植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系

秸秆类植物细胞壁多糖高效降解转化对我国农业经济的绿色可持续发展具有重要意义,然而植物细胞壁在长期进化过程中形成了复杂结构限制了工业化酶解转化的过程。一方面从植物细胞壁多糖合成酶系的多样性、细胞壁多糖成分的复杂性、超分子结构的异质性等方面综述了形成植物细胞壁抗降解屏障的原因;另一方面从真菌降解植物细胞壁酶系的多样性、不同菌株降解酶组成差异性等分析降解转化植物细胞壁时发挥的不同作用,从而为工业转化合理复配真菌降解酶系,提高秸秆生物质的利用效率提供理论支持。     

高效木聚糖降解酶系定制的新进展与挑战

木聚糖是植物细胞壁中含量最丰富的非纤维素多糖,大约占陆地生物质资源的20%-35%。不同物种来源的木聚糖结构因取代方式不同而具有广泛的异质性,这对生物质资源向生物燃料和其他高值产品高效转化提出了重大挑战。因此,需要开发由不同类型酶组成的最佳混合物以有效糖化木聚糖类底物。但是针对特定类型的底物设计高效降解酶系十分困难,应考虑底物的类型、底物的组成和物理性质、多糖的聚合度以及不同降解酶组分的生化性质等。本文从不同植物木聚糖的结构异质性与合成复杂性方面展示了其抗降解屏障,同时介绍了木聚糖主链降解酶系及侧链降解酶系的多样性以及协同降解作用,综述了复杂生境中微生物种群产生的混合酶系、降解菌株产生的高效酶系,以及基于特定木聚糖底物改造并定制简化高效的酶系统。随着不同种类木聚糖精细结构和木聚糖降解酶底物特异性的深入研究,针对特定底物类型进行绿色高效木聚糖酶系定制,加速木聚糖类底物的降解,从而实现木质纤维素资源的绿色高值化利用。     

生物质多糖的高效降解与降解酶（系）的精确定制

自然界中多糖类生物质资源十分丰富,然而其复杂的抗降解屏障限制了生物转化的进程.近年来,随着生物质多糖结构的快速解析以及大量多糖降解酶的鉴定研究,针对不同底物结构或产物需求,仿制高效微生物多糖代谢途径,精确定制多糖降解酶系,促进生物质高效转化已成为可能.本文分析中性多糖(纤维素和木聚糖)、碱性多糖(几丁质和壳聚糖)以及酸性多糖(褐藻胶)的精细结构组成与基团性质,总结3类多糖主要降解酶的活性架构特征及其底物精确结合模式.文章还阐述蛋白质工程设计与定制策略,针对酶分子不同功能区的分析,可为酶分子的功能快速设计与改造提供靶点,以获得适宜于工业应用的高效酶分子,此外,根据微生物胞外降解酶系的降解次序与协同关系,可基于应用需求精确定制复杂多糖降解酶系,实现生物质的高效与高值降解转化.     

海洋褐藻多糖的复杂结构、降解酶系以及生物学功能

海洋大型藻类(包括褐藻、红藻和绿藻)具有生物质资源产量高、生长过程中不占用耕地和淡水资源等优点,是未来生物炼制的优良原料。2021年,中国褐藻产量为190万吨,远高于其他经济藻类。但是与绿藻相比,褐藻所含的褐藻酸盐和红藻所含的3,6-脱水-L-半乳糖等多糖组分不容易发酵,极大地限制了其高值转化的进程。本文针对褐藻多糖的高效降解与高值转化这一研究热点,总结了褐藻的系统发育与褐藻多糖(褐藻胶、岩藻多糖以及昆布多糖)的复杂结构组成,分析了3类海洋多糖降解酶系的家族、空间结构及其特异性识别专一底物的活性架构等特征,并对褐藻多糖降解产物及其衍生寡糖的生物学功能进行了构效分析,以期揭示海洋多糖降解酶系的高效催化机制和特异性识别机理,推动褐藻的高效生物降解转化,为精准定制生物活性寡糖,构建绿色低碳工业化生产工艺提供参考。     

