作者：贺元川1,2，王嘉1,2，卫秋阳1,2，陈康3，胡印3，陈仕江1,2*，刘翔1,2*

单位：1.重庆中医药学院；2.重庆市中药研究院；3.重庆中医药高科技发展有限公司

简介：贺元川 ，女，四川隆昌人，副研究员，硕士，从事冬虫夏草的人工培殖与野生抚育研究。*通信作者：陈仕江，研究员，从事冬虫夏草的人工抚育及开发利用研究；刘翔，研究员，博士，从事冬虫夏草的资源学研究。

基金项目：重庆市级科研院所绩效激励引导专项（cstc2023jxjl-jbkyX0002)；重庆市技术创新与应用发展专项重点项目（CSTB2024TIAD-KPX0049)；重庆市中药研究院院管项目(zzkjjh2022007)；重庆英才计划创新创业领军人才项目（CQYC20220301627)。

来源：《安徽农业科学》2026年8期

引文格式：贺元川,王嘉,卫秋阳,等.基于基因组和代谢组学的冬虫夏草菌虫草素生物合成代谢途径研究[J].安徽农业科学,2026,54(8):149-156,186.

冬虫夏草（Ophiocordyceps sinensis）是我国传统名贵中药材，其为冬虫夏草菌［Ophiocordyceps sinensis (Berk.) G.H. Sung et al.］侵染青藏高原高山草甸土中的蝙蝠蛾幼虫后形成的菌虫复合体。根据《中华人民共和国药典》（2025年版）记载，冬虫夏草具有补肾益肺、止血化痰之功效，主要用于肾虚精亏、阳痿遗精、腰膝酸痛、久咳虚喘、劳嗽咯血等症的治疗。学界已证实，冬虫夏草主要包括虫草素、虫草多糖、甘露醇等活性成分，相关药理研究较为充分，但关于这些活性成分尤其是虫草素的体内生物合成途径及关键功能基因的研究仍较为匮乏。

虫草素在抗肿瘤方面的活性备受关注。已有研究表明，它可诱导胰腺癌细胞、胆管癌细胞、卵巢癌细胞、乳腺癌细胞、睾丸癌细胞、舌癌细胞、食管癌细胞等肿瘤细胞凋亡，并抑制其在体内的增殖与转移，其作用机制可能与干预肿瘤细胞DNA损伤修复、阻滞细胞G2/M期、延长DNA双链断裂持续时间等有关。此外，临床试验研究表明虫草素可增强免疫力，提高肿瘤细胞对铂类药物的敏感性，有效减轻非小细胞肺癌术患者在化疗期间的副作用；若将虫草素搭载在新型药物传递系统纳米材料上，可以增强其对肿瘤细胞的毒性，进一步提升应用潜力。

目前，由于冬虫夏草菌培育温度低、周期长，因此关于虫草素的合成途径研究均以可快速培育的蛹虫草为研究对象，现有研究已报道蛹虫草依赖于喷司他丁保护的腺苷合成路径和腺嘌呤再循环补救路径。尽管近年来研究均证实冬虫夏草含有虫草素，但关于冬虫夏草菌虫草素的生物合成路径仍鲜见系统报道。

目的

探索冬虫夏草菌合成虫草素的代谢网络，为其深度研究和生物技术应用提供理论依据。

方法

结合高通量测序技术和比较基因组学，完成冬虫夏草菌全基因组测序和组装，预测和鉴定参与虫草素生物合成的潜在关键酶基因。同时，基于液相色谱-质谱联用（LC-MS）的非靶向代谢组学技术，分析冬虫夏草子实体的代谢谱，筛选与虫草素合成相关的差异代谢物。通过关键基因功能与差异代谢物动态的联合分析，并利用KEGG通路富集分析，推断虫草素可能的生物合成途径。

结果

◆不同产地冬虫夏草虫草素含量测定

不同产地冬虫夏草虫草素测定结果显示，小金崇德和那曲巴青产的冬虫夏草虫草素含量比其他产地更高，那曲巴青产的冬虫夏草虫草素含量（1.1504μg/g）是果洛（0.1457μg/g）的8倍，将不同产地组织分离的冬虫夏草按照虫草素含量高低依次编号为1～25，最后取虫草素含量最高的那曲巴青冬虫夏草分离的菌株BQ1纯培养物进行后续测序分析。

◆菌株鉴定

分离的BQ1菌株在加富PDA培养基上，16℃下恒温培养70d左右，形成直径7～8mm的浅褐色菌落，背面有少量黑褐色色素分泌。90d后，菌落表面隆起，菌落直径可达1～2cm，菌落白色或黄褐色，在菌落的中心布满浅浅的白或褐色的菌丝层，菌丝上可产生少量的分生孢子(图1)。

图1 斜面培养菌落(A)和菌丝(B)

从图1可以看出，分离菌株在加富PDA培养基上菌丝生长稀疏，菌丝表生，基生菌丝较少，菌丝无色，具有分枝和隔膜，表面平滑或具微疣，宽2.2～4.3μm（部分可达5.4μm）。分生孢子梗无色，单生或成簇着生于球形细胞组成的子座上，其形态结构多样，为简单的无柄产孢细胞或由产孢细胞与1～6个支撑细胞组成的复合结构，部分主梗还在特定隔膜处轮生产孢细胞或产生分枝。孢子梗形态直立或向外弯曲，尺寸为（56.0～103.0)μm×(4.8～8.7)μm。产孢细胞为瓶形小梗，无色，单点内壁产孢，长17.3～47.6μm，基部宽3.2～5.4μm，逐渐向上窄成细颈，顶端颈宽1～2μm。分生孢子无色，无隔膜，表面平滑，呈肾形或长椭圆形，大小(5.4～14.0)μm×(3.2～4.3)μm，常由2～6个孢子被黏液包被成簇。分子鉴定结果表明，BQ1与线虫科冬虫夏草菌的相似度均为100%（图2），为冬虫夏草菌的纯培养物。

