黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物群落的分析简

黄翅大白蚁（ Macrotermes barneyi）具有高效降解木质纤维素的能力,其后肠内存在着丰富的共生微生物。采用活性电泳和变形梯度凝胶电泳的方法对黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物群落进行分析。活性电泳实验证实了此微生物群落纤维素酶的存在（内切葡聚糖酶、β葡萄糖苷酶和木聚糖酶）,变形梯度凝胶电泳实验鉴定出微生物组的群落结构,即7种细菌和3种真菌。本研究初步阐明了黄翅大白蚁后肠内与滤纸降解相关的微生物种类,为进一步了解黄翅大白蚁纤维素的降解机制以及生物质资源的高效利用提供了理论基础。     

黄翅大白蚁后肠几丁质降解微生物的分离与鉴定

【目的】从培菌白蚁——黄翅大白蚁后肠微生物菌群中分离能降解几丁质的细菌。【方法】以胶体几丁质为唯一碳源,根据胶体几丁质水解透明圈的大小进行筛选。通过形态学、生理生化以及16SrRNA基因序列分析进行菌株鉴定。【结果】从黄翅大白蚁肠道中筛选到8株能够降解胶体几丁质的细菌,它们分别属于芽孢杆菌属(Bacillus)、短芽孢杆菌属(Brevibacillus)、纤维单胞菌属(Cellulomonas)、指孢囊菌属(Dactylosporangium)、黄杆菌属(Flavobacterium)、类芽孢杆菌属(Paenibacillus)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)。8株菌均具有几丁质酶、β-葡萄糖苷酶和内切葡聚糖酶活性。【结论】从黄翅大白蚁后肠中获得8株能够降解胶体几丁质并具有其他碳水化合物降解酶活性的细菌,这一研究为了解白蚁肠道微生物协助白蚁消化食物机制提供了依据。     

黄翅大白蚁后肠优势菌大白蚁营发酵菌的全基因组序列分析

【目的】营发酵单胞菌属Dysgonomonas是黄翅大白蚁后肠的第二优势微生物。前期研究中,我们从黄翅大白蚁后肠分离出一种命名为大白蚁营发酵菌的新菌。为深入了解大白蚁营发酵菌在宿主白蚁体内发挥的作用和功能,有必要解析大白蚁营发酵菌的基因组序列信息。【方法】使用Illumina Miseq测序平台获取该菌的全基因组序列,将其全基因组序列经过注释的基因蛋白质序列提交COG和KEGG数据库进行BLASTp比对分析,确定该菌潜在的重要酶类和代谢途径,并对个别纤维素酶活进行检测。【结果】大白蚁营发酵菌整个基因组大小为4655756 bp,GC含量为38.54%,DDBJ数据库登录号为BBXL01000001–BBXL01000078。生物信息学分析结果表明菌株大白蚁营发酵菌具有多个木质纤维素降解酶基因,且具备完整的木质纤维素降解和乙酸、乳酸生成通路。此外发现该菌株中存在与氮源代谢和抵御病原体相关的基因。【结论】本研究首次解析大白蚁营发酵菌的全基因组序列,了解其基因组基本特征,初步探讨了该菌降解木质纤维素的过程,为细菌协助宿主白蚁降解木质纤维素提供了理论基础,同时为该菌可能参与宿主白蚁氮源代谢和抵御病原体入侵提供了依据。     

高效降解木质纤维素的白蚁肠道微生物组

木食性白蚁是自然界木质纤维素的高效降解者,在长期进化过程中白蚁与其肠道微生物组协同作用发展出不同的纤维素降解机制。木食性白蚁具有分别来源于白蚁和共生微生物的两套纤维素酶系统。在低等白蚁中,木质颗粒经过白蚁前、中肠分泌的内源性酶初步消化后,在后肠共生鞭毛虫中被降解为乙酸、二氧化碳和氢。高等木食性白蚁在进化中丢失了鞭毛虫,木质颗粒经白蚁自身分泌的酶初步消化后,在后肠大量共生细菌的帮助下被有效降解。培菌类白蚁利用其菌圃中的蚁巢伞菌和肠道微生物协同作用降解木质纤维素。共生微生物在白蚁的氮素固定与循环、中间产物代谢及纤维素降解等过程中发挥了重要作用。学习和模拟白蚁高效降解木质纤维素的体系,对生物质能源的产业化发展具有积极的意义。     