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。     

微生物降解秸秆木质素的研究进展

我国秸秆资源丰富，每年产生逾8亿t作物秸秆。通过秸秆直接还田或肥料化还田不仅可以减少化肥的施用量，缓解农业污染压力，还能实现农作物秸秆的循环利用。木质素结构复杂，且与纤维素和半纤维素相互缠绕，因此秸秆的自然腐解过程中，木质素是主要的限速因子，为了提高降解效率，木质素降解菌的发掘和降解机制也逐渐成为研究热点。本文综述了降解木质素的真菌和细菌的研究现状，对比其真菌和细菌降解特性的优缺点并分析复合降解菌群的优势。随后对木质素降解酶系的酶学性质、在不同微生物中的表达特性进行总结，对木质素降解机制及衍生芳烃代谢路径的研究进展进行综述。最后整理木质素降解微生物在秸秆肥料化技术中的应用进展，并探讨了微生物降解秸秆木质素的应用前景和未来的研究方向。     

通过苜蓿愈伤组织生产植物病害防御蛋白

真菌病原体借助于能降解细胞壁多糖的多聚半乳糖醛酸酶(PG)而侵袭植物。为了抵御病原体的侵害,一些植物组织含有能抑制细胞壁降解生物的PG活性的蛋白(PGIP)。有关PGIP的研究很少,因为,可从植物组织中纯化出来的这种物质有限。     

透明圈法快速筛选半纤维素分解菌

半纤维素是植物性材料的重要组成成分之一 ,占 1 5 - 30 %,是陆生植物细胞壁的一种主要组分 ,较集中于初级和次级细胞壁中。半纤维素是由己糖和戊糖组成的异质多糖[1] 。微生物产生的半纤维素酶可降解半纤维素生成木糖及其它少量单糖 ,研究半纤维素生物转化具有重要意义 ,如在生物制浆 ,转化半纤维素为单糖、酒精 ,处理造纸厂废水的环境污染等方面具有广阔的应用前景 ,国外已有不少的研究者对降解半纤维素的真菌和细菌进行了研究[2 ] 。近年来 ,国内陆续出现了 7篇有关降解半纤维素真菌的研究报道 ,降解半纤维素细菌的报道只有 1篇[3 ] ,从…     

阿魏酸酯酶基因克隆表达调控及其应用进展

阿魏酸酯酶作为微生物降解植物多糖的酶系的一部分,其从细胞壁中降解多糖获得芳香酸和单多糖的能力越来越受到重视.主要介绍了阿魏酸酯酶研究进展,包括阿魏酸酯酶的研究现状,酶-底物分子对接模型、阿魏酸酯酶基因克隆表达、重组与调控以及应用.     

植物病原菌果胶酶的研究进展

植物对抗病原菌侵入的第一道防线通常是多糖和蛋白质组成的细胞壁。大多数植物病原菌都会分泌大量的细胞壁降解酶,破坏屏障及降解植物细胞壁获得生长所需营养,进而完成侵染。果胶酶是植物病原菌侵染寄主分泌的首批细胞壁降解酶之一,数量众多且广泛存在于植物病原真菌、卵菌、细菌,是病原菌重要的致病因子。与之对应,植物细胞壁含有一系列果胶酶的抑制蛋白抵御病原菌入侵。综述了植物病原菌产生的果胶酶种类、作用机制及其与果胶酶抑制蛋白之间关系等方面的研究进展,以期为深入了解植物免疫系统和有效进行植物病害防治提供参考。     

木聚糖降解酶系基因代谢调控研究进展

木聚糖是半纤维素的主要组成部分,是一类数量很大的再生生物资源,工业利用前景广阔。木聚糖降解需要多种酶的参与,主要有木聚糖酶、木糖苷酶、α-葡萄糖醛酸酶、乙酰木聚糖酯酶、阿拉伯糖酶、阿魏酸酯酶、p-香豆酸酯酶等。主要综述了木聚糖降解酶系基因代谢调控的研究进展,主要包括转录激活因子XlnR、抑制蛋白CreA、不同诱导物、pH值、HAP-CCAAT复合物等对木聚糖降解酶系基因表达的影响,最后探讨了木聚糖降解酶系基因代谢调控存在的问题,并对今后的研究进行了展望。     

