《食品科学》：兰州理工大学任海伟教授等：基于代谢组学解析羊肚菌子实体发育过程中的品质形成机制

近年来，代谢组学被广泛应用于食用菌研究。通过对食用菌在不同生长阶段、环境条件下的代谢物进行全面系统分析，能够深入了解食用菌的生长规律及品质形成机制。

羊肚菌子实体是一种营养和药用价值极高的食用菌，富含蛋白质、碳水化合物、脂肪等营养物质，以及膳食纤维、酶、有机酸等非营养物质，具有抗氧化、抗细胞增殖和增强免疫等生物活性。

兰州理工大学生命科学与工程学院的李云帆、李雨昕、任海伟*等人旨在运用代谢组学技术，探究羊肚菌子实体原基、小菇和成熟子囊果3 个发育阶段的代谢物变化，剖析其品质形成内在机制。通过精准识别不同发育时期的关键代谢物及代谢通路，揭示营养成分积累、滋味物质合成的动态规律，进而为羊肚菌子实体的优质栽培和品质优化奠定理论基础。

1 不同发育阶段羊肚菌子实体主要营养物质分析

从图2可以看出，在羊肚菌子实体生长发育过程中，蛋白质的含量最高（12.17%～34.77%），其次是多糖（7.06%～24.84%）。相对而言，灰分（6.79%～14.05%）和粗脂肪（1.53%～5.86%）的含量较低。此外，蛋白质、多糖和粗脂肪等主要营养物质的含量均随着羊肚菌子实体的生长发育而呈显著上升趋势（P＜0.05）。这些营养物质的积累是羊肚菌子实体分化的必要条件，蛋白质和多糖含量显著增加为羊肚菌子实体细胞的增殖和分化提供了物质基础。

2 不同发育阶段羊肚菌子实体滋味物质分析

氨基酸的类型与含量是衡量羊肚菌子实体营养性质的重要指标，测定不同发育阶段氨基酸的组成和含量对了解其营养价值具有重要意义。如表1所示，在3 个发育阶段共检测出16 种游离氨基酸，总游离氨基酸含量为1 291.01～5 857.72 mg/kg。其中，成熟子囊果阶段含有全部16 种游离氨基酸，而小菇和原基阶段分别只含有15 种和14 种游离氨基酸。此外，成熟子囊果阶段的大多数氨基酸含量显著高于原基和小菇阶段，这与蛋白质含量变化趋势一致（图2）。进一步从营养学角度分析发现，必需氨基酸含量与总游离氨基酸含量变化趋势一致，即在羊肚菌子实体生长发育过程中呈显著上升趋势。鲜味氨基酸是重要的鲜味剂；苦味氨基酸虽然呈苦味，但也能增加厚味；甜味氨基酸可以丰富产品口感、协调鲜味。羊肚菌子实体的鲜味、甜味和苦味氨基酸含量在成熟子囊果阶段最高，原基阶段最低。其中，鲜味氨基酸含量为146.59～992.49 mg/kg，占氨基酸总量的11.35%～21.38%。甜味氨基酸是风味性氨基酸，含量为348.67～1 546.35 mg/kg，占氨基酸总量的26.40%～32.68%，不仅能掩盖苦涩味，还能与鲜味氨基酸协同发挥增香增鲜的作用。苦味氨基酸种类较多，含量为420.98～2 740.20 mg/kg，占氨基酸总量的32.61%～46.78%。总之，从营养学和呈味角度来看，羊肚菌子实体生长发育过程中，成熟子囊果阶段的氨基酸含量均显著高于原基和小菇阶段，故而成熟子囊果阶段的羊肚菌子实体品质更佳。

