粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展简

粗糙脉孢菌作为木质纤维素降解真菌,不仅具有完整的木质纤维素降解酶系,而且还拥有全基因组基因敲除突变体库,是研究丝状真菌纤维素酶表达分泌和木质纤维素降解机制的优秀体系。近年来,国内外利用粗糙脉孢菌系统,在木质纤维素降解机制方面取得了显著进展,包括纤维素酶信号传导、调控以及生物质降解后糖的转运利用等。笔者就相关方面的进展进行综述,并对利用粗糙脉孢菌研究木质纤维素降解利用进行展望,总结和分析木质纤维素降解机制研究的国际前沿动态,有助于加深本领域研究人员对真菌体系纤维素降解机制的理解。     

全基因组水平扫描鉴定粗糙脉孢菌糖转运蛋白及其在酿酒酵母己糖发酵中的评价

木质纤维素降解真菌粗糙脉孢菌天然具有吸收利用多种单糖和寡糖的能力,但是目前基因组中注释的预测糖转运蛋白仍然有过半功能未知。本研究从全基因组水平系统分析了粗糙脉孢菌预测糖转运蛋白的转运底物。研究发现两个转运蛋白(NCU01868和NCU08152)具有转运多种己糖底物的功能,因此分别命名为NcHXT-1和NcHXT-2。利用荧光共振能量转移技术(FRET)确认了NcHXT-1/-2具有葡萄糖转运功能。在己糖转运蛋白全缺酿酒酵母EBY.VW4000中分别过表达NcHXT-1/-2,能恢复其在葡萄糖、半乳糖或甘露糖的液体培养基中生长并生成乙醇的能力。NcHXT-1/-2在很多纤维素降解真菌中均具有保守的同源蛋白。本研究通过全基因组扫描鉴定,发现了两个保守的丝状真菌己糖转运蛋白,为真菌降解利用木质纤维素及酵母利用单糖发酵提供了新的改造靶点。     

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。     

厌氧真菌和甲烷菌共培养的研究进展

厌氧真菌是自然界中降解植物纤维素类物质最高效的微生物之一。近年来,大量厌氧真菌和甲烷菌共培养菌株被分离。共培养中,甲烷菌通过对厌氧真菌代谢产物的利用显著提高厌氧真菌对木质纤维素的降解;厌氧真菌通过为甲烷菌提供能量和营养物质使甲烷菌快速生成大量甲烷。全面深入地了解共培养中两者的互作关系以及共培养降解木质纤维素产甲烷的特性,将有助于研究对木质纤维素降解以及甲烷生成的调控。因此,本文主要综述了共培养的分离鉴定、多样性、互作关系以及对木质纤维素的降解。     

粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)纤维素酶液体发酵培养基的优化

粗糙脉孢菌是天然纤维素降解真菌,具有产纤维素酶能力,国内外对其纤维素降解机理和发酵产酶有一定的研究,但对其产酶的条件优化研究得不多,其产酶潜力需要进一步挖掘。以粗糙脉孢菌基因组测序菌株FGSC 2489为对象,采用响应面分析法对Neurospora crassa摇瓶发酵产纤维素酶进行培养基优化。采用Plackett-Burman(PB)实验设计考察发酵培养基中关键参数对产酶条件的影响,进而采用最陡爬坡实验逼近最大响应区域,并结合中心组合实验(central composite design,CCD)和响应面分析法对两个显著因素进行分析。PB实验结果显示:Peptone、Yeast extract对产纤维素酶有显著影响。通过响应面分析得到一元二次方程,对方程求解得到Peptone 7.27g/L、Yeast extract 5.51g/L。采用该优化培养基,最大纤维素酶活可达1.27FPU/ml,较优化前提高了2.03倍;CMC酶活14.15IU/ml,比优化前提高1.88倍;木聚糖酶活24.13IU/ml,比优化前提高1.86倍;葡萄糖苷酶酶活1.22IU/ml比优化前提高2.08倍。     

