白蚁-共生微生物系统降解木质纤维素研究进展

开发利用木质纤维素材料能显著增加地球上可再生资源的储备量.白蚁分布广泛,常见于热带和亚热带地区,它们借助细菌、古细菌、真菌等肠道微生物和原生动物协同降解食物中的木质纤维素,在生态系统的碳、氮循环中发挥着十分重要的作用.本文概括了近年来白蚁肠道微生物研究的进展,特别是近年来已被证明的肠道微生物在木质纤维素降解方面的作用,...     

培菌白蚁菌圃微生物降解木质纤维素的研究进展

白蚁及其共生微生物协同降解植物细胞壁的机理一直被世界各国科学家所关注。培菌白蚁作为高等白蚁,相比低等食木白蚁具有更多样化的食性,其利用外共生系统“菌圃”,对多种植物材料进行处理。本文综述了菌圃微生物降解木质纤维素的研究进展,以期为深入研究菌圃中木质纤维素降解过程及其机制,并挖掘利用菌圃降解木质纤维素的能力及仿生模拟菌圃开发新的生物质利用系统提供参考。培菌白蚁在其巢内利用由植物材料修建的多孔海绵状结构——“菌圃”来培养共生真菌鸡枞菌Termitomyces spp.,形成了独特的木质纤维素食物降解和消化策略,使木质纤维素在培菌白蚁及其共生微生物协同作用下被逐步降解。幼年工蚁取食菌圃上的共生真菌菌丝组成的小白球和老年工蚁觅得食物并排出粪便堆积到菌圃上成为上层菌圃。这一过程中,被幼年工蚁取食的共生真菌释放木质素降解酶对包裹在植物多糖外部的木质素屏障进行解聚。菌圃微生物(包括共生真菌)对解聚的木质素基团进一步降解,将多糖长链或主链剪切成短链,使菌圃基质自下而上被逐步降解。最后下层的老熟菌圃被老年工蚁取食,其中肠的内源酶系及后肠微生物将这些短链进一步剪切和利用。因此,蚁巢菌圃及其微生物是培菌白蚁高效转化利用木质纤维素的基础。化学层面的研究表明,菌圃能够实现对植物次生物质解毒和植物纤维化学结构解构。对共生真菌相关酶系的研究显示可能其在菌圃的植物纤维化学结构和植物次生物质的降解中发挥了作用,但不同属共生真菌间其效率和具体功能不尽相同。而菌圃中的细菌是否发挥了作用和哪些细菌类群发挥了作用等仍有待进一步的研究。相比于低等食木白蚁利用其后肠共生微生物降解木质纤维素,培菌白蚁利用菌圃降解木质纤维素具有非厌氧和能处理多种类型食物两大优势,仿生模拟菌圃降解木质纤维素的机制对林地表面枯枝落叶的资源化利用具有重要意义。     

白蚁肠道微生物

对近年来白蚁肠道微生物方面的研究成果作一综述,主要强调白蚁肠道中存在的原生动物、发酵性细菌、固氮菌、螺旋体、同型产乙酸细菌、产甲烷细菌和硫酸盐还原菌对白蚁消化木质纤维素类食物有着重要的作用。     

白蚁肠道共生体的纤维素代谢体系

白蚁是大陆生态系统中木质纤维素降解的生力军,其肠道共生系统纤维素酶对纤维素的消化起到了关键的作用.本文概述了白蚁自身及其肠道共生微生物的纤维素水解系统的特点、相互关系以及相互作用的研究进展.     

木质纤维素的微生物降解

木质纤维素广泛存在于自然界中,因结构复杂,其高效降解需要多种微生物的协同互作,由于参与木质纤维素降解的微生物种类繁多,其协同降解机理尚不完全明确。随着微生物分子生物学和组学技术的快速发展,将为微生物协同降解木质纤维素机制的研究提供新的方法和思路。笔者前期研究发现,细菌复合菌系在50℃下表现出强大的木质纤维素降解能力,菌系由可分离培养和暂时不可分离培养细菌组成,但是可分离培养细菌没有降解能力。通过宏基因组和宏转录组研究表明,与木质纤维素降解相关的某些基因表达量发生显著变化,通过组学方法有可能更加深入解释微生物协同降解木质纤维素的微生物学和酶学机理。文中从酶、纯培养菌株和复合菌群三个方面综述了木质纤维素微生物降解研究进展,着重介绍了组学技术在解析复合菌群作用机理方面的现状和应用前景,以期为探索微生物群落协同降解木质纤维素的机理提供借鉴。     