复合菌系GF-20低温降解玉米秸秆过程中群落演替与理化特性

【背景】秸秆的生物降解具有高效率和环保等特点而备受关注。【目的】明确复合菌系GF-20秸秆降解过程中发挥重要作用的功能微生物类群及其与降解特性的关系。【方法】将复合菌系GF-20在10°C条件下恒温培养,定期取样测定其生长特性及秸秆分解特性,利用MiSeq高通量测序技术,分析不同降解时期复合菌系的群落结构变化规律。【结果】复合菌系GF-20在接种后1 d内进入对数生长期,pH值迅速下降至6.98,总糖含量迅速降低至0.22 mg/mL;3 d后体系可溶性化学需氧量降低至4.77 g/L,氧化还原电位迅速降低至-303 m V,并高效分泌纤维素酶;培养15 d时玉米秸秆降解率为31.97%,木质素、纤维素和半纤维素降解率分别为32.30%、44.85%和43.84%。在玉米秸秆降解过程中,降解初期(2、5 d)的优势菌属为Cellvibrio (29.55%)、Chryseobacterium (7.35%)、Hydrogenophaga(3.86%)和Pseudomonas(3.42%);降解中期(7、10d)的优势菌属为Azospirillum(9.92%)、Rhizobium (6.99%)、Nubsella (5.06%)和Stenotrophomonas (3.37%);降解后期(12、15 d)的优势菌属为Taibaiella (13.82%)、Pleomorphomonas (13.69%)、Flavobacterium (14.89%)、Cellulomonas(7.18%)、Devosia(7.36%)、Pedobacter(4.32%)和Sphingomonas(2.23%)。【结论】明确了复合菌系GF-20在不同降解时期微生物群落结构演替规律以及秸秆降解特性动态变化,为复合菌系的合理化利用提供理论依据。     

采用酶液活性测定法快速筛选及构建石油烃高效降解菌系

快速筛选复杂有机物降解微生物混合菌系,在污染物治理过程中具有重要的实践意义.本研究首次尝试利用MicroResp^TM技术分析微生物酶液活性的方法,快速标定高效降解菌及混合菌系的石油烃降解能力,并采用传统的摇瓶培养检测法予以验证.通过微生物胞内、胞外及混合酶液的活性分析,考察了不同酶系(胞外、胞内及混合酶液)、菌系对石油烃分子的降解情况.结果表明: 结合MicroResp^TM技术的酶液活性测定法能够快速检测石油烃代谢酶系的降解能力,其灵敏度好、通量高,与传统的菌株摇瓶培养方法的检测结果基本一致.其中,7株菌株的120种全组合菌系活性测定试验在12 h周期内1次完成.筛选周期由传统摇瓶培养所需的7 d缩短10倍以上.以酶活性测定结果为指导设计的复配菌系具有较高的降解效率,最高石油烃降解率达(56.1±1.6)%.表明本筛选方法精度高、通量高,可用于石油烃降解功能菌系的构建.     

真菌多聚半乳糖醛酸酶研究进展

真菌多聚半乳糖醛酸酶是降解植物细胞壁果胶的主要降解酶之一,是植物病原真菌的致病因子之一。文中对真菌多聚半乳糖醛酸酶及其序列特征、多聚半乳糖醛酸酶的基因及其序列特征、多聚半乳糖醛酸酶的表达调控以及与病原真菌致病力之间的关系等方面进行了综述。     

复合菌系RSS-4腐解稻秆过程中的菌系动态变化

采用传统平扳分离培养方法和PCR—DGGE技术研究了水稻秸秆腐解复合菌系RSS-4在腐解稻秆过。程中菌种区系变化情况。结果表明：平板分离培养方法显示,在稻秆腐解过程中,微生物的数量呈现出先升后降的变化趋势,在整个腐解过程中细菌的数量占优势;DGGE图谱显示,至少有12种细菌和18种真菌的近缘种参与到稻秆的腐解过程。在其腐解过程中,不同腐解阶段真菌的组成呈现出多样性,数量变化差异也较大：细菌DGGE图谱中的条带1、9、10等以及真菌DGGE图谱中的条带8、9、13等为优势菌株,它们贯穿于稻秤腐解的整个过程;细菌中的条带12以及真菌中的条带4在腐解的前期起作用,而后迅速消失;细菌中的条带3、11等以及真菌中的条带3、10等在腐解的后期才出现而起作用;而细菌中的条带2以夏真菌中的条带1、5等仅出现在腐解的莱一时期。     