粗糙脉孢菌中甾醇还原酶基因erg24对麦角甾醇合成的影响

粗糙脉孢菌为子囊菌中的高效纤维素降解菌,可以直接以纤维素为营养源进行生长。本研究以粗糙脉孢菌为实验对象,利用基因工程技术构建甾醇还原酶基因erg24的高表达菌株,分别以蔗糖、麦麸、玉米秸秆、小麦秸秆、杨树木屑、水稻秸秆6种物质的粉末为碳源培养野生型粗糙脉孢菌和erg24高表达菌株,利用半定量RT-PCR测定在不同培养条件下erg2、erg24和erg6 3个麦角甾醇合成相关基因的表达水平,采用HPLC方法测定不同培养条件下麦角甾醇的积累量。研究结果表明,分别以玉米秸秆、杨树木屑、水稻秸秆这3种粉末为碳源时,培养物中的erg2、erg24和erg6 3个基因表达量较高。在不同培养条件下erg24高表达菌株合成麦角甾醇量显著高于野生型粗糙脉孢菌的合成量,且以杨树木屑粉末为碳源培养时,所获得的麦角甾醇产量最高,为30.53μg/mg。结果表明erg24基因是粗糙脉孢菌合成麦角甾醇的关键基因之一,利用玉米秸秆、小麦秸秆、杨树木屑或水稻秸秆粉末为碳源培养粗糙脉孢菌时,可获得较高产量的麦角甾醇。研究结果为以农业废弃物为营养源,利用真菌生产麦角甾醇奠定了基础。     

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。     

真菌降解木质纤维素的功能基因组学研究进展

木质纤维素利用的核心问题之一是生物质的降解,即如何将生物质由高聚大分子降解为可发酵的小分子糖,又称为糖化。自然界中向胞外大量分泌降解生物质酶类的微生物主要是真菌,研究真菌木质纤维素降解途径的分子机理对生物质的综合利用意义重大,是木质纤维素能否实现全面生物炼制的关键之一。以下将针对真菌降解木质纤维素的研究进展,特别是对利用功能基因组学所取得的进展进行评述。     

球毛壳菌降解天然木质纤维素能力差异及酶系基因分析

目的:以不同植物中分离到的4株内生球毛壳菌NK102、NK103、NK104和NK105为对象,研究不同生态来源球毛壳菌降解木质素和纤维素的能力。方法:首先采用羧甲基纤维素和纤维素刚果红平板检测各菌株的纤维素降解能力,并利用Bavendamm平板反应检测各菌株的木质素降解能力;将4株菌分别培养在以微晶纤维素、杨树叶和木屑为惟一碳源的液体培养基中,通过检测培养液中纤维素酶和漆酶的酶活力,比较各菌株分解利用天然木质纤维素材料的能力,连续培养12 d后检测培养液中次级代谢产物的合成情况;利用已测序的球毛壳菌CBS148.51的基因组信息,寻找编码木质纤维素降解酶类的基因,为球毛壳菌分解利用木质纤维素提供分子生物学依据。结果:NK102、NK103、NK104和NK105在羧甲基纤维素培养基和纤维素刚果红培养基上都能够生长并形成水解圈;Bavendamm平板反应显示4株菌降解木质素的能力由强到弱依次是NK103、NK102、NK105和NK104。4株菌都能分解利用微晶纤维素、杨树叶和木屑,分泌纤维素酶和漆酶,其中NK102在以木屑为碳源的培养基上纤维素酶活力最强,达到0.76 U/mL发酵液,NK103在以杨树叶为碳源的培养基上漆酶活力最强。与此同时,4株菌在发酵培养过程中都能够稳定地合成球毛壳甲素(ChA),ChA产量受到碳源影响,在以杨树叶为碳源的培养基上,NK104的ChA产量最高,可达到14.88 mg/L发酵液。利用已测序的球毛壳菌CBS148.51的基因组信息,寻找到119个编码纤维素半纤维素酶的基因、8个编码漆酶的基因和2个编码锰过氧化物酶的基因,球毛壳菌具有完整的降解纤维素半纤维素的酶体系,在木质纤维素降解真菌的开发过程中具有重要的研究价值。结论:本研究为球毛壳菌木质纤维素降解过程的研究及该菌种的开发利用奠定了基础。     

嗜热厌氧细菌Caldicellulosiruptor bescii降解木质纤维素研究进展

嗜热厌氧菌Caldicellulosiruptor bescii具有强大的木质纤维素降解能力,能以多种模式植物细胞壁多糖如微晶纤维素Avicel和木聚糖,甚至未经预处理的木质纤维素如柳枝稷作为唯一碳源快速生长,该菌还具有少见的厌氧降解木质素的能力。对基因组注释发现,该菌所编码的蛋白大多为多结构域双功能酶,即在多肽链的N端和C端分别是不同家族的糖苷水解酶,间隔以2-3个碳水化合物结合结构域。该菌降解纤维素相关的酶基因多集中于一个植物细胞壁多糖降解利用的基因簇,例如纤维素酶/木聚糖酶、纤维素酶/甘露聚糖酶和纤维素酶/木葡聚糖酶等。C.bescii的木聚糖酶主要属于GH10家族,该家族的酶底物特异性较为宽泛,氨基酸序列的同源性在18.7%-59.5%间。Caldicellulosiruptor属细菌进化出了一系列的机制使得糖苷水解酶和底物、细菌和木质纤维素能更好的吸附在一起,从而有利于木质纤维素的酶解。C.bescii有12个含SLH结构域的蛋白,以及新发现的黏附蛋白Tāpirin,可能参与了木质纤维素的吸附与利用。综述了近年来对C.bescii降解植物细胞壁的糖苷水解酶的基因资源挖掘方面和降解分子机制方面的研究进展,对高效、多功能高效木质纤维素降解酶的设计和优化具有积极的意义。     

