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菌物学报
jwxt@im.ac.cn 15 September 2014, 33(5): 1036‐1044
Http://journals.im.ac.cn Mycosystema ISSN1672‐6472 CN11‐5180/Q © 2014 IMCAS, all rights reserved.
研究论文 Research paper DOI: 10.13346/j.mycosystema.140130
基金项目:上海市科技人才计划项目(No. 13XD1424700)
*Corresponding author. E‐mail: syj0@saas.sh.cn
收稿日期: 2014‐04‐22,接受日期: 2014‐06‐24
刺芹侧耳谷氨酰胺合成酶编码基因克隆和表达分析
程向阳 1, 2 王莹 1 鲍大鹏 1 谭琦 1*
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实验室 上
海市农业科学院食用菌研究所 上海 201403
2 上海海洋大学食品学院 上海 201306
摘 要:谷氨酰胺合成酶(GS)是真菌氮素同化代谢和谷氨酸合成中的关键酶,采用 3’RACE 和 5’RACE 实验技术,
克隆获得刺芹侧耳(杏鲍菇)谷氨酰胺合成酶编码基因(PE‐GS)全长序列,长度为 1 271bp,具有 4 个内含子和 5
个外显子,编码 353 个氨基酸残基。系统进化树分析表明,刺芹侧耳 PE‐GS 与糙皮侧耳 GS 在分子进化关系上相近。
通过 real time RT‐PCR 方法对 PE‐GS 基因在刺芹侧耳基质菌丝体和子实体中的表达情况进行了分析,结果表明,刺
芹侧耳 PE‐GS 基因在子实体具有较高的表达水平,这暗示刺芹侧耳 PE‐GS 基因在子实体的氮素代谢中可能承担重要
功能。
关键词:刺芹侧耳,谷氨酰胺合成酶,氮素营养
Cloning and expression analyses of the glutamine synthetase gene of
Pleurotus eryngii
CHENG Xiang‐Yang1, 2 WANG Ying1 BAO Da‐Peng1 TAN Qi1*
1National Engineering Research Center of Edible Fungi; Key Laboratory of Resources and Utilization of Edible Fungi
(South), Ministry of Agriculture, China; Shanghai Key Laboratory of Agricultural Genetics and Breeding; Institute of Edible
Fungi, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201403, China
2College of Food Sciences and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
Abstract: Glutamine synthetase (GS) is a central enzyme of nitrogen metabolism in fungi that allows assimilation of
nitrogen and biosynthesis of glutamine. The full‐length gene of the glutamine synthetase of the mushroom Pleurotus
eryngii was cloned by using 3′RACE and 5′RACE techniques. The GS gene of P. eryngii (PE‐GS) has 1 271bp with 4 introns
and 5 exons, which coded a protein with 353 amino acid residues. Phylogenetic analysis showed that PE‐GS has the
程向阳 等 /刺芹侧耳谷氨酰胺合成酶编码基因克隆和表达分析
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closest genetic relationship with the GS of P. ostreatus. Real‐time quantitative PCR analysis revealed that PE‐GS
expression was higher in the fruit body than in the mycelia, suggesting the PE‐GS gene has the role in the nitrogen
metabolism of the fruit body.
Key words: Pleurotus eryngii, glutamine synthetase, nitrogen nutrition
谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,
GS)是氮素同化代谢过程中的一个关键酶
(Suzuki & Knaff 2005),其广泛分布于动植物、
真菌、细菌中。真菌吸收氮素之后,经过 GS
和谷氨酸合成酶(glutamate synthase,GOGAT)
构 成的 GS‐GOGAT 途 径 同化为 L‐谷氨酸
(L‐glutamic acid),进一步参与到氮素的吸收代
谢中(Heuvel et al. 2004),这是真菌进行氮源
同化代谢的主要途径之一。
目前双孢蘑菇 Agaricus bisporus(Kersten et
al. 1997)、黑曲霉 Aspergillus niger(Margelis et
al. 2001)、根内球囊霉 Glomus intraradices(Tian
et al. 2010)、酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae
(Minehart & Magasanik 1992)等多个物种的
GS 基因已被克隆,并对其功能展开深入的研
究。Breuninger et al.(2004)认为在根内球囊
霉中,GS 基因的调控发生在转录水平。Tian et al.