秸秆降解的微生物学机理研究及应用进展

综述了秸秆降解的微生物学机理的一些进展。降解秸秆的酶类主要是纤维素水解酶、Cx组分和 β 葡萄糖苷酶 ;降解秸秆的菌种在不同的土壤条件、温度条件下有所不同 ,其中以真菌中的木霉属分解能力较强 ;秸秆降解后对土壤性状有明显改善作用。目前 ,对落叶分解的消长规律研究较为深入 ,但对秸秆降解过程中菌落的演替规律仍需进一步研究     

丛枝菌根真菌对玉米秸秆降解的影响及其作用机制

为了比较菌根、菌丝、植物根系对玉米秸秆降解的影响,采用4室分根装置即土壤室(S)、根室(R)、菌根室(M)和菌丝室(H),分室间用400目尼龙网和有机板分隔,尼龙网袋包埋玉米秸秆于不同分室内,以玉米为宿主植物,接种丛枝菌根(AM)真菌Glomus mosseae。试验分别在移栽后第20、30、40、50、60天时取样,通过测定接种AM真菌后玉米秸秆的碳、氮释放,土壤中3种常见酶活性、微生物量碳和氮及土壤呼吸的动态变化,探讨AM真菌降解玉米秸秆可能的作用机制。研究结果表明:经60 d的培养后,与未接种S室相比,接种AM真菌的M室和H室玉米秸秆降解量提高了27.72%和8.07%;另外,M室玉米秸秆碳素释放显著增加,而氮素的释放减少,致使碳氮比显著低于其他3室,较初始值降幅达8.72%,有利于秸秆进一步降解。在试验条件下,M室中土壤酸性磷酸酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性较其他3室都有显著提高,并增加了微生物量碳、氮和土壤呼吸作用,形成了明显有别于根际的微生物区系。这一系列影响都反映出AM直接或间接作用于玉米秸秆的降解过程,是导致玉米秸秆降解加快的重要原因。     

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。     

食（药）用真菌比较基因组分析揭示其生态特性

食（药）用真菌可以产生多种酶系家族来降解环境中的木质纤维素,从而获得营养或与植物共生或寄生。通过注释和比较不同营养模式的食（药）用真菌中降解木质纤维素的酶类,有利于我们更好地认识食（药）用真菌的生活模式,并进一步改善培养条件。本文系统地研究了46个食（药）用真菌和3个降解木质纤维素模式真菌的基因组,根据预测蛋白质组解析了糖苷水解酶（glycoside hydrolases,GHs）、糖基转移酶（glycosyltransferases,GTs）、多糖裂解酶（polysaccharide lyases,PLs）、碳水化合物酯酶（carbohydrate esterases,CEs）、碳水化合物结合模块（carbohydrate-binding modules,CBMs）以及附属活力酶（auxiliary activities,AAs）和细胞色素P450（cytochromes P450）的种类分布。比较基因组学结果显示,食（药）用真菌中降解木质纤维素相关酶系家族的数量和种类差别很大,同时酶系家族的多样性与食（药）用真菌的生态类型也有一定的相关性。一般情况下,腐生营养真菌比共生营养真菌中降解木质纤维素酶类更多,而腐生营养中的白腐真菌和草腐真菌的酶系比褐腐真菌多。     

外生菌根共生:共生真菌多样性及菌根形成的分子机制

大约2%的维管植物能够与17～18个目约280个属的真菌形成外生菌根关系.外生菌根关系的形成、宿主植物的专一化和宿主转移等事件可能是共生真菌物种分化的重要驱动力.比较基因组学研究发现,外生菌根真菌丢失了大量与植物细胞壁物质降解相关的基因.在外生菌根形成过程中,真菌与宿主植物之间借助多样化的信号分子完成相互识别,并且外生菌根真菌能够借助分泌效应蛋白抑制宿主植物的防御反应,促进菌根形成.本文对外生菌根真菌的多样性和分布规律,以及外生菌根形成的分子机制等方面进行了综述,并据此对后续研究提出展望.