白蚁内源性纤维素酶基因资源研究进展北大核心CSCD

能源短缺是人类关注的焦点问题之一,而纤维素是自然界最为丰富的可再生资源。白蚁已进化出了独特而高效的纤维素消化系统,具有丰富的纤维素酶及其基因资源,因而,近年来白蚁内源性纤维素消化体系的重要性被逐渐认识,不断有内源性纤维素酶基因的研究报道。为了进一步推动有害白蚁控制新技术的研发,以及纤维素生物质新能源的应用探索,综述了白蚁内源性纤维素酶基因克隆、表达等研究进展。     

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。     

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。     

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.     

近暗散白蚁β-葡糖苷酶基因RpBg7的克隆及其在毕赤酵母中的表达

【目的】白蚁是自然界中利用木质纤维素能力很强的生物,是纤维素酶的天然资源库。本研究旨在挖掘新来源的纤维素酶基因,为生物质能源的高效利用提供新的天然酶。【方法】根据前期蛋白质组测序的结果,利用PCR结合RACE克隆了近暗散白蚁Reticulitermes perilucifugus β-葡糖苷酶7(β-glucosidase 7)基因RpBg7 cDNA全长序列;通过生物信息学软件分析了RpBg7的序列;用表达载体pPICZαA在毕赤酵母Pichia pastoris X-33中表达RpBg7蛋白,并用4-硝基苯基-β-d-吡喃葡萄糖苷(4-nitrophenyl β-d-glucopyranoside, 4pNPG)为底物检测了表达的RpBg7蛋白的酶活性。【结果】获得了近暗散白蚁的一个内源性β-葡糖苷酶7基因RpBg7(GenBank登录号: MN944395),其开放阅读框长1 485 bp,编码495个氨基酸残基。RpBg7蛋白预测分子量为57 kD,属于糖苷水解酶1(glycosidehydrolase 1, GH1)家族,具有保守的碱性氨基酸残基Glu187和Glu394。通过毕赤酵母表达系统成功表达RpBg7蛋白。酶活性分析结果表明,毕赤酵母胞外分泌蛋白粗酶液和胞内蛋白粗酶液中RpBg7酶活性分别为4.43和7.47 U/mL。【结论】克隆并利用毕赤酵母表达了近暗散白蚁的GH1家族的一个β-葡糖苷酶7基因RpBg7,为后期纤维素酶的改造和应用提供了条件。     

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。     

黄肢散白蚁β-糖苷酶基因的克隆及特性分析（英文）

【目的】黄肢散白蚁Reticulitermes flaviceps是我国代表性的食木白蚁之一,具有高效的纤维素酶系统。本研究旨在克隆黄肢散白蚁中纤维素酶基因并进行其特性分析,为白蚁纤维素酶资源的开发提供理论基础。【方法】采用反转录PCR(RT-PCR)、简并PCR以及c DNA末端快速扩增实验(RACE)法克隆黄肢散白蚁β-糖苷酶基因序列并进行生物信息学分析;利用大肠杆菌Escherichia coli原核表达该基因,表达出的蛋白质经纯化后进行纤维素酶活力测定。【结果】从黄肢散白蚁中克隆到一个β-糖苷酶基因GZRfbg1(Gen Bank登录号:KU886065)的全长c DNA序列,全长1 691bp,开放阅读框1 488 bp,编码448个氨基酸残基,预测分子量为56.45 k D,具有典型的糖基水解酶家族1(GHF1)的蛋白功能结构域。氨基酸序列多重比对显示,GZRfB G1与北美散白蚁Reticulitermes flavipes的唾液腺β-glucosidase氨基酸序列一致性为95%。GZRfB G1在大肠杆菌Rosetta 2(DE3)中进行体外表达,经纯化的GZRfB G1纤维素酶活力测定结果显示,其对水杨苷、羧甲基纤维素钠(CMC)以及纤维二糖的水解活性依次上升,能够在CMC-琼脂平板中产生清晰的水解圈。【结论】结果表明,来自黄肢散白蚁与北美散白蚁两个近缘白蚁的唾液腺β-糖苷酶在氨基酸序列及其水解特征方面亦具有高度保守性。该β-糖苷酶基因的研究丰富了白蚁纤维素酶开发及系统发生研究的理论基础。     

植物纤维素合成酶基因和纤维素的生物合成

纤维素地球上最丰富的生物大分子和最重要的可再生资源,1996年克隆了第一个植物纤维素合成酶基因,植物纤维素的生物合成需要多个纤维素合成酶与其他相关酶如Korrigan纤维素酶,蔗糖合成酶等来共同完成。本文介绍了植物纤维素合成酶基因和纤维素的生物合成途径及其相关基因如蔗糖合成酶基因、KORRIG-AN基因等研究进展。     

一株降解纤维素放线菌的产纤维素酶基因克隆与表达

【背景】纤维素在自然界中储量丰富,但天然纤维素的难降解性成为广泛应用纤维素资源的壁垒,近年来利用微生物来降解纤维素成为热点研究。【目的】筛选分离得到一株具有降解纤维素功能的放线菌菌株Lb1,通过全基因组测序确定其产纤维素酶关键基因5676,对基因5676进行克隆转化,使其在大肠杆菌中进行表达。【方法】通过基因工程技术将产纤维素基因连接到表达质粒上并导入表达菌株,对其降解纤维素生成葡萄糖的能力进行探究。【结果】将Lb1菌株的16S rRNA基因进行比对,确定菌株Lb1属于链霉菌属,命名为Streptomyces sp. Lb1。成功构建出纤维素酶表达载体,并且导入表达菌株大肠杆菌BL21(DE3),重组菌株的产纤维素酶能力大于空载菌株。【结论】通过基因工程技术成功克隆出产纤维素酶基因,从而表达纤维素酶,为今后利用微生物降解纤维素的大规模应用提供参考。     