(2010)对两种 GS 同工酶(GiGS1 和 GiGS2)
进行了表达特征研究,表明 GiGS1 在外源氮素
浓度低的情况下发挥作用,而 GiGS2 在外源氮
素高的情况下发挥作用。Kersten et al.(1997)
发现双孢蘑菇 GS 基因活性调控发生在转录水
平和转录后水平,谷氨酰胺和铵盐的存在并不
抑制 GS 的表达。GS 基因的表达会受到发育过
程和环境条件的影响。
刺芹侧耳(杏鲍菇)Pleurotus eryngii广泛分
布于我国以及德、意、法、捷、匈、印度、巴基
斯坦等国家(刘晓红 2009),含有高比例的蛋白、
人体必需的各种氨基酸,以及丰富的多糖,是一
种很好的健康食品(Mori et al. 2008),刺芹侧耳
在我国已经被广泛地进行人工栽培。刺芹侧耳栽
培采用人工配制的培养料,氮素成分是其中主要
的营养素之一,其对刺芹侧耳产量和品质起到重
要影响(Estrada & Royse 2007;Chen et al. 2013)。
目前对刺芹侧耳不同氮源下的生理特性研究较
多(王振河等 2007;马璐等 2010),而对于氮素
代谢的分子机制尚不清楚。在丛枝菌根真菌中,
真菌吸收氮素营养后经过GS‐GOGAT途径合成谷
氨酸后,往往是通过合成精氨酸后再转运给寄主
植物(Jin et al. 2005,2012)。刺芹侧耳在形成
子实体过程中所需要的氮素营养是否也是以精
氨酸形式从基质菌丝中转运出来的,目前还没有
明确的研究证据。刺芹侧耳在营养生长阶段所吸
收同化的氮素营养以何种形式存在于菌丝细胞
中,同样缺少相关研究结论。对这些问题的研究
将有助于提高刺芹侧耳对氮素营养的吸收和转
化效率。
本研究利用 cDNA 末端快速扩增(RACE)
技术,从刺芹侧耳菌丝体中克隆出 PE‐GS 基因
序列全长,并利用生物信息学方法对其编码产
物进行了结构功能特征分析,初步阐述了 PE‐GS
基因与其编码蛋白质的结构功能特征,并采用
real time RT‐PCR 对营养菌丝和子实体中刺芹侧
耳 PE‐GS 基因表达特点进行分析,从而为进一
步研究谷氨酰胺合成酶在刺芹侧耳中氮素代谢
调控中的作用奠定了分子生物学基础。
1 材料与方法
1.1 供试菌株与培养
刺芹侧耳国森一号菌株由上海市农业科学
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院食用菌研究所保藏并提供。菌种于 PDA(土
豆 200g,葡萄糖 20g,琼脂 20g,水 1L)培养
基上保存。刺芹侧耳菌种在液体培养基(土豆
200g,葡萄糖 20g,水 1L)中 25℃培养获取新
鲜菌丝体。菌种接种于栽培培养基(木屑 45%,
玉米芯 20%,麸皮 15%,米糠 15%,玉米粉 5%,
含水量 65%–67%)上获得子实体。
1.2 基因组 DNA 的提取
刺芹侧耳基因组 DNA 采用 CTAB 法提取
(Raeder & Broda 1985)。采用琼脂糖凝胶电泳
检测提取质量,采用分光光度计 Nano Drop1000
(ThermoFisher,美国)测定核酸浓度。
1.3 刺芹侧耳 PE‐GS 基因片段的扩增
根据糙皮侧耳 Pleurotus ostreatus、双孢蘑
菇、灰盖鬼伞 Coprinopsis cinerea 的 GS 基因保
守序列设计引物 GSF(5′‐CATCTTCAAGGACCCA
TTCCGTG‐3′)和 GSR(5′‐ATGTGGCCGGTTTCATG
TCGA‐3′),用于扩增刺芹侧耳 GS基因保守片段。
扩增采用 25μL PCR反应体系(1倍 Ex Taq buffer;
0.8mmol/L dNTP mixture,0.2mmol/L forward
primer,0.2mmol/L reverse primer,0.04U/μL Ex
Taq,2ng/μL Template DNA),反应程序为:94℃
预变性 135s;94℃变性 30s,58℃退火 30s,72℃
延伸 50s 共 35 个循环;最后在 72℃下补平
7min,4℃保存。PCR 反应在 ABI VeritiTM 96 PCR
仪(Applied Biosystems 美国)上进行。
1.4 3′RACE 和 5′RACE 实验
根据已获得的 PE‐GS 基因保守片段,设计
GS基因特异性巢式PCR引物(表1),采用 TaKaRa
3′‐Full RACE Core Set 和 TaKaRa 5′‐Full RACE Kit
(宝生物工程有限公司)进行 3′RACE 和 5′RACE
反应。实验操作按照试剂盒说明书进行。根据
3′RACE和 5′RACE实验序列拼接得到的 PE‐GS基