球毛壳菌降解天然木质纤维素能力差异及酶系基因分析简

目的：以不同植物中分离到的4株内生球毛壳菌NK102、NK103、NK104和NK105为对象,研究不同生态来源球毛壳菌降解木质素和纤维素的能力。方法：首先采用羧甲基纤维素和纤维素刚果红平板检测各菌株的纤维素降解能力,并利用Bavendamm平板反应检测各菌株的木质素降解能力;将4株菌分别培养在以微晶纤维素、杨树叶和木屑为惟一碳源的液体培养基中,通过检测培养液中纤维素酶和漆酶的酶活力,比较各菌株分解利用天然木质纤维素材料的能力,连续培养12d后检测培养液中次级代谢产物的合成情况;利用已测序的球毛壳菌CBS148．51的基因组信息,寻找编码木质纤维素降解酶类的基因,为球毛壳菌分解利用木质纤维素提供分子生物学依据。结果：NK102、NK103、NK104和NK105在羧甲基纤维素培养基和纤维素刚果红培养基上都能够生长并形成水解圈;Bavendamm平板反应显示4株菌降解木质素的能力由强到弱依次是NK103、NK102、NK105和NK104。4株菌都能分解利用微晶纤维素、杨树叶和木屑,分泌纤维素酶和漆酶,其中NK102在以木屑为碳源的培养基上纤维素酶活力最强,达到0．76U/mL发酵液,NK103在以杨树叶为碳源的培养基上漆酶活力最强。与此同时,4株菌在发酵培养过程中都能够稳定地合成球毛壳甲素（ChA）,ChA产量受到碳源影响,在以杨树叶为碳源的培养基上,NK104的ChA产量最高,可达到14．88mg/L发酵液。利用已测序的球毛壳菌CBS148．51的基因组信息,寻找到119个编码纤维素半纤维素酶的基因、8个编码漆酶的基因和2个编码锰过氧化物酶的基因,球毛壳菌具有完整的降解纤维素半纤维素的酶体系,在木质纤维素降解真菌的开发过程中具有重要的研究价值。结论：本研究为球毛壳菌木质纤维素降解过程的研究及该菌种的开发利用奠定了基础。     

瘤胃纤维素降解细菌的研究进展

反刍动物瘤胃是自然界中最有效的纤维素降解系统，其纤维素降解能力主要源于寄居于其中的纤维素降解细菌、真菌和原虫。其中，瘤胃纤维素降解细菌因数量庞大、种类繁多以及代谢途径丰富，在木质纤维素降解及利用方面发挥着重要作用。本文综述了国内外瘤胃纤维素降解细菌的种类，分析了瘤胃纤维素降解细菌的特性；阐述了瘤胃纤维素降解细菌通过纤维小体对纤维素的降解过程，以及瘤胃微生物之间的相互作用和相互制约关系；简述宏组学技术在开发新纤维素降解菌和新纤维素酶方面的应用，旨在为进一步研究纤维素降解细菌的降解机理，开发新的纤维素菌种和酶资源提供新的思路。     

生物垃圾好氧处理中的纤维素降解菌生长规律研究

目的:研究了蔬菜垃圾好氧处理过程中,纤维素降解菌和半纤维素降解菌(细菌和真菌),纤维素酶活和半纤维素酶活,和有机物降解之间的变化规律。方法:用添加纤维素和半纤维素的牛肉膏蛋白胨培养基和查式培养基,分别培养计数纤维素降解细菌、真菌和半纤维素降解细菌、真菌;马福炉灼烧测有机物含量。结果:好氧处理的初始阶段中,前4d有机物日均降解率5.2%,后3d日均降解率2.2%。结论:半纤维素降解菌的数量比纤维素降解菌的多,半纤维素酶活力,也高于纤维素酶活力;微生物的变化情况为前6d产两种酶的微生物主要有细菌和真菌;从第6d开始真菌快速生长;至第7d真菌纤维素酶和半纤维素酶活力显著升高。     

