食用菌黑色素代谢的研究进展

潘 越， 冯志勇， 陈 辉， 陈明杰， 汪 虹， 张津京

(1. 国家食用菌工程技术研究中心 农业部南方食用菌资源利用重点开放实验室 上海市农业遗传育种重点开发实验室 上海市农业科学院食用菌研究所，上海 201403； 2. 南京农业大学生命科学学院， 南京 210095)

颜色几乎是自然界所有生物的重要表观特征之一。人们对颜色的研究起源已久，黑色素是影响生物颜色的主要因素之一。黑色素代谢对生物的生长至关重要，黑色素代谢异常就可能会导致白化个体的出现。白化个体形成的主要原因是这些个体缺失了与黑色素合成相关的基因或这些基因的表达受到抑制，导致黑色素的合成受到阻碍[1]。例如，在真菌领域中，桑红等人对白化新生隐球菌进行过研究，发现新生隐球菌白化突变是由于漆酶基因部分序列的缺失导致的[2]。

关于黑色素代谢异常与白化菌株形成的关系在真菌中已有研究，鄢洪海等人通过对玉米弯孢叶斑病菌白化菌株与黑色菌株的对比研究发现，白化菌株的致病性明显减弱，而该病菌产生的黑色素是一个与致病性相关的重要因子，因此认为白化菌株的形成与黑色素的代谢异常具有密切关系[3]。目前国内已经有研究白色食用菌的报道，如白色金针菇，白色侧耳，白色真姬菇等等[4-6]。白色食用菌具有鲜美独特的口味，因此深受消费者的青睐。但是白色食用菌菌株普遍表现出生长能力变弱，对营养条件和环境条件要求较高，抗逆能力变差等现象[7]，因此白色食用菌的形成机理亟待研究。目前的研究认为，食用菌白化菌株的形成主要是由于食用菌中黑色素的代谢异常导致的，黑色素合成相关酶的异常代谢则是最主要的因素。鉴于此，本文对近年来食用菌黑色素代谢的相关研究进行了简要综述，以期为食用菌白化菌株形成机理的研究提供参考。

1 食用菌黑色素合成途径

食用菌中黑色素的合成途径主要有两种：L-dopa途径和DHN途径(图1)[8, 9]。

1.1 L-dopa途径

L-dopa途径与哺乳动物中黑色素的合成途径较为相似，该途径中存在两种前体物质——L-dopa(左旋多巴)和酪氨酸。它们分别在漆酶和酪氨酸酶的催化作用下形成多巴醌，多巴醌氧化成多巴色素后再通过构像变化形成二羟吲哚，二羟吲哚在聚合作用下最终形成黑色素[10]。

1.2 DHN途径

在DHN途径中，首先由小分子前体物质乙酰coA和丙二酰coA在聚酮合成酶的催化下形成1, 3, 6, 8-四羟基萘(1, 3, 6, 8-THN)，在一系列氧化还原反应的作用下，形成小柱孢酮、柱孢醌和1, 3, 8-三羟基萘等中间体，最终形成1, 8-二羟基萘(DHN)，DHN在酚氧化酶的氧化聚合作用下即可形成黑色素[11]。

图A为L-dopa途径；图B为DHN途径。

图1食用菌黑色素合成的两种代谢途径
Fig 1 Comparison of L-dopa (A) and DNH (B) melanin synthesis pathways
(引自Helene C 2012)

2 食用菌黑色素合成相关的酶

2.1 L-dopa途径中的关键酶

2.1.1 酪氨酸酶

酪氨酸酶(Tyrosinase)是一种含铜糖蛋白，一般也称为多酚氧化酶，是生物体合成黑色素的关键酶[12]。它主要在L-dopa途径中发挥作用，催化酪氨酸羟化而启动一系列生化反应，在此过程中，酪氨酸酶主要参与两个反应过程：催化L-酪氨酸羟基化转变为L-多巴和氧化L-多巴形成多巴醌。多巴醌再经一系列反应后，最终生成黑色素[13]。如果酪氨酸酶受到抑制，黑色素的合成就会受到影响。在食用菌中，双孢蘑菇的酪氨酸酶较早受到关注，20世纪70年代，Turner等人就提出酪氨酸酶可能在双孢蘑菇黑色素的合成中发挥相当重要的作用[14]。Wangsa 等人进一步研究了双孢蘑菇中酪氨酸酶的晶体结构，这对食用菌黑色素合成机制的研究具有重要的指导作用[15]。