因 cDNA 全长,在起始密码子上游和终止密码
子下游设计特异性引物 GSf‐F 和 GSf‐R(表 1),
分别以基因组 DNA 和 cDNA 为模板,扩增 PE‐GS
基因。反应体系同上,反应程序为:94℃预变
性 5min;94℃变性 30s,52℃退火 30s,72℃延
伸 2min共 35个循环;最后在 72℃下补平 7min,
4℃保存。PCR 反应在 ABI VeritiTM 96 PCR 仪上
进行。
表 1 3′RACE 和 5′RACE 实验所需要的引物
Table 1 The primers of 3′RACE and 5′RACE
引物
Primer
序列
Sequence (5′–3′)
3GSP1 GCCATTGAGAAGCTGTCACATAA
3GSP2 CCATTGAGAAGCTGTCACATAAGCACGACG
5GSP1 CGATGAGATCACGAGCGAAGAC
5GSP2 TGTCACCGCCACGGAATGGGTCCTTGAAGATG
GSf‐F GTCCCATCTCATCTTGCTCT
GSf‐R AACGTCCTTGTAATTGATATCTC
1.5 PCR 产物的克隆和测序
PCR 产物经 1.5%的琼脂糖电泳(1×TAE 缓
冲液)分离后,用 AxyPrep DNA Gel Extraction Kit
(Axygen Biosciencess 公司,美国)纯化验证符
合预测长度的电泳条带,将纯化产物连接
pGEM‐T easy 载体(Promega 公司,美国)。连
接产物转化大肠杆菌 E. coli DH5α 感受态细胞
(TianGene 公司,中国),挑取阳性菌落,经菌
液 PCR 验证后,委托上海生工生物工程股份有
限公司对载体插入片段进行测序。
1.6 数据分析
获得的 DNA 序列使用 DNAstar 软件中的
Seqman 程序进行拼接完成。在 NCBI 网站使用
BLASTx 搜索找出其编码的同源氨基酸序列。使
用 Clastalx2.0 软件进行多序列比对。
1.7 生物信息学分析
利用 ExPASyProteomics Sever 中提供的
程向阳 等 /刺芹侧耳谷氨酰胺合成酶编码基因克隆和表达分析
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Protparam tool ( Gasteiger et al. 2005 )
(http://web.expasy.org/protparam/)预测 PE‐GS
的理论分子量、理论等电点以及蛋白质的稳定
性 等 。 分 别 利 用 TMHMM Server v. 2.0
(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)和
SignalP4.1Server ( SignalP 4.0 , 2011 )
(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)预测
PE‐GS 的 跨 膜 区 和 信 号 肽 。 利 用 SOPMA
(http://pbil.ibcp.fr/htm/index.php)预测 PE‐GS
的 二 级 结 构 ; 利 用 InterProScan4
(http://www.ebi.ac.uk/Tools/pfa/iprscan/)预测
PE‐GS 的保守结构域和功能域。
1.8 刺芹侧耳总 RNA 的提取和 cDNA 的合成
刺芹侧耳总 RNA提取采用 TRIzol法(Nugent
et al. 2004)。按照 TRIzol 试剂(北京赛百胜生
物技术有限公司)的说明书分别提取了刺芹侧
耳栽培基质中菌丝体和子实体的总 RNA。其中
菌丝体取样时间为搔菌处理后 3d(取样部位为
栽培瓶中部的培养料中),子实体取样时间为原
基分化后 7d(取样部位为菌柄中段)(图 1)。
参照 Prime Script 1st Stand cDNA Synchesis Kit试
剂盒(宝生物工程有限公司,大连,中国)的
说明书,将提取的总 RNA 反转录成 cDNA,并
在‐20℃保存备用。
1.9 Real time RT‐PCR
1.9.1 引物设计:选择刺芹侧耳 β‐Actin 基因作
为内参基因(Kong et al. 2012),根据已发表的
刺芹侧耳 β‐Actin基因 cDNA基因片段(GenBank
登录号 HQ699070)和本文已经获得的 PE‐GS 基
因全长,设计合成 RT‐PCR 引物。
1.9.2 重组标准品质粒的制备:应用表 2 中的引
