全 文 ：·特约综述· 2015, 31(4):149-165
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
进入 21 世纪，随着我国农耕经济向着机耕经
济的转化，农作物秸秆作为农业生产的必然废弃物
未得到充分利用，常常就地焚烧等，既浪费了资源，
又污染了环境。从化学成分分析，秸秆等生物质可
以转化为生物燃料与生物化工产品，相关研究已引
起人们的广泛关注。从物质结构角度分析，植物生
物质细胞壁结构复杂而致密，形成了防止微生物与
酶解的抗降解屏障，利用木质纤维素生产可发酵的
糖类，仍未进入大规模生产阶段［1］。
植物细胞壁高效降解生产可发酵的糖类，一方
面，需要深入研究植物细胞壁中多糖的合成酶系、
合成过程及其形成的超分子结构 ；另一方面基于超
分子结构研究其高效降解所需要的酶类与数量，从
而为合理复配高效酶系奠定理论基础。只有深入研
究植物细胞壁在长期进化过程形成的“系铃”过程，
才能全面了解“解铃”降解过程中所需要的酶系统
收稿日期 ： 2015-03-06
基金项目 ： 国家“ 973”计划（2011CB707401），国家自然科学基金项目（31370111，31170071），山东省自然科学基金项目（ZR2013CM038）
作者简介 ：公维丽，女，博士，研究方向 ：微生物生理生化 ；E-mail ：15264110812@163.com
通讯作者 ：张怀强，男，博士，研究方向 ：微生物生理生化 ；zhq@sdu.edu.cn
植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系
公维丽  王禄山  张怀强
（山东大学微生物技术国家重点实验室，济南 250100）
摘 要 ： 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。
关键词 ： 植物细胞壁 ；抗降解屏障 ；多糖合成酶系 ；真菌降解酶系 ；绿色可持续发展
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.03.014
Diverse Synthetases and Fungi Degradation Enzymes for the
Polysaccharides of Plant Cell Walls
Gong Weili Wang Lushan Zhang Huaiqiang
（The State Key Laboratory of Microbial Technology，Shandong University，Ji’nan 250100）
Abstract: Efficient degradation and conversion of the polysaccharides in the plant cell wall of straw is of great significance for green
and sustainable development of agriculture economy in China. But the enzymatic hydrolysis process of the polysaccharides was restricted by the
complex structures of plant cell wallsformed in the long-term evolution process. In this paper, the diversity of plant cell wall polysaccharides
synthetases, the complexity of cell wall polysaccharides, and the heterogeneity of supramolecular structures are reviewed from the perspective
of the reasons causing plant cell wall recalcitrance ；in addition, the variety of plant cell wall degradation enzymes of fungi, and the discrepancy
among different strains in degrading different biomass were also summarized, which provide theoretical support for reasonable recompounding of