食用菌白化菌株的形成可能是由于黑色素合成过程中关键酶的表达受到抑制，因此对这些酶的抑制剂的研究尤为重要。近年来，国内外对酪氨酸酶抑制剂的研究层出不穷，黑色素是酚类化合物的聚合物，有研究表明，单酚基化合物对食用菌中酪氨酸酶的活性有明显的影响[16]。近年来，随着对酪氨酸酶研究的深入，越来越多的酪氨酸酶抑制剂受到研究者的关注， Jin Hee KIM等人从紫云英提取物中分离到一种酪氨酸酶天然抑制剂——毛蕊异黄酮，经过实验验证，该物质对食用菌中酪氨酸酶的抑制作用非常显著，且该物质没有任何毒性，对食用菌的生长没有任何影响[17]。Anan 等人在对寡肽类物质进行研究时发现，两种寡肽序列可以影响食用菌酪氨酸酶的活性，通过竞争性抑制作用抑制酪氨酸酶的表达[18]。Danielle等人通过对白藜芦醇类似物的研究认为，多种白藜芦醇类似物可以对食用菌酪氨酸酶有显著的抑制作用，并指出这类物质主要是通过酚醛环第4位碳上的羟基化来发挥其抑制作用的[19]。另外，含间苯二酚结构的化合物大多是酪氨酸酶的抑制剂，当对位存在取代基时，这类化合物具有很强的酪氨酸酶抑制活性，它们可以与酪氨酸酶的双铜离子活性中心结合，因此可以对酪氨酸酶产生竞争性抑制作用[19]。

2.1.2 漆酶

漆酶(Laccase)是一类性质相近又不完全相同的多酚氧化酶的总称，它是一种含铜的多酚氧化酶[20， 21]。漆酶具有广泛的底物作用范围，可以氧化降解包括单酚、邻苯二酚等多种酚类化合物及其衍生物，也可以氧化降解一些不含酚羟基的酚类类似物[22]。由于黑色素的合成过程涉及到多种酚类化合物，因此漆酶在黑色素的合成过程中具有重要的作用。在铜离子存在的情况下，漆酶可以催化L-dopa途径中黑色素的合成，将L-3, 4-二羟苯丙氨酸氧化成为多巴醌，再进一步合成黑色素[23]。Masaru等人报道了香菇中漆酶与黑色素合成的关系，研究发现漆酶活性与香菇菌褶褐化的程度成正相关，因此认为漆酶在香菇黑色素合成过程中发挥了一定的作用[24]。Yuko等人使用香菇的两种不同功能的漆酶建立了一种嵌合体漆酶，认为香菇的一种漆酶——Lcc4在黑色素合成中发挥作用，且Lcc4的N末端为活性部位[25]。

漆酶如果受到抑制，黑色素的合成就会受到影响。因为漆酶是一种含铜蛋白质，因此某些铜的鳌合剂如氰化物、叠氮化物和EDTA等均可阻碍漆酶催化功能的发挥。曲酸是公认的漆酶抑制剂，Giuseppe Battaini等人在对曲酸进行研究时认为，曲酸对包括漆酶在内的多数多酚氧化酶均具有抑制作用[26]。由于曲酸的这种对黑色素合成的抑制作用，它已经被广泛应用于美白及脱色工业之中[27]。

2.2 DHN途径中的关键酶——聚酮合成酶

聚酮合成酶(Polyketide Synthases)是一类复杂的多酶体系，多以脂酰CoA 为底物，通过重复的脱羧缩合过程产生线性聚酮化合物或环状的酮内酯[28]。有研究认为在DHN合成途径中，一种聚酮合成酶在此途径中发挥重要作用，它可以催化1, 3, 6, 8-四羟基萘的合成，然后再经过一系列的氧化还原反应最终生成黑色素[29]。Tang等人在研究香菇褐化机理时发现，聚酮合成酶在与O-甲基转移酶、P450-单氧化酶及漆酶的共同作用下参与了香菇的褐化反应，因此认为聚酮合成酶在香菇黑色素合成中发挥了一定的作用[30]。

聚酮合成酶基因缺失或者表达受到抑制时，黑色素的合成就会受到影响。张鑫等人通过RNA干扰技术获得了聚酮合成酶基因沉默的转化子，发现聚酮合成酶表达量减少的转化子产黑色素的能力明显降低，菌落颜色变浅，验证了聚酮合成酶在黑色素合成中的重要作用[31]。

3 食用菌黑色素合成的其他影响因素

除了黑色素合成途径中各种关键酶的作用，外部环境对黑色素的代谢也存在不可忽视的影响。有研究报道，由于黑色素较为稳定，且由于它的疏水性，它在大多数溶剂中都不可被溶解，因此不易降解[32]。pH值对黑色素的合成具有重大的影响，Francisco等研究了不同pH值条件下黑色素合成的情况，结果显示，在不同的pH值下，黑色素合成过程中会产生不同的产物[33]。另一方面，黑色素可以溶解于碱性溶剂，因此在碱性的条件下黑色素有可能被破坏。另外由于黑色素合成过程中的多种酶为铜离子依赖酶，所以铜离子的存在对黑色素的形成也有至关重要的影响[8]。

4 展望

随着中国食用菌产量的不断增长，人们对食用菌产品品质的要求也不断提高，白色食用菌以其独特的外观和口感，更为消费者所喜爱，故白色食用菌品种更具市场价值。而食用菌中黑色素代谢与白色食用菌的形成密切相关，因此，对食用菌黑色素代谢进行深入研究，找到该代谢途径的关键基因，并揭示其作用机理，对于白色食用菌品种的开发具有重要意义。目前国内外对食用菌黑色素代谢的研究鲜有报道，相关研究开展较少，相信随着国内外研究者对食用菌黑色素代谢及食用菌白化菌株研究的不断深入，必定能揭示白色食用菌的形成机理，推动食用菌白色品种的开发进程。

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