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。     

一株培菌白蚁后肠木聚糖降解细菌的分离与鉴定

【目的】从培菌白蚁——黄翅大白蚁肠道微生物菌群中分离能降解木聚糖的细菌。【方法】以木聚糖为唯一碳源,利用刚果红染色,根据透明圈大小进行筛选。通过显微形态,革兰氏染色及16S r RNA基因序列分析进行菌株鉴定。二硝基水杨酸(DNS)法测定细菌生长过程中木聚糖酶酶活变化,比较酶活与菌株生长状况的关系。【结果】从黄翅大白蚁肠道中筛选到一株具有较高木聚糖降解活性的革兰氏阳性菌Mb1,16S r RNA基因序列分析表明为类芽孢杆菌属细菌,命名为Paenibacillus sp.Mb1。该菌培养72 h后菌体浓度达到最高,木聚糖酶酶活主要存在于培养液上清中,酶活在对数期增长快,在培养96 h时达到最高值,之后趋于稳定。【结论】从黄翅大白蚁肠道中分离出一株具有较高木聚糖酶活的类芽孢杆菌,可作为产细菌木聚糖酶的潜在优良菌株。     

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维素酶、木聚糖酶和漆酶等酶研究概况进行了总结,对其存在的问题和前景进行了展望。本综述有助于全面了解白蚁消化系统木质纤维素酶的基因种类、来源、分布、表达以及酶活性和功能。     

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。     

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。     

白蚁及其共生菌来源的4种木质纤维素酶的共表达

天然的木质纤维素材料含有纤维素、半纤维素和木质素等成分。降解天然木质纤维素底物时,需要木质纤维素酶共同作用。近年在木质纤维素酶的相互协同作用方面的研究引起人们的关注,成为一个新的研究热点,文中使用两个不同的共表达载体pETDuet-1和pRSFDuet-1,在大肠杆菌中共表达了白蚁及其肠道微生物来源的β-葡萄糖苷酶、内切β-1,4-葡聚糖酶、漆酶和木聚糖酶这4种木质纤维素酶,经过SDS-PAGE分析得到了与理论值一致的蛋白条带,同时经过酶活验证,这4种蛋白都具有酶活性。以磷酸处理的微晶纤维素(PASC)为底物,测定了共表达酶粗酶液与单独表达酶混合液的协同作用因子,从还原糖的产量上经计算共表达的粗酶液比单独表达酶的混合液对PASC的降解协同作用提高44%;以滤纸和磷酸处理的玉米芯为底物,测定降解协同作用,分别提高了34%和20%。结果表明,共表达酶的降解效率要高于混合的单组分酶液降解效率的总和。     

低等白蚁肠道共生微生物的多样性及其功能

低等白蚁肠道里存在着复杂的微生物区系,包括真核微生物鞭毛虫和原核生物,细菌及古细菌。低等白蚁的后肠以特别膨大的囊形胃及其氢氧浓度的明显梯度分布和丰富的微生物区系为特征,是白蚁进行木质纤维素消化的主要器官。后肠内的鞭毛虫能将纤维素水解并发酵为乙酸,二氧化碳和氢,为白蚁提供营养和能源。系统发育研究表明,低等白蚁肠道共生细菌的主要类群为白蚁菌群1、螺旋体、拟杆菌,低G C mol%含量的革兰氏阳性菌和紫细菌等。而古细菌主要为甲烷短杆菌属的产甲烷菌。共生原核生物与二氧化碳的还原和氮的循环等代谢有关。但肠道共生微生物的具体功能和作用机制还有待进一步的揭示。     

木质素增量取食对台湾乳白蚁消化系统的影响

木质素代谢是白蚁消化木质纤维素的关键环节之一。本文利用木质素增量喂食台湾乳白蚁Coptotermes formosanus Shiraki,通过测定其取食量、体内酚氧化酶含量、纤维素酶活性的变化及后肠微生物群落16s rRNA基因Illumina Hi Seq高通量测序比较分析来研究木质素取食对低等白蚁消化系统的影响。结果表明:木质素取食组内源性(前肠/唾液腺)酚氧化酶含量的显著大于大于对照组,内源及外源性纤维素酶活性均小于对照组,尤其BG酶活性显著小于对照组;1%木质素对乳白蚁取食有一定的抑制作用,其后肠细菌多样性及丰度较对照组有所下降,但无显著的组间群落结构差异;Metastat、LDA(LDA Effect Size)及组间T-检验属水平群落差异分析显示,乳白蚁后肠核心菌群(相对丰度1%)Dysgonomonas属、弧菌属在木质素取食组中相对丰度显著小于对照组,Candidatus Azobacteriodes属相对丰度则显著大于对照组,它们在木质素增量取食引起的细菌群落变化中起关键作用。     

