂多糖。采用不同单糖作为碳源进行发酵，结果表明，碳源虽然对PTR-EPS组成具有显著影响，但在以任一种单糖为碳源时，胞外多糖的单糖组成均以甘露糖和葡萄糖为主，且甘露糖的比例较高。对虎奶菇菌丝体进行全基因组测序及基因功能注释，确定了18条与虎奶菇多糖中单糖组成相关的关键基因。在此基础上，探索了植物油对虎奶菇超支化多糖合成的影响，结果表明，当玉米油添加量为4%时，虎奶菇菌体量和胞外多糖产量最高，分别为对照组的2.56和1.9倍，且单糖组成变化显著。转录组分析筛选到了53条差异显著的相关基因，结果表明，玉米油不仅促进了虎奶菇菌体生长，且改变了其多糖合成途径中相关酶的活性进而导致了单糖组成的改变。. 本研究根据不同单糖碳源对超支化多糖的结构、单糖组成和产量等影响规律，确认了主要核苷酸糖前体。进而采用添加外源响应因子结合基因测序及生物信息学分析手段，对虎奶菇菌丝体超支化多糖合成的影响因素进行分析，初步解析了虎奶菇超支化多糖的合成通路。本项目的研究结果为通过代谢调控手段进行食用菌超支化多糖的生物合成和工业化生产提供了数据支持，为更合理、更有效地利用虎奶菇资源奠定了理论基础。