基于整合组学的分析揭示了阿魏酸在促进米根霉（Rhizopus oryzae）共生产4-乙烯基愈创木酚（4-vinyl guaiacol）和富马酸（fumaric acid）过程中的作用

时间：2026年2月3日

来源：Bioresource Technology

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本研究通过整合组学方法，揭示费尔利酸（FA）促进米曲霉（Rhizopus oryzae）中4-乙烯桂酚（4-VG）与延胡索酸共生产机制。FA与葡萄糖共补充使延胡索酸产量提升16.9%，并激活三羧酸循环及氧化还原代谢途径，重定向碳流至羧酸及脂肪酸代谢，蛋白质组学证实FA通过双重调控策略（上调能量生产、过氧化物体及脂代谢相关酶，下调氨基酸合成相关蛋白）实现代谢重构，为生物精炼提供新框架。

Xin Li|Shanshan Wu|Xueyu Tang

中国南京林业大学化学工程学院高效加工与利用森林资源江苏省协同创新中心，南京 210037，中华人民共和国

摘要

木质纤维素衍生酚类的高效利用仍是可持续生物制造领域面临的主要挑战之一。本研究采用综合组学方法，探讨了阿魏酸（FA）如何激活Rhizopus oryzae同时生产4-乙烯基愈创木酚（4-VG）和富马酸的过程。阿魏酸与葡萄糖的共补充显著提升了代谢性能，使富马酸的产量增加了16.9%，并促进了4-VG的合成。代谢组学分析表明，阿魏酸通过强化三羧酸循环和氧化还原途径，同时将碳流从氨基酸生物合成重新导向C4-二羧酸和脂肪酸代谢。蛋白质组学分析证实了其双重调控机制：上调参与能量产生、过氧化物酶体功能和脂质代谢的酶的表达，同时下调氨基酸和核糖体蛋白的表达。综合组学数据的分析表明，阿魏酸既可作为底物，也可作为类似信号分子的代谢调节因子，推动生产优化和氧化还原平衡的状态。这种系统的重新配置最大化了双产物的能量和前体利用效率。该研究为阿魏酸诱导的代谢适应性提供了机制上的见解，为木质纤维素生物精炼厂的代谢工程和工艺强化提供了理论基础。

引言

将木质纤维素生物质高效转化为高价值化学品对于推动生物经济发展和减少对化石资源的依赖至关重要（Devi等人，2022年）。在木质纤维素衍生的多种产品中，4-乙烯基愈创木酚（4-VG）和富马酸因其在工业上的应用前景而备受关注（Mishra等人，2014年；Xu等人，2012年）。4-VG是阿魏酸的芳香衍生物，在食品、香料和香精行业中因其独特的烟熏和丁香香气而受到重视（Tang等人，2024年）。富马酸作为一种C4-二羧酸，被美国能源部列为重点平台化学品之一，广泛应用于食品添加剂、树脂和可降解塑料领域（Werpy和Petersen，2004年）。开发这两种化合物的共生产策略将显著提高木质纤维素生物精炼厂的经济可行性。

Rhizopus oryzae是一种多用途的丝状真菌，在有机酸生产中有着悠久的应用历史。它能够通过EMP途径、三羧酸（TCA）循环和还原性TCA循环高效合成富马酸，并伴随氨基酸代谢和脂肪酸代谢（Yu等人，2012年）。此外，我们之前的研究还发现阿魏酸能够激活R. oryzae同时生产4-VG和富马酸（Tang等人，2024年）。

先前的研究已经报道了在阿魏酸存在下R. oryzae可以共生产4-VG和富马酸（Tang等人，2024年）。这些研究主要关注共生产现象的可行性，而阿魏酸如何重新编程真菌生理以实现这一双重产物的具体代谢机制尚未得到充分探索。我们的综合组学方法首次全面系统地揭示了阿魏酸如何重新编程细胞代谢：它不仅作为4-VG形成的底物，还作为类似信号分子的代谢调节因子，协调代谢重配置，增强TCA循环流量、氧化还原平衡和能量效率，从而实现双产物的形成。

阿魏酸（FA）是木质纤维素预处理过程中释放的最丰富的酚类化合物之一，由于其细胞毒性和膜破坏特性，通常被认为是一种生长抑制剂（Zhang等人，2016年；Barbasz等人，2025年）。然而，最新研究表明，芳香化合物也可以作为信号分子或代谢激活剂，超越其作为底物的作用来重新编程微生物代谢（Li等人，2025年）。这提出了一个重要问题：阿魏酸是否不仅可以作为4-VG的前体，还可以作为代谢激活剂来增强R. oryzae中的富马酸生物合成？

要回答这个问题，需要从系统层面进行探究。以往关于微生物对木质纤维素衍生物反应的研究主要集中在产物产量或单一组学数据上，无法捕捉代谢重配的复杂性。综合组学方法能够将代谢物动态与酶级调控联系起来，深入揭示外围芳香代谢如何与中心碳代谢相互作用。

在本研究中，我们设计了以葡萄糖为唯一碳源的两阶段发酵实验（图1），并通过代谢组学和蛋白质组学分析来阐明阿魏酸在R. oryzae中激活4-VG和富马酸共生产中的作用。发酵实验表明，阿魏酸不仅促进了富马酸的积累，还促进了4-VG的形成。代谢组学分析显示，阿魏酸的添加将碳流从葡萄糖代谢重新分配到苯丙素类物质的分解和TCA循环中。蛋白质组学分析发现过氧化物酶体和TCA循环相关酶的表达上调，以及过氧化物酶体和脂肪酸生物合成途径的激活，证实了细胞代谢的协调重编程。这些结果表明，阿魏酸既作为前体，也作为代谢调节因子发挥作用，颠覆了其作为抑制剂的传统认知，为木质纤维素的利用提供了新的框架。

材料

本研究中使用的Rhizopus oryzae菌株来源于中国工业微生物菌种保藏中心（CICC 40351）。阿魏酸、葡萄糖和CaCO₃购自新华制药试剂有限公司。其他化学品均为分析级，由新华制药试剂有限公司提供。

种子培养基的成分包括：40 g/L葡萄糖、4.4 g/L (NH₄)₂SO₄、0.5 g/L MgSO₄·7H₂O、0.6 g/L KH₂PO₄、0.0176 g/L ZnSO₄·7H₂O等。

阿魏酸激活Rhizopus oryzae共生产4-VG和富马酸

首先评估了阿魏酸对R. oryzae以葡萄糖为碳源的发酵的影响，以探讨其在调节双重产物合成中的作用（第二阶段）。如表1所示，当以葡萄糖为唯一碳源时，该真菌能够高效地将葡萄糖转化为富马酸，富马酸为主要产物（14.28 g/L），而未检测到4-VG的生成。

结论

阿魏酸显著改变了Rhizopus oryzae的代谢方式，实现了4-乙烯基愈创木酚和富马酸的高效共生产。阿魏酸与葡萄糖的共补充使富马酸的产量增加了16.9%，并促进了4-VG的同步生成。代谢组学分析显示，三羧酸和氧化还原代谢得到增强，氨基酸减少，脂肪酸中间体积累，表明碳和能量被重新定向用于次要产物的生成。