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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2015, 31(5):32-40
酶制剂作为一种天然“绿色”的添加剂，受到
畜牧、食品、造纸和纺织等行业的广泛关注 ；特别
是饲用酶制剂的使用，不仅能够改善动物健康，为
人类提供安全的动物产品，还可以降低畜禽排泄物
中的有机物含量，大幅减少资源的浪费。随着集约
化养殖模式的形成，饲料用酶的前景日益广阔，但
是由于传统的菌株筛选模式难以满足工业化对酶类
高表达量、低生产成本和广泛使用范围的要求，其
应用水平还很低。因此，目前饲料用酶的重要研发
趋势是 ：酶基因资源的广泛挖掘及高效表达、生产
技术的开发［1］。反刍动物的瘤胃中栖息着复杂多样
的微生物，蕴藏着巨大的基因和生态资源，是酶制
剂资源开发的巨大宝库。但是，目前瘤胃中 89% 的
微生物仍未被分离纯培养［2］，从而导致了瘤胃中多
收稿日期 ：2014-08-26
基金项目 ：国家自然科学基金项目（31261140365），“十二五”科技支撑计划（2012BAD12B02-5），动物营养学国家重点实验室自主课题
（2004DA125184G1103）
作者简介 ：张俊，男，硕士研究生，研究方向 ：反刍动物营养学 ；E-mail ：zhangjun_4033@126.com
通讯作者 ：卜登攀，男，研究员，硕士生导师，研究方向 ：反刍动物营养与代谢调控 ；E-mail ：budengpan@126.com
利用元基因组学方法从瘤胃中筛选的功能酶及酶基因
研究进展
张俊1  赵圣国1  王加启1  金迪1  卜登攀1，2，3 
（1. 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 动物营养学国家重点实验室，北京 100193 ；2. CAAS-ICRAF 农用林业与可持续发展畜牧业联合实
验室，北京 100193 ；3. 东北农业大学 食品安全与营养协同创新中心，哈尔滨 150030）
摘 要 ： 瘤胃微生物群落是一个复杂、庞大的生物体系，其生物多样性极为丰富，蕴藏着巨大的基因和生态资源，是酶制
剂开发的重要宝库。元基因组学方法避免了微生物培养条件的限制，通过直接对未培养微生物进行 DNA 提取、基因筛选与表达，
从而不断扩大自然界中的基因数据库，为新型生物催化剂的开发及筛选提供了可能。对元基因组学技术及利用此技术从瘤胃中筛
选的功能酶类及酶基因的研究进展进行了综述。
关键词 ： 元基因组学 ；瘤胃 ；筛选 ；酶类
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.05.006
Research Progress of Enzyme and Relevant Gene Screened from
Rumen by Metagenomic Approach
Zhang Jun1 Zhao Shengguo1 Wang Jiaqi1 Jin Di1 Bu Dengpan1，2，3
（1. State Key Laboratory of Animal Nutrition，Institute of Animal Sciences，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193 ；
2. World Agroforestry Centre，East and Central Asia，Beijing 100193 ；3. Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition，Harbin
150030）
Abstract: Rumen microbial community is a complex biological system with extremely rich biodiversity and large amount of genetic and
ecological resources, and it is also an important treasury for the development of enzyme. Using metagenomic approach could avoid the restriction
of microbial culturing, with directly extracting DNA, gene screening and expressing the uncultured microbes to enlarge the database of genes,
which provides possibility for the development of novel biocatalyst. The study explained metagenomic approach, and summarized the application
of metagenomic approach in screening functional enzymes and studying relevant genes from rumen.
