近日，武汉轻工大学何毅副教授团队在《Food Chemistry》（Q1，中科院1区，IF=8.8）杂志上发表了题为“Insight into selenium biofortification and the selenite metabolic mechanism of Monascus ruber M7”的文章 。何毅副教授为本论文的通讯作者，2020级硕士研究生朱利沙为本文第一作者。

摘要：红曲菌是一种功能性发酵真菌，具有巨大的补硒潜力。本论文研究了硒的生物强化对红色红曲菌M7的生长、形态和生物合成的影响。结果表明，在20 μg/mL亚硒酸盐压力下，红曲米(RYR)中橙色和红色红曲色素(MPs)产量分别显著提高了38.52%和36.57%。而真菌毒素桔霉素(citrinin, CIT)的产量从244.47 μg/g下降到175.01 μg/g。转录组学分析显示，参与MPs生物合成的12个基因表达量显著上调，特别是MpigE、MpigF和MpigN，而CIT生物合成基因簇内4个基因(mrr3、mrr4、mrr7和mrr8)的表达量下调。此外，硒化合物代谢途径中编码半胱氨酸合成酶cysK (Log₂FC = 1.6)、蛋氨酸合成酶metH (Log₂FC = 2.2)和蛋氨酸-tRNA合成酶metG (Log₂FC = 1.8)的三个基因表达量显著上调。这些发现为丝状真菌中硒的生物转化和代谢提供了新的见解。

Graphical abstract

本研究的主要内容：

1） 亚硒酸盐处理对红色红曲菌M7形态的影响

硒耐受实验表明在10-40 μg/mL的亚硒酸钠浓度下红色红曲菌M7的生长受到严重的抑制，菌落形态呈现出不完整的雪花状，菌落直径显著缩小，孢子产量显著增多，且菌丝出现短小密集的分支。

Figure 1 Colonial morphology, microscopic morphology, mycelial morphology, and MPs production of Se-treated Monascus ruber M7. (A) The colonial morphology of M7 cultivated on Na₂SeO₃-PDA medium for 15 days (the concentration of Na₂SeO₃ was 0 to 40 μg/mL). (B) The microscopic morphology of M7 cultivated on Na₂SeO₃-PDA medium for 15 days (the concentration of Na₂SeO₃ was 0 to 10 μg/mL). (C) The mycelial morphology of M7 cultivated on PDB (Control) and Na₂SeO₃-PDB (20 μg/mL Na₂SeO₃ treated) medium for 15 days. (D) The yellow, orange, and red MPs production and appearance of control RYR and Se-enriched RYR (supplemented with 20 μg/mL Na₂SeO₃). ** indicates extremely significant difference (P<0.01).

2） 亚硒酸盐处理对红色红曲菌M7的红曲色素和桔霉素产量的影响

与未添加亚硒酸钠处理的红曲米相比，实验组的富硒红曲米中橙色素和红色素的含量分别提高了0.39和0.37倍，颜色呈现出较深的砖红色。CIT的产量从244.47 μg/g 降低至175.01 μg/g。外源硒处理对红色红曲菌M7的红曲色素和桔霉素的生物合成具有调控作用。

3） 红色红曲菌M7中硒的生物积累

在含有20 μg/mL的亚硒酸钠的培养基中培养15天后，红色红曲菌M7菌丝中的硒积累高达1080.00 μg/g。硒形态测定结果表明富硒红曲菌的菌丝中硒代蛋氨酸和硒代胱氨酸为主要硒形态，含量分别为303.76 μg/g 和39.91 μg/g，这表明富硒红曲菌在硒补充方面具有良好的应用前景。

Figure 2 Total Se content (A) and Se species (B) in Se-enriched M7. SeCys₂: Selenocystine; SeMet: Selenomethionine.

4） 红曲色素和桔霉素生物合成中的差异基因分析

与未加亚硒酸钠处理的对照组相比，富硒红曲菌中MPs合成途径的12个基因的表达量显著上调，特别是MpigE、MpigF和MpigN的Log₂FC值超过了3，这与红曲色素含量增多的变化保持一致。此外，CIT生物合成基因簇中的mrr3、mrr4、mrr7和 mrr8的表达量显著下调。富硒红曲菌中CIT产量减少可能归因于相关基因的表达量下调、不同基因簇之间的相互作用（crosstalk ）及生物量的减少。

5） GO和KEGG富集分析

GO富集分析结果表明硒处理加快了一些小分子代谢、磷酸盐代谢和碳水化合物代谢，但是硒胁迫降低了红色红曲菌M7中氧化还原酶、催化酶和双加氧酶的活性。硒压力对红曲菌的分子功能铁离子结合能力及细胞膜的完整性均有负面影响。KEGG富集分析结果表明硒处理加快了一些途径，包括代谢途径、次级代谢产物的合成、微生物在不同环境中的代谢以及氨基酸的生物合成，这些途径可能在红色红曲菌M7应对硒胁迫中起到至关重要的作用。但是较高的硒浓度也对红曲菌的微生物代谢不利，特别是一些脂肪酸和氨基酸的降解。