除游离氨基酸外，5’-核苷酸也具有显著增鲜作用，从而能够增加滋味。经HPLC分析，羊肚菌子实体发育过程中主要包括5’-胞嘧啶核苷酸（CMP）、5’-尿嘧啶核苷酸（UMP）、5’-次黄嘌呤核苷酸（IMP）、5’-鸟嘌呤苷酸（GMP）、5’-腺嘌呤苷酸（AMP）和5’-黄嘌呤核苷酸（XMP）等6 种5’-核苷酸（图3）。由表2可知，3 个阶段总核苷酸含量为792.74～1 903.82 μg/g，6 种核苷酸含量高低顺序总体为5’-AMP＞5’-CMP＞5’-GMP＞5’-IMP＞5’-XMP＞5’-UMP。此外，在羊肚菌子实体生长发育过程中，5’-CMP含量呈现先升高后降低的趋势，其余5 种核苷酸含量均逐渐增加，可见不同发育阶段羊肚菌子实体的核苷酸含量具有明显差异，进而赋予其独特的滋味和鲜味。

由图4可知，在羊肚菌子实体生长发育过程中，EUC呈显著上升趋势，原基、小菇和成熟子囊果3 个阶段的EUC分别为64.50、95.18 g/100 g和110.61 g/100 g。根据EUC划分的4 个水平（第1水平：EUC＞1 000 g/100 g（以干质量计，后同）；第2水平：100 g/100 g＜EUC＜1 000 g/100 g；第3水平：10 g/100 g＜EUC＜100 g/100 g；第4水平：EUC＜10 g/100 g）可知，原基和小菇阶段处于第3水平，成熟子囊果阶段属于第2水平且鲜味明显。总地来说，羊肚菌子实体发育过程对游离氨基酸、5’-核苷酸含量和EUC均具有显著影响，不同阶段表现差异显著，且与主要营养物质的变化趋势相吻合。特别是在成熟子囊果阶段，游离氨基酸、核苷酸含量和EUC均达到最高，表明羊肚菌子实体在此阶段具有最佳滋味。

3 不同发育阶段羊肚菌子实体代谢组学分析

3.1质控分析

由图5可知，正、负离子模式下质控样本的总离子色谱图峰形良好，分布相对均匀。在代谢物检测过程中，质谱对同一样品的检测结果具有较好的信号强度和稳定性，确保了最终采集的数据质量。

3.2羊肚菌子实体代谢物分类情况

总体来看，所有样品共鉴定出1 624 种代谢物，在正、负离子模式下分别鉴定到950、674 种代谢物。其中，1 293 种代谢物被HMDB数据库注释，主要包括有机酸及其衍生物（340 种）、脂质和类脂分子（271 种）、有机杂环化合物（231种）和有机氧化合物（160 种）等15 类（图6）。可见，羊肚菌子实体发育过程中所产生的代谢物主要集中在有机酸和脂类物质中，二者对促进和调节羊肚菌子实体的生长发育起着关键作用。

3.3不同发育阶段羊肚菌子实体样本差异

通过PCA对数据进行可视化处理，观察样品的聚集或分离趋势。如图7a所示，PC1、PC2的方差贡献率分别为36.50%、27.20%，质控样本重复性良好，表明检测结果可靠。此外，同一发育阶段的样本聚集在一起，不同发育阶段的样品明显分离。进一步采用PLS-DA，建立代谢物表达量与样品类别之间的关系模型，从而实现对样品类别的预测。如图7b所示，PC1、PC2方差贡献率分别为39.50%、31.50%，原基、小菇和成熟子囊果阶段分别分布在第2、第1和第4象限，模型评价参数R2和Q2均接近1，说明羊肚菌子实体在不同发育阶段的代谢物存在显著差异。

3.4不同发育阶段羊肚菌子实体差异代谢物分布情况

为了更好地显示差异代谢物的分布情况，绘制火山图展现3 个生长发育阶段测得的代谢物。设定阈值为VIP＞1.0且P＜0.05，共筛选出955 种差异代谢物，如图8所示，YJ与XG组比较，差异代谢物共589 种，主要集中在有机酸及其衍生物（130 种）、脂类和类脂分子（101 种）和有机杂环化合物（84 种）；其中，上调代谢物286 种，包括N-乙酰半胱氨酸酰胺、胍基丁胺等；下调代谢物303 种，包括吲哚酚和芸香糖等。XG与ZNG组比较，差异代谢物共636 种，主要集中在有机酸及其衍生物（138 种）、脂类和类脂分子（102 种）和有机杂环化合物（92 种）；其中，上调代谢物352 种，包括阿司咪唑、芸香糖等；下调代谢物284 种，包括5-甲基脱氧胞苷和氯苯吡醇胺等。YJ与ZNG组比较，差异代谢物共560 种，主要集中在有机酸及其衍生物（128 种）、脂类和类脂分子（88 种）和有机杂环化合物（87 种）；其中，上调代谢物285 种，包括N-乙酰半胱氨酸酰胺、胍基丁胺等；下调代谢物275 种，包括吲哚酚和间苯三酚等。总之，羊肚菌子实体发育过程中的差异代谢物主要集中在有机酸和脂类物质中，二者不仅是决定羊肚菌子实体品质的主要成分，也是其营养成分和特殊风味的化学基础。