fungi degradation enzymes in industrial to improve the utilization efficiency of straw biomass.
Key words: plant cell wall ；recalcitrance ；polysaccharides synthetases ；fungi degradation enzymes ；green and sustainable
development
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4150
组成与浓度［2］。只有认识植物细胞壁合成过程中所
需要的酶类及其在植物细胞壁合成中发挥的功能，
才能全面了解植物细胞壁降解过程中所需酶系及在
生物转化优化工艺路线，提高工业应用过程酶解的
转化整体效率。
1 植物细胞壁结构及其多糖合成酶系
植物细胞壁主要包括纤维素、半纤维素、果胶、
木质素等聚合物，这些聚合物结构复杂，形成微生
物和酶分子都很难降解，现在称为“生物质抗降解
屏障（Biomass recalcitrance）”［3］。 其中纤维素和基
质多糖（半纤维素、果胶）通过不同的路径合成。
前者由膜上大的酶复合物合成，酶复合物将微纤丝
从细胞膜表面分泌出（图 1-A），而基质多糖是由高
尔基体中的合成酶合成，并通过囊泡运输与质膜融
合后将多糖分泌到胞外（图 1-B），这些多糖在物理
作用和酶分子催化交联作用下镶嵌到纤维素形成的
细胞壁骨架中。
虽然在不同类型细胞壁中，以纤维素作为骨架
的细胞壁结构类似，但是细胞壁半纤维素、果胶及
木质素等组分在分子结构、种类及含量上具有较大
的异质性。纤维素由没有侧链分支的（1，4）-β-D-
葡聚糖链通过大量分子间与分子内氢键，以及疏水
作用力形成非共价的微纤丝构成［4］，其基本的化学
结构在不同植物、器官及组织的细胞壁中是一致的，
但纤维素链的长度及结晶度具有较大的异质性。半
纤维素（木葡聚糖、甘露聚糖、β-（1，3 ；1，4）- 葡
聚糖、木聚糖）和果胶等基质多糖结构更为复杂，
不仅具有多种骨架结构，而且还含有丰富的侧链分
支，无论是从植物种类、组织层次、细胞发育时期
至分子水平上相同聚合物不同局部结构都表现出高
度的异质性［5，6］。例如，双子叶植物含有丰富的果
胶和木葡聚糖，而在单子叶植物中这两种多糖的含
量较低，取而代之的是高含量的木聚糖和（1，3 ；1，
4）- β-D-葡聚糖［7］。
植物细胞壁复杂结构和异质组分与植物基因
组中参与细胞壁合成基因的多样性和差异性表达有
关［8］。在过去的几十年，模式植物在研究植物细胞
壁合成中发挥了重要作用，单子叶植物中的玉米（Zea
mays L.）、大麦（Hordeum vulgare L.）、水稻（Oryza
sativa L.）及二穗短柄草（Brachypodium distachyon）
和双子叶植物中的拟南芥（Arabidopsis thaliana）、棉
花（Gossypium spp.）等已获得了测序，据估计大约
2 000 多种基因的产物参与细胞壁的合成与维持，其
中多糖的合成主要是由糖基转移酶（GTs；EC 2.4.x.y）
完成。碳水化合物活性酶数据库（CAZy，http ：//
www.cazy.org/）收录了能够合成或分解复杂碳水化
合物和糖复合物的酶类，基于蛋白质结构域中的氨
基酸序列相似性，将碳水化合物活性酶类归入不同
的家族［9］。目前在 CAZy 数据库中糖基转移酶分布
于 97 个家族，其中植物的糖基转移酶位于 45 个家
族［10］。仅在拟南芥基因组中参与细胞壁多糖糖苷键
合成的 351 种糖基转移酶就分布于 27 个家族［11］；
且 Hansen 等［12］发现一些没有被归类到 CAZy 家族
的可能的糖基转移酶也参与到细胞壁的合成。但是
单子叶植物细胞壁合成酶相关基因的研究滞后于双
子叶植物，尤其是拟南芥的研究。目前纤维素合成
酶系，基质多糖合成酶系及果胶合成酶系的许多进
展都是从拟南芥中获得的［13-15］。在本篇综述中，除
拟南芥多糖合成酶系研究进展外也包括了一些单子
叶植物合成酶系的研究结果。
1.1 纤维素合成酶系
纤维素是由 β-1，4 糖苷键连接形成无分支的葡
聚糖链构成（图 1-A 纤维素）。纤维素由位于细胞膜
上的纤维素合成酶 A（CESA）复合物合成，CESA
具有糖基转移酶活性且归于 GT2 家族，在高等植物
中，CESA 复合物成六角玫瑰花环结构，且每一个玫
瑰花环亚基包括 6 个 CESA 蛋白，其中的 3 个 CESA
蛋白具有不同的结合特性，每个 CESA 蛋白可以合
成一条葡聚糖链，因此 CESA 复合物一般可以同时
合成 36 条葡聚糖链，并立即组装成一个纤维素微
纤丝基本单元［4］，其横截面宽和高大约为 5.3 nm×