6） 转录组学分析初步揭示了红曲菌中亚硒酸盐的还原机制

荧光定量PCR、酶活测定实验和转录组数据初步揭示了红曲菌中亚硒酸盐的还原机制。在参与硒化合物代谢途径中，编码半胱氨酸合成酶CysK、蛋氨酸合成酶metH和蛋氨酸-tRNA合成酶metG的基因表达量显著上调，表明这些基因可能是红色红曲菌M7中硒还原的关键基因。此外，在加硒处理后，许多编码还原性酶的基因表达量也呈现上调的趋势，这些酶包括谷胱甘肽还原酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶、硫氧还蛋白还原酶。谷胱甘肽合成途径中的限速酶γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶的酶活也显著增强。总之，红色红曲菌M7中硒酸盐的还原涉及到多种酶和多种还原途径。

Figure 3 Putative selenocompound metabolic pathway in Se-treated M7 along with verification. (A) M7 and M.pigB strains were cultivated on PDA medium at 28 °C for 14 days. (B) M.pigB strain was cultivated in PDB medium with or without 20 μg/mL Na₂SeO₃ treatment at 28 °C and 180 rpm for 7 days. (C) Putative selenocompound metabolism in Se-treated M7. M7 were cultured in Na₂SeO₃-PDB medium for 15 days at 28 °C and 180 rpm, with a concentration of 20 μg/mL Na₂SeO₃. In the metabolism, the genes significantly up-regulated (Log₂FC>1) were marked with red color; the genes up-regulated but not significant (0<Log₂FC<1) were marked with orange color; the unchanged genes were marked with black color; the dashed line indicates that the reaction cannot proceed. cysK: cysteine synthase; CGS: cystathionine gamma-synthase catalyzing cystathionine gamma; CBL: cystathionine gamma-synthase catalyzing cysteine-S-conjugate beta; metH: 5-methyltetrahydrofolate-homocysteine methyltransferase; metG: methionyl-tRNA synthetase; CTH: cystathionine gamma-lyase; GTK: cysteine-S-conjugate beta-lyase; trxB: thioredoxin reductase; γ-GCS: gamma-glutamylcysteine synthase; GSH: glutathione; GSSG: oxidized glutathione; GPX: glutathione peroxidase; GR: glutathione reductase. (D) The verification of key genes by RT-qPCR. The asterisk denotes statistically significant differences: ** indicates P<0.01; *** indicates P<0.001.

结论：红曲菌是世界上具有很高价值的可食用真菌，但目前我们对红曲菌的硒生物强化和亚硒酸盐代谢机制的了解仍然有限。研究表明，亚硒酸盐处理对红曲菌菌丝的生长和菌落扩散有明显的抑制作用，但对孢子的产生有显著的促进作用。此外，亚硒酸盐还对红曲菌的次级代谢产物的生物合成有调控作用，特别是能促进橙色素和红色素的产生，抑制有毒CIT的形成。此外，转录组分析揭示了红色红曲菌M7中亚硒酸盐还原的潜在机制、参与的关键基因和酶。本篇文章综合分析了红色红曲菌M7经亚硒酸钠处理后的生长、菌落特征、次级代谢产物生物合成和亚硒酸盐的代谢机制，为探究其在硒的生物转化和硒补充方面的新应用提供基础支持。

创新性/应用前景：红曲菌在生长发育过程中可以产生丰富且有益的次级代谢产物，比如红曲色素、莫纳可林K、麦角固醇等，在食品和医药行业具有广阔的应用前景。微生物具有较强的硒转化能力，可以将外源无机硒转化为具有生物活性的有机硒。因此微生物的硒转化是当前的研究热点，但目前很少有关于对红曲菌的硒生物强化和亚硒酸盐代谢机制的研究报道。通过研究红曲菌的硒生物强化及其还原机制可以拓宽红曲菌在实际生产中的应用，为开发新型功能性红曲制品提供理论支撑。富硒红曲菌或者红曲米有望成为我们日常补充硒元素的新选择，未来也应加强这方面的研究。

专家/团队介绍

何毅，博士，副教授，硕士生导师，武汉轻工大学硒科学与工程现代产业学院富硒微生物资源开发与利用科研团队负责人。湖北省楚天学者计划“楚天学子”，湖北省自然科学基金杰出青年基金获得者，湖北省优秀“三区”科技人才，湖北省首批中小微企业“科技副总”。主要从事富硒微生物分离鉴定及应用，硒元素的微生物发酵代谢转化及富硒机理研究，功能性发酵（富硒）食品的开发与应用。主持国家自然科学基金（2项）、科技部对外科技援助项目子课题、湖北省杰出青年基金、湖北省重点研发项目、企业委托课题和成果转化等纵横向项目20余项。相关研究成果发表学术论文50余篇，授权国家发明专利8项，主编著作1部。

朱利沙，武汉轻工大学硒产业学院2020级硕士研究生，德国亥姆霍兹感染研究中心在读博士生，目前以第一作者或共同第一作者在Food Chemistry, LWT-Food Science and Technology, Foods, Journal of Fungi 等期刊发表SCI论文6篇，主要研究方向为红曲菌次级代谢产物研究与调控。