黑木耳有重要的食藥用價(jià)值，是我國的傳統(tǒng)食用菌，具有抗腫瘤、抗氧化、防止血栓和降血糖等特性，有“菌中瑰寶”的美譽(yù)。東北地區(qū)是我國黑木耳的主產(chǎn)區(qū)，其生產(chǎn)的黑木耳暢銷國內(nèi)外，黑木耳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)促進(jìn)東北的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。過去幾十年，黑木耳的研究主要集中在利用ISSR（inter-simple sequence repeat，簡單重復(fù)序列間區(qū)標(biāo)記技術(shù)）、RAPD（random amplified polymorphic DNA，隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA標(biāo)記技術(shù)）、SRAP（Sequence-related amplified polymorphism，相關(guān)序列擴(kuò)增多態(tài)性）等方法來進(jìn)行種質(zhì)鑒定、系統(tǒng)發(fā)育或者遺傳多樣性研究，而缺乏對(duì)黑木耳分子水平的研究。全筋、半筋和無筋是蛟河市的三種主要栽培品系，它們表面的褶皺明顯不同，營養(yǎng)價(jià)值和口感也各有千秋，但對(duì)它們基因表達(dá)譜的差異以及抗癌、抗氧化等作用機(jī)制知之甚少。目前公共數(shù)據(jù)庫中尚無黑木耳的基因轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，嚴(yán)重阻礙了黑木耳的分子研究以及潛在的深加工價(jià)值再開發(fā)。
中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所生物醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)研究室唐玉國、高山課題組聯(lián)合英國牛津大學(xué)(University of Oxford)研究員王琿對(duì)吉林省蛟河市黃松甸鎮(zhèn)國家級(jí)萬畝黑木耳標(biāo)準(zhǔn)化種植示范區(qū)三個(gè)主要的黑木耳栽培品系——全筋、半筋和無筋進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序分析，獲得13937個(gè)unigene（Universal Gene，獨(dú)立非重復(fù)基因），其中的12813個(gè)unigene可以注釋到已知基因上。主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）顯示這三個(gè)栽培種有顯著不同的基因表達(dá)譜，全筋與另外兩個(gè)品種差異很大，說明無筋和半筋可能來自中國南部的一個(gè)共同祖先，全筋則起源于中國北方。進(jìn)一步的差異基因分析、基因本體分析（Gene Ontology, GO）確認(rèn)了主成分分析的結(jié)果。KEGG基因通路分析顯示黑木耳背面褶皺形成與淀粉和蔗糖代謝、MAPK信號(hào)通路、氨基酸生物合成、次生代謝產(chǎn)物的生物合成、抗生素生物合成相關(guān)。這意味著黑木耳的不同品系在疾病抗性和藥物成分生成、積累和代謝等方面應(yīng)該存在顯著差異，對(duì)挖掘開發(fā)木耳的醫(yī)療有效成分有指導(dǎo)意義。
染料脫色過氧化物酶（Dyp）是過氧化物酶家族的成員，該家族被認(rèn)為是木質(zhì)素生物修復(fù)的基礎(chǔ)資源。通過對(duì)黑木耳過氧化物酶基因的表達(dá)譜分析，發(fā)現(xiàn)全筋中的過氧化物酶基因表現(xiàn)出特殊的表達(dá)模式，意味著全筋品系在工業(yè)用酶開發(fā)方面有其獨(dú)特的價(jià)值。而無筋品系內(nèi)的差異比品系間差異還要大，說明無筋品系內(nèi)尚存在較大的個(gè)體多樣性，為培育開發(fā)新品系，提供了有效依據(jù)和方向。
此外，研究者還發(fā)現(xiàn)1124個(gè)基因庫中未曾記錄的新unigene，這些基因可能在黑木耳的獨(dú)特功能中發(fā)揮重要作用：比如產(chǎn)生有藥用價(jià)值的生物活性分子來抗氧化抗衰老。另外一個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域是黑木耳的抗腫瘤作用，已有研究表明黑木耳的多糖可以抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，新基因的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步研究黑木耳獨(dú)特的抗腫瘤活性物質(zhì)的生物合成機(jī)制，提供了更加明確的研究目標(biāo)。
該研究工作不僅為進(jìn)一步研究黑木耳的生化和制藥性提供了必不可少的數(shù)據(jù)資源和信息指南，而且客觀評(píng)價(jià)了吉林省的黑木耳菌株種質(zhì)資源的遺傳多樣性，有利于保護(hù)和利用我國黑木耳的種質(zhì)資源，開展黑木耳的良種選育，提高東北黑木耳產(chǎn)業(yè)質(zhì)量，推動(dòng)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）。
該研究工作獲得中科院百人計(jì)劃、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然基金的資助。
圖1 三個(gè)黑木耳栽培種代表三個(gè)品系：無筋的正面和背面(a和b)，半筋的正面和背面(c和d)，全筋的正面和背面(e和f)
圖2 栽培種之間的基因表達(dá)關(guān)系：a、根據(jù)樣本中的基因表達(dá)量做的層次聚類圖，X軸代表樣本，Y軸代表樣本間的歐氏距離。b、主成分分析結(jié)果，前兩個(gè)主成分PC1和PC2解釋了品種之間88.1%的差異。從上圖可以看出，在品種間，全筋與無筋、半筋差異很大；品種內(nèi)，無筋的個(gè)體差異顯著。
圖3 與木耳褶皺相關(guān)的KEGG通路：與褶皺形成相關(guān)的上調(diào)或下調(diào)基因散點(diǎn)圖，X軸代表富集因子(富集因子=通路中的基因數(shù)/通路中所有的注釋基因數(shù))，點(diǎn)的大小代表基因數(shù)量，點(diǎn)的顏色代表了矯正P值大小。
圖4 過氧化物酶相關(guān)基因表達(dá)譜：黑木耳43個(gè)過氧化物酶基因在三個(gè)品種中的表達(dá)聚類圖，右側(cè)標(biāo)出了基因ID及其blast注釋結(jié)果。這個(gè)結(jié)果與主成分分析結(jié)果一致，全筋與半筋、無筋差異顯著。