物,以草菇 cDNA 作为模板,进行 PCR 扩增。
50μL PCR 反应体系包含:50ng cDNA,1 倍 PCR
反应缓冲液,2mmol/L Mg2+,0.2mmol/L dNTP,
0.25μmol/L GSRT‐F(或者 Actin‐F),0.25μmol/L
GSRT‐R(或者 Actin‐R),2U TaKaRa Ex Taq(宝生
物工程有限公司,大连)。反应条件:94℃预变
性 2min;94℃变性 30s,52℃退火 30s,72℃延
伸 30s,共 30 个循环;最后于 72℃补平 5min。
PCR 反应在 ABI VeritiTM 96 PCR 仪上进行。PCR
产物的克隆使用 pGEM‐T 试剂盒(Promega 公
司,美国),按照说明书进行操作。测序由上海
生工生物工程股份有限公司完成。按照质粒快
速提取试剂盒(上海捷瑞生物工程有限公司)
的说明书纯化质粒。
图 1 Real time RT‐PCR 实验中供试样品的取样部位
A:菌丝体取样样品;B:子实体取样样品;黑色箭头
指示取样部位.
Fig. 1 The sampling location at the tested mycelia and fruit
body for real time RT‐PCR. A: Mycelial sample; B: Fruit
body sample. Black arrows point to the sampling sites.
表 2 Real time RT‐PCR 所使用的引物
Table 2 Primers for real time RT‐PCR in this study
引物
Primer
序列
Sequence (5′–3′)
GSRT‐F TGGTATCAACGCCGAAGTCA
GSRT‐R CGATGCGAACAAGGAGGTAG
Actin‐F CTCCGTCTGGATTGGTGGTT
Actin‐R CCTGACTCGTCGTATTCTTGC
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1.9.3 刺芹侧耳 PE‐GS 基因表达的 real time
RT‐PCR 分析:刺芹侧耳 PE‐GS 基因表达的定量
分析采用 real time RT‐PCR 法。测定纯化质粒的
OD 值,将 PE‐GS 和 β‐actin 重组标准品质粒 10
倍梯度稀释后,应用 SYBR Premix Ex TaqTM试剂
盒(宝生物工程有限公司,大连),分别以系列
稀 释 的 质 粒 为 模 板 在 Applied Biosystems
StepOneTM 实时荧光定量 PCR 仪( Applied
Biosystems 美国)上,以表 2 所列引物进行定
量 PCR 扩增反应,从而可以同时得到目的基因
和内标基因的标准曲线和回归方程。合成反应
总体积为 20μL,包括 Premix Ex TaqTM 10μL,
10μmol/L 正反向引物各 0.4μL,ROX reference
dye(50×)0.4μL,ddH2O 6.8μL,模板 DNA
(50ng/μL)2μL。反应条件:95℃预变性 20s,
然后 95℃变性 5s,60℃退火 15s,72℃延伸 15s,
共 40 个循环。
分析刺芹侧耳 PE‐GS 基因在菌丝体和子实
体中的相对表达量时,用供试菌株刺芹侧耳国
森一号的菌丝体和子实体的 cDNA 2μL 为模板,
分别进行 PE‐GS 基因和 β‐Actin 基因的扩增,获
得 CT 值后根据标准曲线的回归方程换算获得
对应的起始浓度,每个样品设 3 个重复。另外,
每批设 2μL ddH2O 作为模板的空白对照。反应
程序采用两步法,条件同上。
2 结果与分析
2.1 刺芹侧耳 PE‐GS 基因的克隆和分析
根据设计的保守引物进行 PCR 反应获得
718bp 的 DNA 序列,Blastx 分析表明该片段和
其他物种的同源片段有很高的相似性。通过
RACE 实验在其上下游分别扩增到 264bp 和
248bp 的基因片段。运用引物对 GSf‐F 和 GSf‐R
分别以基因组 DNA 和 cDNA 为模板,扩增出了
两条大小不同的片段(图 2),扩增结果测序后
对两条序列进行生物信息学分析。经 DNAstar
进行序列拼接后获得刺芹侧耳 PE‐GS 基因
(GenBank 登陆号 KJ466899)。
图 2 以基因组 DNA 和 cDNA 为模板扩增刺芹侧耳 GS
基因全长电泳图 Marker 为 D2000 DNA Marker;1:
基因组 DNA 为模板扩增的条带;2:cDNA 为模板扩增
的条带.