3.2 nm［16］，在氢键和疏水作用力的作用下微纤丝可
以再聚集成更大宏纤丝，但是由于微纤丝具有不同
的长度、横截面区及形状，并且可以进行不同程度
的弯曲［17］，因此微纤丝中分子链可以以结晶形式堆
积，也存在非结晶区形式的堆积。
随着基因组测序数据的增加，以及 CESA 蛋白
突变体的获得，大大增加了人们对 CESA 蛋白生理
2015,31(4) 151公维丽等：植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系
生化功能的认识。在拟南芥、水稻及高粱基因组中
分别包含 10 个 CESA 基因，而玉米基因组中包含
20 个（http ：//cellwall.genomics.prudue.edu/）［13］。 基
于遗传分析，CESAs 分为参与初生细胞壁纤维素合
成以及参与次生细胞壁合成的两大类，在拟南芥中
AtCESA1、AtCESA3、AtCESA6 主要负责初生细胞壁
中纤维素的合成，而 AtCESA4、AtCESA7、AtCESA8
与次生细胞壁纤维素的合成密切相关［18］（表 1）。之
前研究者猜想次生细胞壁中长度更长且结晶度更
高的微纤丝可能是由纤维素酶复合物中 CESA 组分
差异导致的，但是目前的一些研究显示 AtCESA1、
AtCESA3、AtCESA6 在拟南芥的初生壁和次生壁中
都有表达［19］，并且与 AtCESA6 具有较高相似性的
AtCESA2、AtCESA5、AtCESA9 参与次生细胞壁纤维
素的合成，这说明参与初生壁和次生壁纤维素合成
的 CESAs 组分并不是一成不变的。对单子叶植物纤
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A ：CESA 玫瑰花环样 TC 复合物合成纤维素微纤丝过程 ； B ：高尔基体中的半纤维素合成酶和果胶合成酶合成半纤维素和果胶过程 ；
C ：纤维素、半纤维素和果胶分子结构示意图
图 1 植物细胞壁多糖合成模式图
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4152
维素合成的研究主要是基于系统发育分析得到的一
些结果，直接的实验结果主要有 ：Juhasz 等［20］利用
基因突变方法对水稻 CesAs 基因功能进行研究，其
结果显示 OsCesA4、OsCesA7、OsCesA9 基因突变导
致次生细胞壁纤维素含量降低（表 1），玉米中的 12
个 CesA 基因也得到了克隆表达，其中 ZmCESA10、
ZmCESA11、ZmCESA12 与拟南芥中 AtCESA4、AtC-
ESA7、AtCESA8 属于同源基因［20，21］。
纤维素合成主要是由 CESA 基因编码蛋白参与
完成，与此同时，许多非 CESA 基因编码蛋白（表
1，辅助酶）也发挥了不可或缺的作用。在拟南芥
中，COBRA（AT5G60920）、 COBL4（AT5G15630）、
POM-POM1（AT1G05850）、 KOBITO1（AT3G08550）
以及 KORRIGAN1（AT5G49720）是研究较为清楚的
几种纤维素合成辅助酶，其中 COBRA（AT5G60920）
蛋白定位于类微管结构蛋白上，在调节微纤丝排列
方向中发挥作用，KOBITO1（AT3G08550）蛋白也
有类似的功能 ；COBL4（AT5G15630）是 COBRA 的
同源蛋白主要参与次生细胞壁纤维素的合成 ；POM-
POM1（AT1G05850）是一种类似于几丁质酶的蛋白，
可能通过蛋白与纤维素的相互作用影响纤维素的合
成 ；而 KORRIGAN1（AT5G49720）蛋白不仅可能去
除纤维素合成起始引物，而且可去除葡萄糖链合成
过程出现错误的葡聚糖链，同时，微纤丝的合成终
止也可能由这一蛋白参与完成［22］。
随 着 对 纤 维 素 合 成 过 程 及 其 酶 系 认 识 的 增
加，人们逐渐可以通过改变纤维素合成酶来提高
生物燃料产率，DeBolt 通过对拟南芥中 AtCESA1、
AtCESA3 蛋白 C 末端跨膜结构域的突变来降低纤维
素微纤丝的结晶度从而提高糖化率［23］。但是目前
还有许多重要的问题悬而未决，如 CSC 玫瑰花样的
TC 复合物如何组装、纤维素合成起始是否需要引物、
微纤丝合成后如何聚集成束，以及纤维素的结晶程
度受何种因素控制等相关问题的解决需要细胞生物
学、生物化学、生物物理学和计算建模等领域的共
同努力。
1.2 半纤维素合成酶系
半纤维素的化学组成主要包括（半乳）甘露聚
糖、木葡聚糖、木聚糖、及 β-（1，3 ；1，4）-D-葡聚
糖等结构类型，与纤维素不同，半纤维素不仅具有
多样的骨架结构，而且还有复杂的侧链分支。因此