Key words: metagenomic ；rumen ；screening ；enzyme
2015,31(5) 33张俊等 ：利用元基因组学方法从瘤胃中筛选的功能酶及酶基因研究进展
种微生物基因资源难以被挖掘利用。近年来发展起
来的元基因组学技术，通过直接提取特定环境中全
部微生物的总 DNA，并克隆到适宜的宿主细胞中，
对重组克隆子的功能和序列进行分析，或者利用新
一代测序技术直接对混合微生物的总基因组 DNA 进
行高通量测序分析，从而挖掘和利用那些未培养微
生物的基因资源或新的生物活性物质。本文主要对
利用元基因组学方法从瘤胃中筛选的功能酶及酶基
因的研究进展简要综述。
1 元基因组学简介
为了对环境中所有的微生物基因进行研究，
1998 年，Handelsman 等［3］ 首 次 提 出 了 元 基 因 组
（Metagenomics）的概念，即一个自然环境中全部
（微）生物的基因组。元基因组学是以环境样品中
的微生物群体基因组为研究对象，以功能基因筛选
和序列分析为研究手段，以微生物多样性、种群结
构、进化关系、功能分析、相互协作关系及与环境
之间的关系为研究目的的微生物研究方法［4］。伴随
着 PCR、基因工程和高通量测序等技术的日趋完善，
元基因组学技术为从完整的群落水平上认识微生物
的活动提供了条件，在环境功能基因资源的筛选上
扮演重要角色。
1.1 基于元基因组文库的筛选
元基因组学研究程序一般包括从环境（瘤胃）
中直接提取 DNA/RNA，将 DNA/RNA 克隆到合适的
载体上，如质粒载体、λ 噬菌体载体、Fosmid 载体、
Cosmid 载体和 BAC 载体，再将载体转化到可培养
的宿主细胞中建立元基因组文库，对文库进行筛选，
结合生物信息工具，最终得到生物活性物质（酶）
或微生物遗传信息［4，5］。
目前，对元基因组文库的筛选有 4 种方法 ：功
能驱动筛选（Function-driven screening）、序列驱动
筛选（Sequence-driven screening）、底物诱导基因表
达 筛 选（Substrate-induced gene expression screening，
SIGEX）和混合物构型筛选（Compound configuration
screening）［6］。功能筛选和序列筛选作为现今最主要
的筛选方法，已经从元基因组文库中筛选获得纤维
素酶、半纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶等近百种功能
酶类。功能驱动筛选是基于重组阳性克隆表达出的
既定活性，再通过生化鉴定和序列分析对这些阳性
克隆进行确认，从而获得其相关的基因信息 ；而序
列驱动筛选则依据已知功能基因的序列设计探针或
PCR 引物，通过核酸杂交或 PCR 扩增来筛选具有目
标序列的克隆子。
1.2 基于高通量测序技术的筛选
对反刍动物胃肠道微生物的研究，最早是通
过 16S rDNA 分类的方法来检测物种的丰度和多样
性，但是 16S rDNA 方法只能考察基因组中一个很小
片段的多态性，无法了解该特定环境下基因的整体
组成和变异情况［7］。高通量测序技术可以对数百万
个 DNA 分子同时进行测序，这使得对一个物种的基
因组或转录组进行细致全貌的分析成为可能［8］。高
通量测序技术的流程是首先提取环境中的微生物总
DNA，然后利用超声波等技术将其基因组打碎，在
DNA 链的两端加上标记物，最后上机检测序列信
息。目前，较常用的高通量测序技术主要是 454 Life
Science、ABI 和 Illumina 公 司 的 第 二 代 测 序 技 术。
高通量测序技术不但有利于对环境微生物基因资源
的深入挖掘，还能够满足人们对于大数据量的需求。
2 利用元基因组学方法从瘤胃中筛选得到的
功能酶
元基因组学方法能够有效地提高功能酶的筛选
效率，为研究和利用未培养微生物提供了新的途径，
为微生物资源的研究和开发提供了全新的策略。近
年来研究者们已利用元基因组文库技术从瘤胃样品