3.5不同发育阶段羊肚菌子实体差异代谢物KEGG通路富集

差异代谢物在羊肚菌子实体发育过程中相互作用，形成不同的通路。利用KEGG数据库对羊肚菌子实体不同发育阶段的差异代谢物进行通路富集，如图9所示，共找到68 条代谢通路。其中，YJ与XG组比较，差异代谢物主要富集在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，精氨酸生物合成，氨酰基tRNA生物合成，核苷酸代谢和D-氨基酸代谢。XG与ZNG组比较，主要富集在精氨酸生物合成和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢。YJ与ZNG组比较，主要富集在核苷酸代谢和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢。可见，差异代谢物主要来源于新陈代谢途径中的氨基酸代谢和碳水化合物代谢，二者在羊肚菌子实体生长发育过程中极为重要，是其香气的重要来源，为自身生长提供能量和营养物质。另一方面，多种氨基酸代谢途径持续下调，说明原基阶段有大量的蛋白质合成，是一个快速发育过程。磷酸戊糖途径、乙醛酸和二羧酸代谢和半乳糖代谢所代表的碳水化合物代谢途径持续上调，与羊肚菌子实体在发育过程中进行能量储备的需求相对应。因此可以推测，氨基酸代谢和碳水化合物代谢在羊肚菌子实体的生长和发育过程中起到关键作用，同时对品质形成也具有重要作用。

3.6不同发育阶段羊肚菌子实体差异代谢物的主要代谢途径分析

基于羊肚菌子实体生长发育过程中存在的全部差异代谢物，进一步通过拓扑分析将差异代谢物进行分配，并筛选出重要的代谢途径，如图10所示，羊肚菌子实体发育过程中发生显著变化的代谢通路主要包括VB6代谢、核黄素代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、精氨酸生物合成以及核苷酸代谢。这些主要代谢途径与羊肚菌子实体发育过程存在一定相关性，而且途径中的差异代谢物参与到羊肚菌子实体发育过程中，并对其品质形成发挥重要作用。

羊肚菌子实体不同发育阶段主要代谢途径与每个代谢途径中涉及的差异代谢物之间的关系如图11所示，精氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、鸟氨酸从原基到小菇阶段分别下调（差异倍数（fold change，FC）为1.16、1.25、1.14、1.58），从小菇到成熟子囊果阶段分别上调（FC为0.81、0.87、0.91、0.70），精氨酸和脯氨酸代谢在氮分配和再循环中起关键作用。胍基丁胺参与多胺合成，从原基到小菇阶段下调（FC为6.16），进而影响蛋白质合成和品质形成。在VB6代谢途径中，吡哆醛5’-磷酸、吡哆醛和5’-磷酸吡哆醇在原基到小菇阶段分别上调（FC为0.75、0.91、0.75）。核黄素是能量代谢的重要辅酶，在小菇到成熟子囊果阶段下调（FC为1.09）。在核苷酸代谢途径中，次黄嘌呤、鸟嘌呤、脱氧腺苷、胸苷、黄苷、脱氧鸟苷、脱氧尿苷、肌苷在原基到小菇阶段分别下调（FC为1.14、1.17、1.19、1.22、1.19、1.33、1.51、1.10），这些差异代谢物在DNA和RNA合成中起关键作用，并在能量代谢和信号传导中发挥重要作用。AMP在原基到小菇阶段上调（FC为0.75），在小菇到成熟子囊果阶段上调（FC为0.84）。GMP在原基到小菇阶段上调（FC为0.76）。脱氧胸苷单磷酸、尿苷二磷酸在小菇到成熟子囊果阶段分别上调（FC为0.88、0.64）。同时，以上5 条途径中的瓜氨酸、延胡索酸、肌氨酸、脯氨酸、脱氧次黄苷等15 种代谢物表现出明显的变化趋势。总之，这些差异代谢物的动态变化反映了羊肚菌子实体在不同发育阶段的蛋白质合成、能量代谢、信号传导以及氮代谢的需求和调控，可以更好地揭示羊肚菌子实体发育过程中的品质形成机制。