图2 分离菌株分子鉴定比-对结果

◆基因功能的比较和基因产物的同源分类

冬虫夏草菌BQ1的基因组大小111.4Mbp，共6条染色体，GC含量为45.43%，N50为17.66Mbp，共注释蛋白编码基因9519个，平均长度1481bp。采用软件ALLHIC对基因组contigs互作进行分析（图3A），Hi-C辅助组装得到了染色体水平全基因组（图3B）。

图3 全基因组水平构建的互作矩阵图（A）和全基因组图谱（B）

将染色体级别基因组中7245个基因与GO、KEGG、KOG、NR、Pfam和Swiss-Prot数据库比对，比对注释结果显示（图4），NR数据库注释到7098个，KEGG数据库注释到6544个，GO数据库注释到4866个。KEGG注释显示参与氨基酸代谢基因数目为226个，参与核苷酸代谢基因数目为99个（图5A）；KOG注释显示参与氨基酸代谢基因数目最多，其次是参与核苷酸代谢基因数目（图5B）。因此，冬虫夏草菌有大量基因参与氨基酸与核苷酸代谢，这些基因可能与虫草素合成相关。在冬虫夏草基因组中，共鉴定出148840个串联重复单元。

图4 冬虫夏草组与各个数据库比对注释结果

图5 冬虫夏草基因组KEGG代谢通路（A）和KOG功能分类（B）注释结果

◆基因组共线性和基因顺序保守性

比较基因组学分析表明，冬虫夏草菌和蛹虫草(Cordyceps militaris)（Cordyceps militaris斜体）基因组之间存在差异，如图6所示，二者基因组之间存在部分易位（Translocation）、倒置（Inversion）以及易位与倒置（Trans+Inver）并存的结构变异，但两者基因组之间存在大量的系统发育匹配区域，表明两者可能存在共同的代谢途径。

图6 全基因组共线性分析（A）和全基因组结构变异类型配对（B）

◆次生代谢物生物合成基因簇

在冬虫夏草菌基因组中预测到了8种次级代谢物BGC，如图7显示包括NRPS、T1PKS、Terpene等。PKS能合成聚酮类化合物，主要有T1PKS、T2PKS和T3PKS，可用于研制抗生素、抗菌剂等；Terpene是萜类化合物的总称，具有重要的生物活性，是进行产物研究和新药开发的重要来源；NRPS能合成非核糖体肽(non gribosomal peptides，NRP)，在真菌的生长发育过程中发挥着重要作用，该蛋白在真菌致病过程中扮演着重要角色，由多个催化结构域组成的高度模块化的肽合成酶，包括腺苷酰化结构域(A结构域)、巯基化结构域(T结构域)和缩合结构域(C结构域)。

图7 基因簇及相应基因数量统计

◆虫草素生物合成代谢途径分析

虫草素生物合成关键基因注释分析。通过对数据的分析，冬虫夏草合成虫草素的关键基因可能包括腺苷激酶（图8A）、腺苷酸激酶（图8B）、核糖核酸还原酶（图8C）和5′-核苷酸酶（图8D）。

注：A.腺苷激酶；B.腺苷酸激酶；C.核糖核酸还原酶；D.5′-核苷酸酶。

图8 关键基因序列比对结果

关键基因结构分析。针对冬虫夏草菌、已知可合成虫草素的蛹虫草(Cordyceps militaris)以及产黄头孢霉(Acremonium chrysogenum)中的生物合成关键基因进行对比分析，结果显示，冬虫夏草菌中腺苷激酶、腺苷酸激酶基因序列与蛹虫草的高度保守序列相同（图9A和图9B），然而核糖核酸还原酶的大亚基编码基因则缺少一段重要保守序列（图9C)。图9D显示，BQ1菌株拥有2条5′-核苷酸酶编码基因，其中一条基因比蛹虫草同源基因缺少一段保守序列，另一条（编号A3758）与NCBI数据库中已报道的5′-核苷酸酶序列相似性达到98%。

注：A.腺苷激酶；B.腺苷酸激酶；C.核糖核酸还原酶；D.5′-核苷酸酶。

图9 关键基因保守序列比较

生物合成代谢途径图构建。结合冬虫夏草菌的代谢成分， 构建冬虫夏草菌生物合成代谢途径图（图10）。图10显示，冬虫夏草菌参与虫草素生物合成的相应基因和酶，包括腺苷激酶、腺苷酸激酶、核糖核酸还原酶和5′-核苷酸酶，冬虫夏草菌通过腺苷激酶将腺苷转化为合成虫草素的前体物质，后通过腺苷酸激酶、核糖核酸还原酶和5′-核苷酸酶的作用合成虫草素。

图10 冬虫夏草菌生物合成虫草素代谢途径

结论

通过基因组和代谢组整合分析，在系统生物学水平上初步构建了冬虫夏草菌虫草素的生物合成通路网络，鉴定出了多个关键候选基因与代谢节点，为进一步验证功能基因以及利用合成生物学策略生产虫草素奠定了理论基础。