中筛选到了 200 多个具有纤维素酶、脂肪酶 / 酯酶、
淀粉酶、木聚糖酶及 β-葡萄糖苷酶等催化活性的阳
性克隆（基因）（表 1），这些催化剂在畜牧、食品、
造纸和纺织等行业具有广泛的应用前景。
2.1 纤维素酶
纤维素是细胞壁的主要成分，其降解情况与纤
维素晶状程度和木质素的连接有着直接关系，但是
反刍动物瘤胃有着超乎寻常的粗纤维降解能力，纤
维素降解过程所需要的酶类均可由瘤胃微生物产生。
其中瘤胃细菌在纤维分解过程中发挥着重要作用，
对于瘤胃微生物纤维分解酶和新型产物的开发一直
是研究的重点和热点，近年来从瘤胃元基因组文库
中共获得了 80 个纤维素酶活性克隆。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.534
赵广存等［9］利用活性筛选从牛瘤胃 Cosmid 文
库中获得 9 个 β-葡萄糖苷酶阳性克隆，其中一个基
因的遗传进化分析表明其可能来自于牛瘤胃噬纤维
菌属。Wang 等［10］利用活性筛选从牛瘤胃元基因组
文库中获得 3 个纤维素酶克隆，其中一个内切葡聚
糖酶表达后在 60℃具有较好的热稳定性。Duan 等［11］
通过活性筛选从水牛瘤胃 Cosmid 文库中获得 61 个
纤维素酶活性克隆，其中 7 个纤维素酶在 pH5.5 或
更低的酸性环境中具有较高活性，并且一个新的纤
维 素 酶 基 因 C67-1 表 达 后 在 pH3.5-10.5 范 围 内 都
有很好的稳定性。Findley 等［12］利用活性筛选从牛
瘤胃原虫 cDNA 文库中鉴别出 3 个纤维素酶阳性克
隆。Pozo 等［13］利用活性筛选从 17 000 头奶牛瘤胃
微生物 Fosmid 文库克隆中获得了 4 个高活力的 β-葡
表 1 利用元基因组文库方法从瘤胃筛选的酶
来源 分离方法 筛选酶 宿主 / 载体类型 阳性克隆 / 基因数量 插入片段大小 /kb 分类 参考文献
水牛 活性筛选 β-葡萄糖苷酶 E. coli/ Cosmid 118 38.2 纤维素酶 ［41］
牛 活性筛选 β-葡萄糖苷酶 E. coli/ Cosmid 9 35 纤维素酶 ［9］
牛 活性筛选 内切葡聚糖酶 E. coli/ ZAP 2 5.6 纤维素酶 ［10］
水牛 活性筛选 酸性纤维素酶 E. coli/ Cosmid 61 35 纤维素酶 ［11］
牛 活性筛选 纤维分解酶 E. coli/ ZAP 3 10 纤维素酶 ［12］
荷斯坦奶牛 活性筛选 纤维素酶 E. coli/ BAC 26 54.5 纤维素酶 ［23］
湖羊 活性筛选
内切 -1，4-β-木聚
糖酶
E. coli/ Fosmid 2 30 半纤维素酶 ［16］
奶牛 活性筛选
外切 -α-1，5-L- 阿
拉伯聚糖酶
E. coli/ ZAP 1 - 半纤维素酶 ［15］
牦牛 序列筛选 木聚糖酶 E. coli/ BAC 14 - 半纤维素酶 ［19］
湖羊 序列筛选 木聚糖酶 E. coli/ Fosmid 18 30.9 半纤维素酶 ［20］
奶牛 活性筛选 木聚糖酶 E. coli/ BAC 1 >50 半纤维素酶 ［21］
奶牛 活性筛选 环状糊精酶 E. coli/ ZAP 1 5.5 淀粉酶 ［42］
荷斯坦奶牛 活性筛选 淀粉酶 E. coli/ BAC 16 54.5 淀粉酶 ［23］
奶牛 活性筛选 蛋白酶 E. coli/ Fosmid 14 30 蛋白酶 ［24］
奶牛 活性筛选 二肽基肽酶 IV E. coli/ Fosmid 10 30 蛋白酶 ［25］
荷斯坦奶牛 活性筛选 羧酸酯酶 E. coli/ BAC 2 54.5 酯酶 ［28］
奶牛 活性筛选 脂肪酶 E. coli/ BAC 18 54.5 酯酶 ［27］
奶牛 活性筛选 阿魏酸酯酶 E. coli/ λZAP 1 8.0 酯酶 ［30］
奶牛 活性筛选 混合糖基水解酶 E. coli/ ZAP 1 3.0 - ［31］
牦牛 活性筛选