4 不同发育阶段羊肚菌子实体代谢物与品质的相关性

为明确羊肚菌子实体发育过程中代谢物之间及其品质之间的关系，对涉及主要代谢途径的37 种差异代谢物与羊肚菌子实体的营养和滋味物质进行了相关性分析。由图12可知，在37 种差异代谢物中，肌氨酸、脯氨酸、谷氨酸、胍基丁胺、4-二氨基丁烷、4-氨基丁酸、瓜氨酸、脱氧腺苷、胸苷、脱氧鸟苷、脱氧尿苷和脱氧次黄苷12 种代谢物与其他代谢物呈显著正相关，吡哆醛5’-磷酸、吡哆醛、5’-磷酸吡哆醇、AMP和GMP 5 种代谢物则与其他代谢物呈显著负相关。4-乙酰氨基丁酸和N6-(1,2-二羧乙基)-AMP均与蛋白质、多糖、灰分、粗脂肪、总氨基酸和总核苷酸呈显著正相关，而L-磷酸精氨酸、胍基丁胺、次黄嘌呤、鸟嘌呤、脱氧鸟苷、黄苷和肌苷等代谢物则与蛋白质、多糖、灰分、粗脂肪、总氨基酸和总核苷酸呈显著负相关。这些代谢物对羊肚菌子实体品质形成具有重要作用，为研究羊肚菌子实体生长发育过程的品质形成机制提供了重要信息。由此推测，4-乙酰氨基丁酸、N6-(1,2-二羧乙基)-AMP、L-磷酸精氨酸、胍基丁胺、次黄嘌呤、鸟嘌呤、脱氧鸟苷、黄苷和肌苷等代谢物会引起蛋白质、多糖、灰分、粗脂肪、氨基酸和核苷酸等营养和滋味物质含量的变化，从而影响其品质形成。

5 讨论

5.1羊肚菌子实体主要营养物质和滋味成分的变化规律

羊肚菌子实体是一种富含蛋白质和碳水化合物的低脂肪食品，其营养物质在生长发育过程中不断积累。蛋白质是细胞结构和功能的基础，多糖可以储存能量，二者共同支持羊肚菌子实体发育过程中的细胞增殖和分化，使细胞数量和体积均显著增加。其次，羊肚菌子实体在发育过程中代谢活跃，将吸收的养分转化为能量和生长所需物质，导致脂肪等组分在子实体中积累。再者，营养物质的积累是子实体分化的必要条件，在适宜的温度、湿度和光照条件下，羊肚菌子实体能有效进行光合作用，吸收营养物质。此外，外部环境中的一些氮化合物经土壤微生物降解后，也可以为羊肚菌子实体提供营养，促进其发育并增加营养物质的积累。