筛选微生物降解木质纤维素的研究进展

木质纤维素资源是自然界中含量丰富的可再生资源,利用微生物降解木质纤维素是一种重要的策略。在综合国内外对木质纤维素降解微生物的筛选方法和研究策略的基础上,从单一菌株、复合微生物菌系和组学技术三个方面对筛选微生物降解木质纤维素进行了总结和分析,阐述了各个策略的优势特点和应用价值,即单一菌株易于培养但降解能力较低,复合菌系降解能力强但传代稳定性较差,组学技术能够更好的解释微生物降解木质纤维素的机理,为筛选木质纤维素降解微生物提供一定的指导。同时提出使用合成生物学的策略进行相应微生物的筛选,旨在为筛选高效降解木质纤维素的微生物提供一定的参考。     

象白蚁肠道中一个纤维素降解菌群的分离和特性研究

利用滤纸培养基从象白蚁(Nasutitermes sp.)肠道中分离出一个具有纤维素降解能力,能够降解滤纸的混合菌群。在起始pH 6.5,37℃培养条件下培养6d可得到最高的纤维素酶(CMCase和FPase)活性。在优化条件下,混合菌群的滤纸降解率在第15d达到最大值66.3%,显示出较高的滤纸降解效率。酶谱活性染色分析显示,混合菌群在以滤纸为唯一碳源的生长过程中至少表达了8种内切葡聚糖酶和4种木聚糖酶。扫描电镜观察到该混合菌群包含短杆状和球形两种形态的细菌。基于16SrRNA基因的系统发育分析表明,该混合菌群中至少存在两种细菌,分别属于沙雷氏菌属(Serratia)和类芽胞杆菌属(Paenibacillus)。这两种细菌协同降解纤维素的机制值得进一步深入研究。     

白蚁及共生微生物木质纤维素水解酶的种类

白蚁是热带生态系统重要的木质纤维素降解者。白蚁种类丰富,可分成高等白蚁和低等白蚁,食性也具有各自特点。白蚁自身可以产生纤维素酶,主要是GHF9的内切葡聚糖酶(EG),也有β-葡萄糖苷酶(GB)。低等白蚁共生的原虫中已发现丰富的纤维素酶基因,属于GHF5,7和45。同时还有其他相关功能基因,如木聚糖酶和果胶类物质水解酶。高等白蚁肠道中没有共生原虫。高等培菌白蚁可以利用共生蚁巢伞属真菌促进木质纤维素降解,真菌可以产生纤维素酶,果胶质水解酶类、木聚糖酶,同时还产生可能与木质素分解相关的一种漆酶,但是从分子水平,关于共生真菌纤维素水解酶的研究还较少。白蚁肠道已分离出许多具有木质纤维素降解能力的菌株,最近的研究也发现了大量细菌纤维素酶基因。白蚁-共生系统丰富的木质纤维素水解酶类为发展生物方法开发纤维素乙醇这一思路提供有价值的资源。     

白蚁肠道微生物研究方法概述

白蚁是木质纤维素的主要降解者,在森林生态系统碳氮循环过程中发挥着重要作用。白蚁肠道共生微生物主要包括原生生物、细菌、古菌和真菌。在白蚁对木质纤维素进行降解、发酵,从而产生乙酸、氢气和甲烷以及对氮的固定过程中,白蚁肠道共生微生物起着重要的作用。本文对白蚁肠道微生物的研究方法进行总结,概述了各种方法的优缺点,同时对肠道微生物的研究进展进行了总结,以期为白蚁肠道微生物的进一步研究和利用提供参考。     

白蚁消化系统转化和降解木质纤维素酶研究进展

木质纤维素是地球上最丰富的有机聚合物,白蚁是古老但进化最成功的高效木质纤维素降解者之一.了解白蚁降解高度抗性植物聚合物的机制对工业上生物质能源转化和生物仿生设计有重要的借鉴和指导价值.白蚁和其共生微生物产生的木质纤维素酶在其转化利用木质纤维素上发挥着重要作用.本文从来源作用方面对白蚁自身及其肠道原虫、细菌和真菌产生的纤...     