一株纤维素降解真菌的筛选及鉴定

[目的]分离筛选高效降解纤维素的真菌菌株,并研究其产酶能力.[方法]利用刚果红染色法从甘蔗地土壤中分离纤维素降解真菌,再通过测定滤纸的降解率及发酵酶活复筛.[结果]综合考虑水解圈,水解圈和菌株直径的比值(HC值),滤纸的降解率和复筛酶活,对试验真菌降解纤维素的能力进行综合评价,筛选到具有较强纤维素降解能力的真菌菌株SJ1,经形态学观察及分子生物学鉴定,该菌属于草酸青霉.其滤纸酶活、内切葡聚糖酶酶活(CMC酶活)、β-葡聚糖苷酶酶活和外切葡聚糖酶酶活(CBH酶活)分别为25.15、740.42、58.03和2.442 U/mL.[结论]菌株SJ1是一株十分具有研究开发潜力的纤维素酶生产菌株.     

一株玉米秸秆纤维素降解放线菌的筛选、鉴定及酶学特性研究

为解决玉米秸秆固废污染和秸秆资源有效利用问题，采用刚果红染色法（水解圈法）和3，5-二硝基水杨酸（DNS）法从玉米秸秆还田土壤中筛选到一株纤维素降解菌，并对该微生物进行生理生化和分子生物学鉴定，发现该菌株降解纤维素效果较好，经鉴定该菌株为纤维素链霉菌（Streptomyces cellulosae），命名为SJS-15，并对该菌株的酶学特性及纤维素降解能力进行了初步研究。结果表明，菌株SJS-15在发酵培养基中的纤维素酶活（CMC）峰值为30.5 U/mL，最适反应pH为6.0，滤纸酶活（FPA）峰值为25 U/mL，最适反应pH为8.0，两种酶均能在温度20~60 ℃，pH 4.0~10.0范围内保持较高酶活性。纤维素分解实验表明菌株SJS-15对玉米秸秆和滤纸有分解能力，40 d时对玉米秸秆降解率为35.6%（质量分数，下同），对滤纸降解率为18.6%。扫描电镜结果显示经菌株处理的玉米秸秆较对照有明显降解痕迹。菌株SJS-15具有良好的抗逆性和玉米秸秆纤维素分解能力，可作为玉米秸秆还田和堆肥发酵的高效菌株进行进一步研究。     

曲酸对台湾乳白蚁纤维素酶活的抑制与应用研究

为了探究有害白蚁的安全防控新技术,本文研究了生物源活性物质曲酸对建筑结构主要害虫台湾乳白蚁纤维素酶活性的抑制效果。在室内条件下选择1%曲酸溶液滤纸饲喂白蚁,分别于饲喂6 h、12 h、1 d、3 d、5 d、7 d时收集白蚁消化道,采用还原糖法测定了白蚁消化道的滤纸酶活性(FPA)及内切β-1,4-葡聚糖酶(EG)、β-葡萄糖苷酶(BG)和纤维二糖水解酶(CBH)的比活力,并观测记录供试白蚁的体重与死亡率变化。结果显示,除6 h处理样的FPA和CBH活性影响不显著外,其余处理对白蚁纤维素酶活性均有显著的抑制作用,且随处理时间的延长曲酸对台湾乳白蚁纤维素酶活抑制率增强,抑制率显示FPAEG≥BGCBH。曲酸处理7d后,白蚁活动能力明显减弱,工蚁体重显著降低且死亡率显著升高。曲酸与氟虫脲联合喂食处理对台湾乳白蚁FPA和EG活性的抑制效果高于氟虫脲单独饲喂台湾乳白蚁,而且白蚁死亡率也显著提高。研究表明曲酸对于白蚁纤维素酶活性具有抑制效果,对于氟虫脲具增效作用,可为白蚁治理新技术的研究提供参考。     