氨基酸是羊肚菌子实体中重要的滋味成分，其中谷氨酸和天冬氨酸属于鲜味氨基酸，可赋予最典型的食用菌味道。谷氨酸呈鲜强度最高，是MSG合成的重要原料，能促进肝脏新陈代谢。尤其是成熟子囊果阶段的谷氨酸含量最多，能提供强烈鲜味。甘氨酸、丙氨酸是偏甜属性的呈味氨基酸，其中甘氨酸带有清香甜味，能降低入口苦味，提升鲜味和愉悦感。Dong Hui等研究表明，氨基酸及其降解产物和转化产物的组成和含量会影响品质。因此，氨基酸可以作为羊肚菌子实体品质评价的重要指标。此外，核苷酸也能赋予羊肚菌子实体独特的滋味和鲜味。其中，5’-AMP含量最高，能在有效抑制苦涩的同时赋予食用菌甜度。5’-GMP是一种增味剂，可赋予羊肚菌子实体肉味，产生比MSG更强的鲜味。5’-IMP是除5’-GMP之外的鲜味贡献成分，具有抑制苦味、突出甜味的作用。食用菌的鲜味强度常用鲜味氨基酸和呈味核苷酸协同作用产生的EUC表示，以客观评价呈鲜作用。不同发育阶段羊肚菌子实体的游离氨基酸、5’-核苷酸含量和EUC均具有显著差异，且与主要营养物质的变化趋势相吻合，特别是在成熟子囊果阶段达到最高，表明羊肚菌子实体在此阶段具有最佳滋味。

5.2羊肚菌子实体生长过程中滋味与营养物质的调控途径

在3 个发育阶段的羊肚菌子实体中共检测到1 624 种代谢物，主要集中于有机酸和脂类物质。有机酸作为细胞能量代谢的重要中间体，参与多种代谢途径，维持细胞内环境稳定。脂类物质不仅能够储存能量，提供细胞生长所需的能量，还参与细胞膜的形成以及细胞间信号传导。此外，有机酸和脂类也是影响羊肚菌子实体品质的主要差异代谢物。有机酸参与多种营养物质合成和代谢，具有重要的生物活性。脂类被认为是决定羊肚菌子实体品质的主要成分，在细胞功能中发挥多种作用。因此，有机酸和脂类物质在羊肚菌子实体的生长发育过程中起到关键作用，也是羊肚菌子实体营养成分的化学基础。同时，差异代谢物主要来源于氨基酸代谢和碳水化合物代谢，该结果与Deng Kejun等报道的结果一致。冯瑶也认为氨基酸代谢和碳水化合物代谢在羊肚菌子实体生长发育过程中极为重要，是其香气的重要来源，通过碳水化合物代谢能为自身生长提供能量和营养物质，并提供重要风味物质。

在不同发育阶段，差异代谢物涉及的代谢通路共有68 条，其中VB6代谢、核黄素代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、精氨酸生物合成、核苷酸代谢5 条通路尤为重要，这些通路共同调控子实体的发育过程。VB6代谢途径中的吡哆醛5’-磷酸作为多种蛋白质和酶的辅因子，参与氨基酸代谢、糖代谢和脂肪代谢。同时，VB6的体内平衡与氮代谢之间也存在相互关联。核黄素是能量代谢的重要辅酶，通过调控能量代谢和抗氧化作用，促进细胞代谢活性，影响羊肚菌子实体的营养和滋味物质，进而影响其品质形成。代谢通路之间相互衔接、协调响应。例如，精氨酸和脯氨酸代谢与精氨酸生物合成通过共同的中间产物（鸟氨酸）相互衔接，精氨酸在精氨酸酶的催化下生成鸟氨酸，鸟氨酸可以进一步生成谷氨酸，并通过一系列酶促反应转化为脯氨酸。有机氮是许多细胞发育过程中必需的代谢物，精氨酸适合作为有机氮的储存形式，与脯氨酸代谢共同在氮分配和再循环中起关键作用。此外，胍基丁胺参与多胺合成，影响蛋白质合成和品质形成。核苷酸代谢途径中的差异代谢物在DNA和RNA合成中起关键作用，并在能量代谢和信号传导中发挥重要作用。综上所述，羊肚菌子实体生长发育过程中代谢物通过蛋白质合成、能量代谢、信号传导和氮代谢调控其品质形成。