白蚁的分子生物学研究进展

白蚁是危险性社会昆虫,建立安全有效的白蚁防治方法有赖多学科的参与,分子生物学已经成为白蚁研究的重要工具。目前,DNA序列分析方法已应用于白蚁鉴定和分类,其中线粒体基因是最通用的分子标记;基因工程技术成功构建了可用于白蚁防治的白蚁肠道工程菌;Hexamerin、COX Ⅲ、纤维素酶等白蚁功能基因以及白蚁品级分化相关的若干蛋白相继得到了分离和鉴定。文章从白蚁分类、防治、功能基因、品级分化4个方面综述白蚁分子生物学的研究进展,为白蚁的防治提供新的方法和思路。     

鸡枞菌转录组分析揭示其对木质纤维素的降解功能

【目的】探究鸡枞菌是否能降解木质纤维素成分,并理解其与共生白蚁之间的共生关系。【方法】本研究是应用新一代高通量测序技术454 GS FLX Titanium对鸡枞菌的转录组进行测序,挖掘鸡枞菌中能参与降解纤维素和木质素等成分的多样性酶系。【结果】八分之一的RUN测序总共得到了82386条表达序列标签,去除引物和载体等序列后,剩余的54410条序列被拼接成3301条contigs以及3193条singletons。根据序列相似性,将这些unigenes与三大蛋白数据库(Nr数据库、SwissProt数据库、CDD数据库)中的蛋白序列进行BLAST比较,发现有2681条基因与其他生物的已知基因有不同程度的相似性。在鸡枞菌的这些转录产物中,有33条编码可能参与降解纤维素或半纤维素的酶基因,其中包括5种纤维素酶以及28种水解半纤维素、淀粉或几丁质等物质的酶类。更重要的是,还发现了4种漆酶以及一种芳基乙醇氧化酶基因,这些都是能有效降解木质素的酶类。这些结果揭示了鸡枞菌中存在漆酶并可能有效降解植物残渣中的酚化合物。【结论】这些基因的发现说明了鸡枞菌能降解木质素,并能与共生白蚁分泌的纤维素酶协同作用有效降解纤维素。     

组学技术在白蚁研究中的应用

白蚁为原始的真社会性昆虫,体内蕴含丰富的纤维素酶基因资源,对维持生态系统平衡和生物多样性有重要生态作用,而其中少数白蚁种类对农作物、树木、房屋建筑、江河堤坝等造成严重危害,因此白蚁具有非常重要的生态及经济价值。随着组学技术的发展,分子生物学的研究进入了一个新的阶段,基于整体角度研究的组学技术正在深刻地改变着白蚁的研究模式,必将推动白蚁生物学以及以白蚁防治为目的的基础研究。本文综述了近年来白蚁基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等组学的相关研究进展,并对组学在白蚁的深入研究与应用进行了展望。     

白蚁栖息环境中蜡状芽孢杆菌的分离及其纤维素酶活性分析

【目的】了解白蚁栖息环境中有无降解纤维素的微生物。【方法】以羧甲基纤维素钠为唯一碳源,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 rRNA基因序列分析对菌株进行鉴定。DNS法测定菌株产纤维素酶与生长周期的关系,并进一步分析纤维素酶性质。【结果】从台湾乳白蚁(Coptotermes formosanus Shiraki)栖息环境中筛选到一株具有较高纤维素酶活性,革兰氏阳性菌株TT15,16S rDNA序列分析鉴定为蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus Gd2T)。菌株培养前12 h没有纤维素酶活性,随着培养时间的增加,纤维素酶活性逐渐增大;当生长达到稳定期(48 h),酶活性达到最大并保持稳定。菌株TT15纤维素酶活性的最适pH和最适反应温度分别为5.0和50°C。【结论】从白蚁栖息环境中分离到一株具有较高纤维素酶活的蜡状芽孢杆菌TT15,可作为产细菌纤维素酶的优良菌株。     

纤维素酶在酿酒酵母中的表达研究

统合生物加工过程（Consolidated bioprocessing,CBP）具有应用于纤维素乙醇生产的潜力,而该技术的关键是构建能有效降解纤维素的工程菌株。酿酒酵母是传统的乙醇发酵菌株,作为CBP宿主菌株具有很多优势,因此在酿酒酵母中表达纤维素酶引起研究者的普遍关注。综述了纤维素酶基因在酿酒酵母中表达的影响因素,包括基因表达盒表达元件（启动子、信号肽和终止子等）、纤维素酶基因拷贝数及存在形式以及纤维素酶基因来源等,并对一种和多种纤维素酶基因在酿酒酵母中的表达及构建得到的CBP菌株研究进展做了简要介绍。     

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。     

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。     

黄翅大白蚁后肠降解滤纸微生物群落的分析

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。     

从白蚁中分离到具有纤维素酶活的贪噬菌

以黄胸散白蚁Reticulitermes flaviceps后肠为材料,分离培养具有降解纤维素能力的微生物,以进一步了解白蚁后肠微生物的种类。通过以羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为唯一碳源的富集及选择培养基培养、筛选,获得一株具有纤维素酶活的菌株R3063。形态学鉴定、革兰氏染色观察及16S rDNA基因序列分析表明该菌株属于贪噬菌(Variovorax sp.)。目前尚未见贪噬菌具有纤维素酶活的报道。