内切 / 外切 β-1，4-
葡糖苷酶
E. coli/ Cosmid 1 - - ［32］
牦牛 活性筛选
木聚糖酶 / 内切葡
聚糖酶
E. coli/ Cosmid 3 35 - ［33］
牦牛 活性筛选
β-葡糖苷酶 / 木糖
苷酶
E. coli/ Cosmid 2 - - ［34］
水牛 活性筛选
纤维素酶 / 木聚糖
酶
E. coli/ Cosmid 2 - - ［35］
韩宇奶牛
活性筛选
（Robotic HTS system）
外切纤维素酶 / 内
切纤维素酶 / 木聚
糖酶
E. coli/ Fosmid 4 30-40 - ［36，37］
牛 活性筛选 多酚氧化酶 E. coli/ l-phage 1 - 漆酶 ［38］
奶牛 活性筛选 脲酶 E. coli/ BAC 12 54.5 脲酶 ［39］
奶牛 活性筛选
3，5，6-三氯 -2-吡啶
醇降解酶
E. coli/ l-phage 1 2.5 氨基水解酶 ［40］
2015,31(5) 35张俊等 ：利用元基因组学方法从瘤胃中筛选的功能酶及酶基因研究进展
糖苷酶，该酶在 45-55℃和 pH4.0-7.0 有较高活性，
并且对 p-硝基苯基 -β-D-呋喃葡萄糖苷、p-硝基苯
基 -β- 纤维二糖和纤维低聚糖有较高的亲和活性。
2.2 半纤维素酶
木聚糖作为最重要的植物半纤维素，已经成为
了研究的关注点，近年来共筛选得到 48 个半纤维素
酶阳性克隆（基因）。瘤胃内降解木聚糖的酶包括
水解主链的内切 -β-1，4-木聚糖酶、β-1，4-木糖苷酶，
水解侧链的阿拉伯呋喃糖苷酶、葡萄糖苷酶，及水
解木聚糖与木质素连接酯键的阿魏酸酶和乙酰木聚
糖酯酶等［14］。
Wong 等［15］利用活性筛选从奶牛瘤胃 λ-ZAP-II
文库中获得一个外切 -α-1，5-L-阿拉伯聚糖酶，该酶
在 pH6.0-7.0 和 50℃有最适活性。冯国栋等［16］利
用活性筛选从湖羊瘤胃 Fosmid 文库中得到 2 个具
有内切 -1，4-β-木聚糖酶活性的克隆，其中一个克隆
基因编码的产物与产琥珀酸丝状杆菌（Fibrobacter
succinogenes）的内切 -1，4-β-木聚糖酶同源性最高，
氨基酸序列相似性为 67%，遗传进化分析表明其可
能来自于湖羊瘤胃丝状杆菌属。王佳堃等［17］构建
了湖羊瘤胃 Fosmid 文库，并通过活性筛选从 12 704
个克隆中获得 18 个木聚糖酶阳性克隆。Zhao 等［18］
利用活性筛选从荷斯坦奶牛瘤胃 BAC 文库中获得
了一个内切 -β-1，4 木聚糖酶克隆，该酶在中性 pH
和广泛的温度范围内都具有较高的特异活性。王敏
等［19］通过序列筛选从牦牛瘤胃 BAC 文库中获得 14
个木聚糖酶基因，将其中一对木聚糖酶（Xyn32）和
木糖苷酶（Xyl33）基因表达后发现它们对木聚糖
降解具有协同作用。Wang 等［20］通过序列筛选从
湖羊瘤胃 Fosmid 文库中得到了一个木聚糖酶基因，
经过序列比对发现这个基因与琥珀酸丝状杆菌 S85
（Fibrobacter succinogenes） 的 内 切 -1，4-β-木 聚 糖 酶
相似度达 61%。Gong 等［21］利用活性筛选从奶牛瘤
胃 BAC 文库中获得一个内切 -1，4-β-木聚糖酶，该
酶对木聚糖底物特异性较高，对纤维素没有催化活
性，并且在 pH4.0-12.0 范围内都保留 85% 的催化
活性。
2.3 淀粉酶
淀粉作为一种重要的碳源物质，进入瘤胃后被
微生物快速吸收利用，对于直链淀粉和支链淀粉的
彻底降解除了需要水解 α-1，4-糖苷键的酶外，还需
要一系列其他酶的参与，如糊精酶、麦芽糖酶和脱
支酶等，近年来共筛选得到 17 个淀粉酶活性克隆。
Ferrer 等［22］利用活性筛选从奶牛瘤胃 λ-ZAP 文库中
获得一个属于 α-淀粉酶家族的环状糊精酶（RA.04）
克隆，该酶对直链和支链淀粉都有很高活性，其最
适温度为 70℃，并且在 pH5.5-9.0 仍有较好活性。