5.3羊肚菌子实体代谢物与品质形成的相关性

氨基酸、有机酸及其衍生物、核苷酸，核苷酸和类似物以及有机氮化合物等相关代谢物在子实体发育过程中呈显著正相关，提示这些代谢物可能共同参与子实体的发育过程，并在其品质形成中发挥关键作用。脯氨酸是一种非必需氨基酸，在信号传导途径中起着至关重要的作用，可通过促进蛋白质合成和抗氧化作用，增强羊肚菌子实体的营养价值和抗氧化能力。脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧次黄苷和脱氧尿苷是核苷酸衍生物，参与能量代谢；胸苷是一种核苷酸，参与DNA合成，其在细胞的内外分泌、功能调节以及生长和增殖过程中都具有重要影响。有机氮化合物4-二氨基丁烷是一种多胺，参与多种代谢途径，可能通过调控细胞增殖和抗氧化作用，促进羊肚菌子实体生长发育。因此，品质的形成与代谢物变化息息相关。与羊肚菌子实体发育品质呈显著正相关的4-乙酰氨基丁酸以及呈显著负相关的L-磷酸精氨酸和胍基丁胺可以通过调节氨基酸代谢，促进蛋白质合成，从而影响羊肚菌子实体风味和营养价值，与其鲜味和口感密切相关。次黄嘌呤、鸟嘌呤、脱氧鸟苷、黄苷和肌苷是重要的核苷酸代谢物，参与DNA和RNA合成，在羊肚菌子实体发育过程中起关键作用，通过调控能量代谢来影响羊肚菌子实体的生长发育和品质形成。总之，上述代谢物对羊肚菌子实体品质形成具有重要作用。

结论

在羊肚菌子实体生长发育过程中，蛋白质、多糖和粗脂肪等营养物质随着发育进程的推进逐渐累积，且成熟子囊果阶段鲜味最为强烈。有机酸和脂类等代谢物与羊肚菌子实体发育过程中的品质形成密切相关，VB6代谢、核黄素代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、精氨酸生物合成以及核苷酸代谢是其品质形成的重要代谢通路。其中，精氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、鸟氨酸、胍基丁胺、吡哆醛5ʹ-磷酸、吡哆醛、核黄素、次黄嘌呤和鸟嘌呤等37 种差异代谢物反映了羊肚菌子实体在不同发育阶段的蛋白质合成、能量代谢、信号传导和氮代谢的需求和调控规律，揭示了羊肚菌子实体发育过程中的品质形成机制。尤其是4-乙酰氨基丁酸、L-磷酸精氨酸和次黄嘌呤等9 种差异代谢物与营养和滋味物质具有显著相关性。总之，氨基酸代谢和能量代谢的调控是羊肚菌子实体发育过程中品质形成的关键因素。

通信作者：

任海伟，博士（后），教授，博士生导师，现为兰州理工大学生命科学与工程学院院长，甘肃省食药资源开发与生物制造行业技术中心主任。甘肃省领军人才，首批陇原青年英才，甘肃省青年教师成才奖获得者，甘肃省高等学校创新创业教育名师，陇原青年创新创业人才，第十五批“西部之光访问学者”，中科院“西部青年学者”，甘肃省科技特派员，甘肃省首批知识产权专家库专家，甘肃省省级食品检查员，金城首席科普专家。兼任中国治沙暨沙业学会文冠果及木本油料专业委员会副主任委员，中国食用菌协会羊肚菌产业分会副主任委员，《食品工业科技》青年编委，《食品研究与开发》《保鲜与加工》编委，甘肃省黄河流域生态保护和高质量发展专家库专家等。主持完成国家自然科学基金、中国博士后科学基金（特别资助和一等面上资助）、甘肃省自然科学基金重点项目等20余项课题，参与国家863计划、国家国际科技合作专项等课题5 项，公开发表学术论文120余篇，其中SCI/EI收录50余篇，授权发明专利16 件，授权实用新型专利和软件著作权40余件，获甘肃省科技进步二等奖、甘肃省教学成果二等奖、甘肃省高等学校科学研究优秀成果一等奖、甘肃省高校教师教学创新大赛二等奖等奖励。

本文《基于代谢组学解析羊肚菌子实体发育过程中的品质形成机制》来源于《食品科学》2025年46卷第16期52-62页，作者：李云帆 ，李雨昕 ，任海伟 ，向雨萌 ，郭晓鹏 ，石任杰 ，刘前逵 ，王雅钰。DOI:10.7506 / spkx1002-6630-20241224-199。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：王雨婷；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网