Termite-Microbe Symbiotic System and Its Efficient Degradation of Lignocellulose

Termites thrive in the tropics and play an important role in lignocellulose degradation. This ability depends mainly on intestine microbes in the gut, but most of them are so-called unculturable microbes, which can not be cultivated by traditional culture methods. The recent development of molecular approaches such as the PCR method has made it possible to access the enormous numbers of unculturable microbes in the gut of termites.

This review explains our research on the ecological role of the termite, the termite-microbe symbiotic system, and the functions of lignocellulose degradation using various molecular methods. In the future, new technologies such as genomics should make it possible to analyze and utilize unculturable microbial resources in natural environments.     

Extended disease resistance emerging from the faecal nest of a subterranean termite

Social insects nesting in soil environments are in constant contact with entomopathogens but have evolved a range of defence mechanisms, resulting in both individual and social immunity that reduce the chance for epizootics in the colony, as in the case of subterranean termites. Coptotermes formosanus uses its faeces as building material for its nest structure that result into a ‘carton material’, and here, we report that the faecal nest supports the growth of Actinobacteria which provide another level of protection to the social group against entomopathogens. A Streptomyces species with in vivo antimicrobial activity against fungal entomopathogens was isolated from the nest material of multiple termite colonies. Termite groups were exposed to Metarhizium anisopliae, a fungal entomopathogen, during their foraging activity and the presence of Streptomyces within the nest structure provided a significant survival benefit to the termites. Therefore, this report describes a non-nutritional exosymbiosis in a termite, in the form of a defensive mutualism which has emerged from the use of faecal material in the nesting structure of Coptotermes. The association with an Actinobacteria community in the termite faecal material provides an extended disease resistance to the termite group as another level of defence, in addition to their individual and social immunity.     

白蚁与动物及微生物的共生类型及其机制

综述了白蚁螱客的主要种类、共生关系及相关机制的研究进展。白蚁螱客中,已报道的动物种类达170种。在与动物的共生关系中存在偏利共生（宾主共栖和异种共栖）、互利共生和无关共生三种;在与微生物的共生关系中,存在与内生菌（原生动物、细菌、真菌和放线菌）和外生菌（蚁巢伞菌等）间的互利关系。指出了白蚁与螱客研究中存在的问题,给出了解决方案,并提出了今后可能的研究热点或方向,为白蚁的综合利用（如纤维素酶）及今后研究物种间的协同进化提供了基础资料。     

白蚁肠道共生微生物的作用:酵母,一个“隐身”的特别菌群

长期以来,白蚁对木质纤维素的降解能力令人惊叹,毫无疑问,其在全球碳循环中扮演着一个十分重要的角色。这一强大功能的实现极大地依赖于一种特别的肠道\"消化液(digestome)\",它的构成不仅包括了来自白蚁自身产生的木质纤维素降解酶系统,还来源于独特与多样的肠道共生微生物的贡献(包括了古细菌、细菌、酵母以及其他真核生物),它们的协同作用能有效地将木质纤维素生物质高效转化为乙酸、甲烷、二氧化碳、氢气等物质。然而,到目前为止,我们对这类昆虫的独特肠道生物转化系统的认识还很不深入,特别是针对肠道内的那些各类共生微生物菌群的功能、白蚁与共生微生物间的相互关系、以及潜在的科学与应用价值还无法给予明确的科学解释,更不用说针对其肠道中的共生酵母菌群,一类通常被忽略的独特微生物。近20多年来,越来越多的研究证据表明,白蚁肠道共生酵母在与寄主的关系中表现了不可或缺的重要性与独特功能,已被证明广泛分布于不同白蚁及许多其他昆虫的肠道中。随着近20年来越来越多昆虫肠道共生微生物酵母群被发现和鉴定,他们潜在的功能以及与寄主的共生机制被逐步解析,这些研究结果进一步揭示了\"隐身\"的昆虫肠道酵母类微生物菌群与寄主的营养、关键生物质转化过程中的重要酶系统、转化过程中的关键中间产物的转化与利用、抵御外源性的重要病原物,甚至对白蚁种群繁衍的远缘交配等方面均可能发挥了重要和不可缺少的作用。本文将试图归纳相关研究的最新进展,系统总结与解析白蚁肠道来源共生酵母的重要科学价值及其在不同领域的潜在应用前景。