朱雅新等［23］通过活性筛选从荷斯坦奶牛瘤胃 BAC
文库中获得 16 个淀粉酶活性克隆。
2.4 蛋白酶
日粮的瘤胃降解蛋白是合成瘤胃微生物蛋白质
的主要氮源，蛋白质降解过程包括两个阶段 ：蛋白
质水解为肽和氨基酸 ；氨基酸脱氨基作用形成氨。
该过程中需要大量的蛋白酶、肽酶和脱氨酶的参与。
本实验室通过一系列的工作，从瘤胃 Fosmid 文库中
共获得 24 个蛋白酶阳性克隆。赵静雯等［24］通过活
性筛选从奶牛瘤胃 Fosmid 文库中获得 14 个蛋白酶
活性克隆，其中 55% 的基因序列可以与已知编码基
因相匹配。赵静雯等［25］采用活性筛选从奶牛瘤胃
Fosmid 文库中获得 10 个二肽基肽酶Ⅳ阳性克隆，经
比对后发现其序列与 Cyclobacterium marinum（43%）、
Capnocytophaga sp.（63%）、Prevotella ruminicola 23
（66%） 和 Solitalea canadensis（50%） 的 DPP- Ⅳ 相
似度较高。
2.5 酯酶
反刍动物日粮中的脂类主要包括甘油三酯、半
乳糖脂、硫酸酯和磷脂，这些脂类的降解大部分
由瘤胃微生物完成。近年来国内外共从瘤胃元基
因组文库中筛选获得 34 个酯酶阳性克隆。Ferrer
等［22，26］利用活性筛选从奶牛瘤胃 λ-ZAP 文库中获
得 12 个酯酶阳性克隆，对其中一个酶进行位点突变
后发现其具有 Ser14、His231 和 Glu152 催化三联体。
赵圣国等［27］利用活性筛选从奶牛瘤胃 BAC 文库中
获得 18 个脂肪酶阳性克隆，其插入片段大约为 60
kb。Liu 等［28］通过活性筛选从奶牛瘤胃 BAC 文库
中获得两个脂酶基因 RlipE1 和 RlipE2，其中 RlipE2
与来自 Thermosinus carboxydivorans Nor1 的羧酸脂酶
有较高的相似性（90%），这两个脂酶对 C12、C16 和
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.536
C18 这些长链脂肪酸有较好的特异活性。Bayer 等
［29］
采用活性筛选从绵羊瘤胃元基因组文库中获得 2 个
新的酯酶基因发现，其中一个酯酶基因（estGK1）
在保守五肽 GHSQG 中含有丝氨酸催化位点，表明
这是一个典型的酯酶。Wong 等［30］利用活性筛选从
奶牛瘤胃 λ-ZAP-II 文库中获得一个典型的 C 型阿魏
酸酯酶（RuFae2），这个酶对米糠、麦麸、柳枝稷和
玉米麸皮等底物的活性依次降低，并且在内切木聚
糖酶（GH10）的协同作用下对麦麸的降解活性提高
了 6.7 倍。
2.6 多功能酶
在实际工业生产中往往需要连续进行多步、复
杂的反应，频繁添加酶催化剂是不现实的，因此挖
掘一些活性范围广、耐受性强的多功能酶的要求就
十分迫切。多功能酶已经成为许多研究者的新课题，
近年来至少有 5 个多功能酶阳性克隆被筛选出来。
Palackal 等［31］采用活性筛选从奶牛肠道微生物 λ-ZAP
文库中获得一个多功能混合糖基水解酶，这个酶具
有甘露聚糖酶、木聚糖酶和葡聚糖酶活性，位点突
变表明它分别具有水解 β-1，4-键甘露聚糖底物和水
解 β-1，4-键木聚糖、葡聚糖底物的两个独立催化域。
Bao 等［32］利用活性筛选从牦牛瘤胃 Cosmid 文库中
获得具有内切和外切活性的 β-1，4-葡糖苷酶，该酶
不仅对羧甲基纤维素和 4-硝基苯基 -β-D-纤维二糖
糖苷有活性，还可以水解结晶与非结晶形态的纤维
素。Chang 等［33］利用活性筛选从牦牛瘤胃 Cosmid
文库中获得一个木聚糖酶 / 内切葡聚糖酶双功能酶
（RuCelA），该酶水解木聚糖酶和内切葡聚糖底物的
最适条件分别 65℃，pH7.0 和 50℃，pH5.0。Bao 等［34］
通过活性筛选从牦牛瘤胃 Cosmid 文库中获得两个 β-
葡糖苷酶 / 木糖苷酶双功能酶，这两个酶通过与木