Fig. 2 The GS gene in Pleurotus eryngii amplified with
genomic DNA and cDNA as template. Lanes: Marker:
D2000 DNA marker; 1: The genomic DNA as the template;
2: The cDNA as the template.
刺芹侧耳 PE‐GS 基因序列在 NCBI 中运用
BLASTx 搜索,结果显示其与双色蜡蘑 Laccaria
bicolor 的 GS 序列(XP_001877146)有最高的比
对分数(Mix score)为 387,且相同率为 94%,
相似率为 97%,以及显著性最强(为 0)的 E
值。依据 Blastx 搜索结果,根据内含子保守性
连接序列(GT‐AG 原则),推断出所获得的 DNA
序列编码区长度为 1 271bp,含有 4 个内含子
(54bp、52bp、52bp、54bp)和 5 外显子(76bp、
44bp、361bp、531bp、47bp),可以编码 353
个氨基酸残基。比对测序结果显示,cDNA 测序
结果与上述预测结果完全一致。
2.2 刺芹侧耳 PE‐GS 蛋白基本理化性质和结构
功能的预测
利用 Protparam 软件进行在线分析,结果
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表明 PE‐GS 理论分子量为 39.05kDa,理论等电
点为 5.95,半衰期为 30h,不稳定指数(instability
index)为 39.31,属于稳定蛋白。利用 LipoP1.0
软件检测表明 PE‐GS 脂肪系数(aliphatic index)
为 71.02,总平均亲水性(grand average of
hydropathicity,GRAVY)为‐0.506,为无脂蛋白。
TMHMM 软件分析表明 PE‐GS 没有跨膜区
域,SignalP4.0 软件分析表明 PE‐GS 无信号肽。
根据这些信息推测 PE‐GS 不属于膜蛋白或分泌
蛋白,可能定位在细胞质基质或细胞器基质中。
利用 Sopma软件预测 PE‐GS的二级结构中,
α‐螺旋占 27.76%,延伸链占 17.00%,无规则卷
曲占 48.73%,β‐转角占 6.52%。InterProScan 软
件的分析显示 PE‐GS 的第 22–98 位氨基酸残基
与 gln‐synt_N 超家族同源,第 106–349 位氨基
酸残基与 gln‐synt_C 超家族同源,该区域中第
109–352 位残基包含谷氨酰胺合成酶/胍基激酶
催化域(glutamine synthetase/guanido kinase,
catalytic domain),在其第 236–252 位氨基酸残
基包含一个 GLNA_ATP 功能域,是 ATP 结合区
(Liaw & Eisenberg 1994)。该区域包含一个甘
氨酸富集位点(glycine‐rich site)(图 3),是 GS
II 蛋白的保守区域,据此推测 PE‐GS 属于 type II
型 GS(Krajewski et al. 2008)。
图 3 PE‐GS 基因的核苷酸序列和编码的氨基酸序列 单下划线:Gln‐synt_N 超家族结构域;虚线:Gln‐synt_N 结构
域;点划线:Gln‐synt_C 结构域;双划线线:谷氨酰胺合成酶/胍基激酶催化域;方框:谷氨酰胺合成酶 N 端保守位
点;灰色底纹:谷氨酰胺合成酶甘氨酸富集位点.