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。     

1株产纤维素酶细菌的筛选、鉴定及生长特性

分离筛选高效降解纤维素的菌株,并研究其生物学特性。利用刚果红染色法从腐烂的玉米秸秆中分离纤维素降解菌,再通过测定滤纸的降解率及多种酶活复筛。综合考虑水解圈和菌落直径(HC值),滤纸的降解率和酶活,对所筛选的菌株进行纤维素降解能力综合评价,最终获得1株具有纤维素降解能力的菌株DX4,其滤纸酶活(FPA酶活)、内切葡聚糖酶活力(CMC酶活)和外切葡聚糖酶活力(Cex酶活)分别为256.051、358.276和5.536 U/m L。结合形态学、生理生化特性和分子生物学鉴定,将该菌株鉴定为枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis),命名为Bacillus subtilis DX4,简称BS-DX4。研究表明,BS-DX4的最适生长温度为40℃,最适生长pH为7.0,低盐浓度下生长旺盛,是具有开发潜力的纤维素酶高产菌株。     

扩头蔡白蚁肠道蛋白的鉴定

【目的】本研究旨在分析比较扩头蔡白蚁Tsaitermes ampliceps工蚁前中肠和后肠及其内容物的蛋白构成和表达差异,挖掘降解木质纤维素的相关酶和蛋白。【方法】通过扩头蔡白蚁工蚁的前中肠和后肠及其内容物蛋白的双向电泳,对高表达或高差异表达的47个蛋白点进行MALDI-TOF/MS测序,并进行生物信息学分析。【结果】测序分析发现,扩头蔡白蚁肠道及其内容物蛋白中有结构蛋白13个、调节蛋白9个、白蚁代谢相关蛋白10个、微生物代谢相关蛋白7个。经PD Quest分析发现,在前中肠和后肠有11个蛋白均高表达;仅在前中肠表达的蛋白有12个,主要是白蚁代谢相关蛋白和调节蛋白;仅在后肠表达的蛋白有8个,主要是微生物代谢相关蛋白。整个肠道内参与木质纤维素降解的相关酶有5个,分别是白蚁自身分泌的内源性纤维素酶,细菌产生的内切-β-1,4-葡聚糖酶和过氧化物歧化酶以及原生动物产生的GH11。【结论】白蚁对木质纤维素食物的降解主要在前中肠,后肠对降解产物进一步降解并进行微生物生长代谢。这些降解产物和微生物菌体蛋白为白蚁的肛哺提供营养成分。     

扩头蔡白蚁肠道蛋白的鉴定

【目的】本研究旨在分析比较扩头蔡白蚁Tsaitermes ampliceps工蚁前中肠和后肠及其内容物的蛋白构成和表达差异,挖掘降解木质纤维素的相关酶和蛋白。【方法】通过扩头蔡白蚁工蚁的前中肠和后肠及其内容物蛋白的双向电泳,对高表达或高差异表达的47个蛋白点进行MALDI-TOF/MS测序,并进行生物信息学分析。【结果】测序分析发现,扩头蔡白蚁肠道及其内容物蛋白中有结构蛋白13个、调节蛋白9个、白蚁代谢相关蛋白10个、微生物代谢相关蛋白7个。经PD Quest分析发现,在前中肠和后肠有11个蛋白均高表达;仅在前中肠表达的蛋白有12个,主要是白蚁代谢相关蛋白和调节蛋白;仅在后肠表达的蛋白有8个,主要是微生物代谢相关蛋白。整个肠道内参与木质纤维素降解的相关酶有5个,分别是白蚁自身分泌的内源性纤维素酶,细菌产生的内切-β-1,4-葡聚糖酶和过氧化物歧化酶以及原生动物产生的GH11。【结论】白蚁对木质纤维素食物的降解主要在前中肠,后肠对降解产物进一步降解并进行微生物生长代谢。这些降解产物和微生物菌体蛋白为白蚁的肛哺提供营养成分。     

融合基因umcel5N-CBM的构建、表达及融合酶性质分析

BM,并实现了融合基因在大肠杆菌BL21(DE3)pLysS中的表达.研究结果表明,融合酶Umcel5N-CBM与结晶纤维素(avicel)以及滤纸粉末的结合能力比原始酶Umcel5N提高了约一倍,但未显示出降解结晶纤维素的新活性,说明在结晶纤维素的降解过程中,纤维素酶的催化功能域起到关键作用.