粗糙脉孢菌蛋白表达系统构建研究北大核心CSCD

旨在将模式丝状真菌粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)构建为蛋白质表达系统。通过真菌杂交技术构建出粗糙脉孢菌六突变缺失菌株LQ-1(Δ3βG∷Δ2cbh∷Δhis3)作为蛋白表达宿主菌株。该宿主菌株可以用纤维二糖作为诱导物诱导纤维素酶启动子表达,同时又消除了葡萄糖苷酶蛋白的背景条带,有利于目标蛋白表达纯化。构建了分别含有粗糙脉孢菌自身强启动子(Pcbh-1、Pcbh-2和Ptef-1)的3个新的高效表达载体,该载体带有融合标签蛋白tev-6×his-gfp,能高效方便的筛选阳性转化子,有利于后续目标蛋白纯化。以纤维素酶GH3-4和CBH-1为例,通过重组表达菌株纤维二糖诱导发酵液进行酶活测定、SDS-PAGE电泳分析和Western blotting检测显示,重组蛋白GH3-4-GFP和CBH-1-GFP成功进行了表达和分泌,分泌水平分别为2.77和2.83 mg/L。Pcbh-1启动子重组蛋白表达水平最高,说明在纤维二糖诱导体系中启动子Pcbh-1的启动效率最高,初步建立了粗糙脉孢菌纤维二糖诱导的蛋白质表达体系。     

纤维素降解菌烟曲霉HZ1的基因组测序及生物信息学分析

【目的】烟曲霉Aspergillus fumigatus作为一类具有纤维素降解能力的真菌,对其基因组的研究,将有利于从A. fumigatus中挖掘和开发利用与纤维素降解相关的酶资源。【方法】利用CMC选择培养基和刚果红染色法从长足大竹象肠道中分离和筛选出纤维素降解菌A. fumigatus HZ1,同时采用Illumina PE150平台进行基因组测序,随后进行了相关的生物信息学分析,此外还利用了DNS法测定了其纤维素酶活。【结果】纤维素降解菌A. fumigatus HZ1基因组大小为27.45 Mb,GC含量为49.43%;通过NR、KOG、GO、Swissprot、eggNOG、KEGG和Pfam数据库注释结果表明基因组包含9473个基因;同时碳水化合物活性酶(CAZyme)注释结果表明基因组含有534个CAZyme基因,并与其他4种A. fumigatus基因组CAZyme分布无显著差异;本研究还鉴定出多种与木质纤维素降解相关的纤维素酶基因、半纤维素酶基因和木质素酶基因;此外纤维素酶活结果表明,在CMC培养基中其酶活呈上升趋势且具有较高活性。【结论】本研究首次对A. fumigatus HZ1基因组进行了测序和分析,探讨了其纤维素降解的遗传基础,并通过酶活验证了其纤维素降解潜力,为该菌的实际应用提供了理论基础。     

粗糙脉孢菌蛋白表达系统构建研究

旨在将模式丝状真菌粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)构建为蛋白质表达系统。通过真菌杂交技术构建出粗糙脉孢菌六突变缺失菌株LQ-1(Δ3βG∷Δ2cbh∷Δhis3)作为蛋白表达宿主菌株。该宿主菌株可以用纤维二糖作为诱导物诱导纤维素酶启动子表达,同时又消除了葡萄糖苷酶蛋白的背景条带,有利于目标蛋白表达纯化。构建了分别含有粗糙脉孢菌自身强启动子(Pcbh-1、Pcbh-2和Ptef-1)的3个新的高效表达载体,该载体带有融合标签蛋白tev-6×his-gfp,能高效方便的筛选阳性转化子,有利于后续目标蛋白纯化。以纤维素酶GH3-4和CBH-1为例,通过重组表达菌株纤维二糖诱导发酵液进行酶活测定、SDS-PAGE电泳分析和Western blotting检测显示,重组蛋白GH3-4-GFP和CBH-1-GFP成功进行了表达和分泌,分泌水平分别为2.77和2.83 mg/L。Pcbh-1启动子重组蛋白表达水平最高,说明在纤维二糖诱导体系中启动子Pcbh-1的启动效率最高,初步建立了粗糙脉孢菌纤维二糖诱导的蛋白质表达体系。     

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。     

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。     

青霉生产木质纤维素降解酶系的研究进展

木质纤维素降解酶系的高效生产是实现植物生物质大规模生物炼制的重要支撑。就地生产木质纤维素降解酶,有助于降低其使用成本,提高技术经济效益。青霉是自然界常见的木质纤维素降解真菌,可以合成分泌种类多样、组分齐全的木质纤维素降解酶系,已被应用于纤维素酶制剂的工业生产。文中从就地生产降解酶,为木质纤维素生物炼制构建“糖平台”的角度,综述了青霉木质纤维素降解酶系的性质、菌株遗传改造及发酵工艺的研究进展。