Fig. 3 Nucleotide sequence and the deduced amino acid sequence of PE‐GS gene. Single underline: Gln‐synt_N; Dashed:
Gln‐synt_N; Dashdotted: Gln‐synt_C; Double underline: Glutamine synthetase/guanido kinase, catalytic domain; Pane:
glutamine synthetase, N‐terminal conserved site; Grey shading: Glutamine synthetase, glycine‐rich site.
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2.3 基于刺芹侧耳 PE‐GS 蛋白序列及其同源序
列构建系统发育树
将 PE‐GS 蛋白与其他真菌同源序列进行比
对可知,其与糙皮侧耳、双色蜡蘑、灰盖鬼伞
等物种的同源序列的一致性均在 91%以上(与
糙皮侧耳的一致性达到 100%)。
利用软件 Mega5.0 中的 N‐J 法将刺芹侧耳
PE‐GS 和另外 17 种担子菌的 GS 序列构建系统
发育树(图 4)。从图 4 可以看出刺芹侧耳 PE‐GS
和糙皮侧耳 GS 聚集在同一个进化分支中,该
分 支 与 同 属 丛 枝 菌 根 真 菌 的 Hebeloma
cylindrosporum 及 Amanita muscaria 进化分支
距离较近。18 种担子菌中食用菌和丛枝菌根真
菌聚类在一起,这表明食用菌与丛枝菌根真菌
具有相近的进化关系,据此我们初步推测刺芹
侧耳存在有与丛枝菌根真菌相似的氮素代谢
途径。
2.4 刺芹侧耳 PE‐GS 基因表达特点
使用 real time RT‐PCR 分别分析了刺芹侧耳
国森一号的菌丝体和子实体中 PE‐GS 基因的表
达水平(图 5),结果显示 PE‐GS 基因在两种样
品中均有不同程度的表达,在子实体中的表达
量高于菌丝体。本实验经 3 次重复,均获得相
同的结果。由于菌丝体中 RNA 取样时期为搔菌
后第 3 天,这时基质中的菌丝体已经完成营养
生长进入生殖生长,可能对氮素营养的吸收和
同化作用已经变弱,所以 PE‐GS 基因的表达量
不高。而在子实体旺盛生长阶段(原基分化后
第 7 天)PE‐GS 基因表达量较高,这暗示其可能
参与活跃的氮素代谢,具有一定的生理功能。
图 4 基于 GS 序列构建的系统发育树(A 图)和相应编码基因的外显子和内含子位置(B 图) 黑色方块:外显子;
线段:内含子.
Fig. 4 Phylogenetic tree based on GS amino acid sequences (A) and the position of exons and introns in GS genes (B). The
black squares show exon, and the line shows intron.
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图 5 PE‐GS基因在刺芹侧耳的菌丝体和子实体中的表达
情况
Fig. 5 the expression of PE‐GS gene in mycelia and fruit
body of Pleurotus eryngii.
3 讨论
本研究采用 RACE 技术从刺芹侧耳中克隆
获得了 PE‐GS 基因的全长,并通过多种生物信
息学软件分析其编码的氨基酸序列的特性,可
以初步判定 PE‐GS 属于 type II 型 GS。通过 real
time RT‐PCR 试验分析表明,PE‐GS 基因在刺芹
侧耳的子实体旺盛生长时期有较高的表达,较
搔菌后基质中 PE‐GS基因表达量有上升的趋势,
在基质中 PE‐GS 基因的作用在于参与氮素营养
的同化作用,将外源氮素转化为谷氨酸。但是
子实体不与外源氮源直接接触,其所需的氮素
营养来源于基质菌丝体的转运,本研究初步表
明在此过程中 PE‐GS 基因有一定水平的表达,
但是其具体作用尚不清楚,有待于进一步研究。
本文的研究结果有助于深入全面理解刺芹侧耳
等木腐菌氮素营养的分子机制。
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