华中农业大学陈福生教授团队在中国科学院重点学术期刊《科学通报》上发表了题为“古老而充满魅力的红曲菌”的综述论文。

摘要：

红曲菌(Monascus spp.)又称红曲霉, 是我国传统特色的药食同源发酵产品——红曲的生产菌种。红曲霉菌种在中国食品和制药行业中作为发酵菌种而广为人知。 红曲菌可产生天然食品着色剂红曲色素(Monascus pigments, MPs)、降血脂成分莫纳可林K(monacolin K, MK)以及丰富的淀粉酶和酯化酶等酶系, 红曲菌的发酵产品红曲在我国有近2000年的应用历史. 但是某些红曲菌株也可产生真菌毒素桔霉素(citrinin,CIT), 污染红曲产品, 导致食品安全问题. 研究人员通过不懈努力, 目前已经解决了红曲产品中CIT污染的问题, 关于MPs、MK和CIT等红曲菌主要次级代谢产物生物合成途径及其调控机理的研究也取得了重大突破。

本综述论文中系统的梳理了近30年来所取得的关于红曲菌独特繁殖调控与光磁感应机理, 以及MPs、MK和CIT等主要次级代谢产物的生物合成途径及其调控机制的研究进展, 并展望了红曲菌的未来研究方向, 最后阐述了红曲行业面临的挑战及其应对策略。

1.红曲菌独特的繁野调控机制作

目前,已知参与构巢曲霉等丝状真菌分生孢子产生的调控基因fluG、sfgA、flbB、flbC、flbD、flbE、velB、velC、vosA、veA、nsdD、stuA、medA、brlA、abaA和wetA等. 其中, 由BrlA、AbaA和WetA组成的所谓分生孢子“中心调控途径”在调控曲霉属分生孢子的形成过程中起着至关重要的作用。

图 1 红曲菌与构巢曲霉分生孢子的产生结构(a)及其中心调控途径(b)

2.红曲菌的光磁感知机理

蓝光和磁场对红色红曲菌M7的影响存在协同作用. 有研究表明, 蓝光受体与磁感应受体蛋白(MagR)之间可形成相互结合的复合体，红曲菌中可能存在的新蓝光受体蛋白。目前有关光照和磁场对生物的影响机理, 仍存在很大争议.我们期望通过对红曲菌中新蓝光受体的挖掘, 以及对光照和磁场耦合影响机理的探究, 可为平息相关争议作出贡献.

3.红曲菌分子生物学的研究进展

本文章对 红曲菌的基因编辑方法/红曲菌次级代谢产物生物合成途径的研究进展及红曲菌中G-蛋白信号传导途径的研究进行了阐述。

采用分子生物学技术结合酶学、合成生物学与现代仪器分析方法, 系统解析了红色红曲菌M7的MPs基因簇中全部16个基因(mrpigA-mrpigP)的功能, 阐明了MPs的生物合成途径，如下图所示。

图2.红曲色素(Monascus pigments, MPs)的合成基因簇及其生物合成途径

CIT生物合成机制的研究始于20世纪50年代, 早期主要采用同位素示踪等方法研究CIT的生物合成途径, 由于合成CIT的具体酶催化过程不清楚, 所以相关研究结果受到质疑. 为阐明CIT的准确生物合成过程, 我们以高产CIT和MPs的红色红曲菌M7为研究对象, 基于其基因组信息, 发现了长为7.9 kb的CIT合成基因簇, 然后通过基因敲除、异源表达与体外酶反应等, 成功解析了CIT的生物合成途径, 并修正了过去关于CIT合成途径中存在的一些错误。

图3：桔霉素的合成途径

4. 红曲菌发酵产品的研究现状与展望

在我国，红曲菌及其发酵产品红曲一直被广为用于食品和医药等行业，相关产品也已出口到美国、英国、法国、日本、韩国等国家. 按产品的主要用途划分，红曲可分为功能红曲、色素红曲和酿造红曲。所称功能红曲,主要是指MK高含量(>0.4%)的红曲,目标之前已开发成药品和多种健康食品; 色素红曲是指MPs含有大量的固态发酵红曲米,以及液体状态发发酵产物的MPs提取物——红曲红和红曲黄,它主要用做食品; 酿造红曲是指富含各种水解酒/酸系的红曲,它们作为发酒剂或酿酒剂主要用于黄酒、食醋和蒸酒等酿造工. 尽管有关红色曲目产品的研究和应用在过去几十年中逐步显现着，但仍有很大的发展空间。

5.结论

本文系统梳理了红曲菌独特繁殖调控机制与光磁响应机理、SMs合成途径、G蛋白信号传导途径以及红曲菌发酵产品在食品和医药行业应用等方面的重要研究进展和关键科学问题。同时，还提出了红曲菌发酵产品开发的未来方向和机遇。因此通过系统和深入的研究, 有望丰富对红曲菌等丝状真菌甚至生物界的普遍性认识, 并将其研究发展成为具有中国特色的“模式微生物”(modelmicroorganism).