聚糖酶的协同作用能够使木糖降解中还原糖的释放
量分别增加 218% 和 169%。Rashamuse 等［35］ 将水
牛瘤胃微生物 DNA 导入 pCC2FOS 载体构建了元基
因组文库，并从中筛选出两个纤维素 / 木聚糖双功
能酶，这两个酶对长链低聚糖（n>3）有较高的亲和
性，能够降解纤维素和半纤维素的 β-1，4 键。Ko 等［36］
将韩宇奶牛瘤胃 DNA 导入 pCC1FOS 载体中构建了
Fosimd 文库（文库中包括部分甘薯田间土壤 DNA），
通过高通量筛选方法（Robotic HTS system）获得了
4 个外切纤维素分解酶活性克隆，对其中一个基因
（CelEx-BR12）表达后发现该酶对荧光和天然糖苷底
物［CMC（105.9 U/mg）］、白桦木聚糖（132.3 U/mg）
和 2-羟乙基纤维素（26.3 U/mg）均有较高活性，表
明该酶是一个外切纤维素酶 / 内切纤维素酶 / 木聚糖
酶多功能酶［37］。
2.7 其他酶
在某些极端反应体系中要求催化剂具有广泛的
适用性，而反刍动物瘤胃是一个强酸性的厌氧环境，
对多种物质的消化和适应使其成为开发新型酶类的
关注点。Beloqui 等［38］利用活性筛选从牛瘤胃元基
因组文库中获得新的多酚氧化酶，研究表明该酶属
于具有漆酶活性的多铜氧化酶。赵圣国等［39］通过
活性筛选从奶牛瘤胃 BAC 文库的 15 360 个克隆中
筛选得到了 12 个脲酶克隆，利用酚 - 次氯酸法对脲
酶克隆子的酶学性质进行分析表明这些酶的活力范
围是 30-2 466 U/mg。Math 等［40］通过活性筛选从奶
牛瘤胃元基因组文库中获得一个新型 3，5，6-三氯 -2-
吡啶醇降解酶，这是首次对编码 TCP 降解酶基因的
报道。
3 利用元基因组学方法从瘤胃中筛选得到的
酶类相关基因
随着第二代测序技术的迅速发展，测序速度和
数据量大大提高，由于其无需构建文库，能最大程
度地节约人力、物力资源，因此第二代测序技术已
经被广泛应用于瘤胃微生物中生物催化剂的筛选（表
2）。综合国内外近年来的研究，共获得至少 278 Gb
的瘤胃基因组数据，40 475 多条碳水化合物降解酶
（CAZy）相关基因，这些数据将成为瘤胃基因组资
源开发的重大宝库。
Brulc 等［43］通过 454 测序技术对安格斯 - 西门
塔尔杂交牛瘤胃固相和液相微生物 DNA 序列进行了
分析，共获得 0.051 Gb 数据，并从中揭示出大量糖
基水解酶相关基因。Hess 等［44］利用 Illumina GAIIx、
HiSeq2000 和 GAIIx 对奶牛瘤胃纤维吸附微生物进行
全基因组 DNA 测序，共获得 268 Gb 元基因组数据，
鉴别出 27 755 个碳水化合活性相关基因，并表达出
90 个候选蛋白酶，其中 57% 的酶具有纤维素降解酶
2015,31(5) 37张俊等 ：利用元基因组学方法从瘤胃中筛选的功能酶及酶基因研究进展
表 2 利用直接测序法从瘤胃中筛选的酶基因
序列数
安格斯 - 西门塔尔杂交牛［43］ 奶牛［44］ 牦牛［45］ 驯鹿［46］ 娟姗牛［47］ 印度水牛［48］
纤维素酶
GH5 27 1451 1302 287 24 29
GH6 0 0 0 0 1 0
GH7 0 1 0 0 0 0
GH9 24 795 767 109 8 5
GH44 0 0 0 5 0 0
GH45 0 115 13 0 0 1
GH48 1 3 32 5 0 0
总计 52 2365 2114 406 33 35
内切半纤维素酶
GH8 15 329 174 25 0 0
GH10 26 1025 2664 190 35 51
GH11 3 165 244 8 0 3
GH12 0 0 0 0 1 0
GH26 18 369 537 153 1 20
GH28 18 472 244 120 0 4
GH53 0 0 1066 125 18 0
总计 80 2360 4929 631 55 78
木葡聚糖酶
GH16 0 0 0 116 0 0
