来源：J Fungi (Basel) | 编译：DNA Lab Space
蛹虫草（Cordyceps militaris）作为重要的药用真菌，其产生的虫草素具有抗肿瘤、抗炎、免疫调节等多种生物活性。然而，人工培养条件下虫草素产量低、菌株退化快等问题严重制约了其产业化发展。一篇发表于 Journal of Fungi 的最新综述系统梳理了蛹虫草生物量与虫草素生产的关键影响因素，从营养条件、环境因子、发酵模式到分子调控机制，全面剖析了提升次生代谢产物产量的研究进展与未来方向，为高值化利用这一珍贵药用真菌提供了系统性理论支撑。
研究背景
蛹虫草隶属于子囊菌门麦角菌科，是我国传统名贵中药材冬虫夏草的重要替代资源。其子实体和菌丝体中富含虫草素（3′-脱氧腺苷）、虫草多糖、麦角甾醇等多种活性成分，在医药、保健食品和化妆品领域具有广阔的应用前景。近年来，随着虫草素在抗病毒（包括SARS-CoV-2）、抗肿瘤及免疫调节等方面的药理机制被逐步揭示，市场对高纯度虫草素的需求日益增长。
然而，蛹虫草人工栽培面临多重挑战：一是优良菌株选育进展缓慢，野生菌株人工驯化后易发生退化，导致子实体产量和活性成分含量不稳定；二是液体发酵过程中虫草素分泌水平低，通常仅为每升数毫克至数十毫克，难以满足工业化生产需求；三是不同菌株间在形态发生、代谢网络和基因表达层面存在显著差异，缺乏普适性的高产调控策略。因此，系统解析生物量积累与虫草素生物合成之间的关联规律，建立可预期的生产优化框架，成为该领域亟待攻克的核心课题。
研究方法
该综述采用文献计量分析与系统归纳相结合的方法，对近二十年来蛹虫草固体栽培和液体发酵领域的研究成果进行了全面梳理。研究者按照“菌株选育—培养基优化—环境调控—发酵模式—分子机制”的逻辑主线，对原始研究论文中的实验设计、产量数据和调控策略进行了分类比较。
综述重点分析了几个方面的实验技术路线：在菌株选育层面，对比了野生采集、诱变育种（紫外、化学诱变和复合诱变）、原生质体融合及基因组改组等策略对高产菌株筛选效率的影响。在培养基优化层面，系统考察了碳源（葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉等）、氮源（蛋白胨、酵母提取物、蚕蛹粉等）以及碳氮比（C/N）对菌丝体生物量和胞内外虫草素积累的差异化作用；同时汇总了正交试验和响应面法在微量元素（Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺）配比优化中的典型应用案例。在环境调控方面，归纳了温度（20–25℃）、光照（光照强度与光周期）、pH值及溶氧水平对蛹虫草形态分化与次生代谢的调节效应。此外，综述还梳理了固体发酵（大米、小麦、蚕蛹培养基）与液体深层发酵（摇瓶与发酵罐）在不同尺度下的产能差异，以及连续提取和原位分离等下游工艺对提高虫草素得率的促进作用。
在分子机制层面，综述整合了转录组学和代谢组学研究的进展，讨论了虫草素生物合成基因簇（如 Cns1–Cns4）的表达调控规律，以及组蛋白去乙酰化酶抑制剂（如伏立诺他）和DNA甲基转移酶抑制剂（如5-氮杂胞苷）对沉默基因激活的潜在应用价值，为化学表观遗传学修饰提高虫草素产量提供了新颖思路。
研究结果
综述揭示了一系列关键发现。在营养条件方面，碳源类型显著影响虫草素产量：以葡萄糖为碳源时，虫草素产量通常高于蔗糖和可溶性淀粉，但不同菌株间表现出明显的底物偏好性；氮源中，蛋白胨和酵母提取物更有利于菌丝体生长，而有机氮源（如蚕蛹粉）在固态发酵条件下对虫草素合成的促进效果更为突出。适宜的碳氮比范围集中在10:1至30:1之间，过高或过低均会抑制次生代谢产物的积累。值得注意的是，多种微量元素中，Zn²⁺和Mn²⁺对虫草素合成具有正向调节作用，Fe²⁺则可能起相反效应，具体机制可能与金属离子参与酶活性中心构象有关。
在环境因子调控方面，光照是影响子实体形成和虫草素含量的重要因素。与连续黑暗相比，适当的光照周期（如12小时光照/12小时黑暗）能显著促进原基形成和子座分化，同时提高虫草素含量。温度方面，液态发酵时22℃左右最有利于虫草素积累，而菌丝体生长最适温度通常稍高。初始pH为6.0–7.0时虫草素产量最高，这与培养基中腺苷磷酸化途径的酶活性密切相关。
发酵方式对比研究发现，固体发酵（尤其以大米为基质的培养）能够获得较高的虫草素绝对含量（通常为每克干基数毫克至数十毫克），但发酵周期长、劳动强度大；液体深层发酵虽然虫草素体积产率较低（通常为0.5–3.0 g/L下的毫克级水平），但具有周期短、参数可控性强的优势，适合工业化放大。一些研究通过两阶段发酵策略（先富集菌丝体，后优化代谢条件）或添加前体物质（如腺苷和甲硫氨酸），成功将虫草素产量提高了2–5倍。
分子层面的研究进展尤为值得关注。虫草素的生物合成并非简单的线性途径，而是涉及腺苷磷酸化、去氧戊糖途径和多个氧化还原反应的复杂网络。转录组分析表明，高产地菌株中与氨基酸代谢、碳代谢和转运蛋白相关的基因显著上调，而表观遗传调控剂的添加能够重新激活在长期传代中沉默的次级代谢基因簇，从而恢复甚至超越原始菌株的产素能力。这些发现从分子水平解释了菌株退化机制，并提出了可行的逆转策略。
讨论与展望
该综述系统整合了蛹虫草生物量和虫草素生产领域的研究积累，揭示了营养-环境-分子三重调控在次生代谢中的协同效应。尽管现有研究已取得显著进展，但若干关键问题仍待突破。首先，菌株特异性的代谢差异使得单一优化条件难以普适推广，建立基于基因组背景的分类调控模型显得尤为必要。其次，固体培养与液体制备之间的产量换算缺乏统一标准，导致不同文献中的产量数据可比性不足。未来应建立标准化的检测方法和评价指标体系。
从产业化角度看，利用合成生物学手段对虫草素生物合成途径进行异源重构或启动子工程改造，有望实现对产量和纯度的双重提升。同时，将廉价农业废弃物作为发酵基质，配合膜分离和树脂吸附等绿色提取技术，可显著降低生产成本。该综述为此提供了系统性的研究参考，为后续将蛹虫草从“传统栽培”推进到“精准制造”奠定了基础。
参考来源
Kontogiannatos D, Koutrotsios G, Xekalaki S, Zervakis GI. Biomass and Cordycepin Production by the Medicinal Mushroom Cordyceps militaris—A Review of Various Aspects and Recent Trends towards the Exploitation of a Valuable Fungus. Journal of Fungi, 2021, 7(12): 986. DOI: 10.3390/jof7120986.