GH74 0 0 0 44 0 0
总计 0 0 0 160 0 0
脱支酶
GH51 0 0 0 488 1 0
GH54 0 0 111 23 0 0
GH62 0 1 0 0 0 0
GH67 0 120 1090 74 0 48
GH78 134 1260 426 313 13 55
总计 134 1381 1627 898 14 103
低聚糖降解酶
GH1 38 253 331 122 10 1
GH2 745 1436 942 716 16 191
GH3 704 2844 5448 844 48 356
GH29 110 939 899 268 3 44
GH35 48 158 468 39 2 15
GH38 68 272 90 116 1 5
GH39 9 315 159 76 18 0
GH42 45 374 207 95 0 2
GH43 0 0 2313 787 28 0
GH52 0 0 0 2 0 0
总计 1767 6591 10857 3065 126 614
总数据量 0.051 Gb 268 Gb 9.4 Gb 0.30 Gb 0.28 Gb 3.9 GB*
注 ：*3.9 GB 为包括其他酶基因在内的总数据量
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.538
活性。Dai 等［45］对牦牛瘤胃全基因组 DNA 进行 454
测序后共获得 88 Mb 数据发现，GH5、GH9 和 GH10
等纤维素酶 / 半纤维素酶基因占有主要优势。Pope
等［46］对斯瓦尔巴特群岛驯鹿瘤胃微生物 DNA 进行
鸟枪法测序后，从 300 Mb 数据中发现约 5 000 条糖
苷水解酶相关基因，其中 400 条与纤维降解有关，
大部分属于 GH5 和 GH9 家族。Wang 等［47］在构建
娟姗牛 Fosmid 文库后，通过活性筛选从 14 000 个克
隆中获得 34 个纤维素分解酶、52 个木聚糖分解酶、
1 个淀粉分解酶和 33 个秦皮甲素分解酶阳性克隆，
对这些克隆测序后发现大部分基因与木聚糖和纤维
素水解相关。Singh 等［48］利用鸟枪法对印度水牛瘤
胃微生物基因组进行测序，共获得 3.9 Gb 数据，这
些序列组装成 137 270 条序列，其中包括 1 943 条糖
苷水解酶（GH）序列，23 条碳水化合物结合模块
（CBM）序列，373 条糖基转移酶（GT）序列，259
条碳水化合物酯酶（CE）序列和 16 条多糖裂解酶
（PE）序列［49］。
4 结语
迄今，已经通过元基因组学技术从瘤胃中筛选
获得了 200 多个生物催化酶阳性克隆（基因）和至
少 278 Gb 瘤胃微生物基因数据，为全面开发利用瘤
胃资源提供了一种非常有效的手段。但由于元基因
组技术在胃肠道微生物探索上还处于起步阶段，在
增强宿主表达能力、开发新型基因工具与提高筛选
效率等方面还存在许多限制。另一方面，尽管高通
量测序技术飞速发展，测序速度与成本价格的比值
日益增加，但是核酸序列数量的跨越式累积，使得
目前常规的统计分析方法捉襟见肘，生物信息学的
变革首当其冲，适用于多种交叉学科的新统计学方
法的开发及生物信息学知识的补充与更新成为当前
的迫切需求。
目前，基于瘤胃元基因组文库的筛选研究均集
中于对新型或者高效酶基因的发现、筛选和表达方
面，但是对于这些酶高效催化的机理机制与酶蛋白
的分子改良方向尚不完全清楚。未来不仅需要深入
研究酶蛋白质的分子结构、催化剂与底物结合过程、
分析其活性位点与催化位点、找出有助于催化作用
的辅因子，而且应利用蛋白质工程技术对酶蛋白进
行定向改造、通过点突变改变活性或催化位点，并
且构建酶基因与辅因子的共表达体系等一系列手段
来获得更高效、安全和环保的新型酶类，使人类的
生产和生活向更经济和环保的绿色可持续方向发展。
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（责任编辑 狄艳红）