参与半纤维素合成的酶系比纤维素合成酶系更为复
杂，不但包括骨架合成酶而且还有大量的侧链转移
酶，并且这些酶类不是位于细胞膜上而是位于高尔
基体中，因此半纤维素的合成是在高尔基体上完成
的（图 1-B）。
表 1 拟南芥、水稻及玉米中已鉴定的参与纤维素合成的纤维素合成酶和辅助酶组分
多糖名称 酶活性 基因名称 CAZy 家族 功能
纤维素 纤维素合成酶（CESA） AtCESA1 GT2 初生细胞壁纤维素合成
AtCESA6 GT2 初生细胞壁纤维素合成
AtCESA3 GT2 初生细胞壁纤维素合成
AtCESA8，ZmCESA11 GT2 次生细胞壁纤维素合成
AtCESA7，OsCESA7，ZmCESA12 GT2 次生细胞壁纤维素合成
AtCESA4，OsCESA7，ZmCESA10 GT2 次生细胞壁纤维素合成
AtCESA2 GT2 次生细胞壁纤维素合成
AtCESA5 GT2 次生细胞壁纤维素合成
AtCESA9，OsCESA9 GT2 次生细胞壁纤维素合成
辅助酶 COBRA — 纤维素微纤丝定向
COBL4 — 次生细胞壁中纤维素合成
POM-POM1 — 编码几丁质酶与纤维素相互作用影响纤维素的合成
KOBITO1 — 纤维素微纤丝定向
KORRIGAN1 — 去除纤维素合成起始引物，去除或纠正错误的葡聚糖
链以及从终止微纤丝的合成
AtCESA、OsCESA、ZmCESA 分别指拟南芥、水稻及玉米中 CESA 基因
2015,31(4) 153公维丽等：植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系
（半乳）甘露聚糖、木葡聚糖和木聚糖骨架分
别由甘露糖残基、葡萄糖残基和木糖残基通过 β-1，4
糖苷键连接而成（图 1-C）。与这 3 种半纤维素类型
不同，β-（1，3 ；1，4）-D-葡聚糖骨架是通过 β-1，4-
和β-1，3-糖苷键连接葡萄糖残基形成，并且 β-1，4-糖
苷键可以 2 个或 3 个连续存在，但没有连续的 β-1，3-
糖苷键，因此 β-（1，3 ；1，4）-D-葡聚糖可以看作纤
维三糖和纤维四糖通过 β-1，3-糖苷键连接而成的葡
聚糖。
类纤维素合成酶基因（Cellulose synthases-like
genes，Csls）编码的多糖合成酶（类纤维素合成酶）
参与半纤维素骨架合成，Csls 与 CesA 基因具有很高
的相似性，目前，9 个类纤维素合成酶（Csl）基因
（CslA-H 和 J）家族和 1 个纤维素合成酶（CesA）基
因家族构成了纤维素合成酶基因超家族（表 2），并
且 CslF、CslH 只在禾本科植物中检测到，而 CslB 和
CslG 是非禾本科植物所独有的。类纤维素合成酶和
纤维素合成酶一样位于 GT2 家族，是含有多个跨高
尔 基 体 膜 结 构 域（Transmembrane domains，TMDs）
的完整膜蛋白。对纤维素合成酶功能的研究主要采
用基因突变的方法，但是由于类纤维素合成酶基因
在不同物种中存在差异，因此这一方法对研究类纤
维素合成酶功能并不适合，对类纤维素合成酶功能
的认识主要通过异源表达等方法获得。
CslA 基因家族的多个基因编码（半乳）甘露聚
糖骨架合成酶（ManS），在双子叶植物拟南芥和杨
树（Populus trichocarpa） 中，AtCSLA2、AtCSLA3、
AtCSLA7、AtCSLA9 和 PtCSLA1 的 β-甘露聚糖合成
酶活性已经在体外得到了验证。同时，在单子叶植
物魔芋（Amorphophallus konjac）中，异源表达实验
结果显示，CslA3 的直系同源蛋白 AkCSLA3 可以同
时利用 GDP-甘露糖和 GDP-葡萄糖来合成甘露聚糖。
除 CslA 之 外，CSLD 蛋 白（AtCSLD2，3 和 5） 及
MSR 基因编码蛋白也可能参与到甘露聚糖骨架的合
成［24］。木葡聚糖骨架合成是由 CslC 基因家族的一
个或多个基因参与，研究者对旱金莲（Tropaeolum
majus）种子进行转录组分析得出 TmCSLC4 基因与
木葡聚糖合成相关，对其异源表达发现只有与木葡
聚糖木糖基转移酶（XyG∶XylT）共表达时才可以
合成 β-1，4-葡聚糖，但这一过程并不需要 UDP-木糖
基的存在，因此 XyG∶XylT 蛋白是木葡聚糖骨架合
成所必需［25］。通过比较基因组学分析，Burton 等［26］
发现 CslH 和 CslF 是禾本科植物所独有的 CSL 基因
家族，由此推测 CslH 和 CslF 在 β-（1，3 ；1，4）-D-
葡聚糖合成中可能发挥功能，并采用转基因等方法
对他们的推测进行了验证。但是这些蛋白具体是参
与 β-1，4-键还是 β-1，3-键的合成，目前研究得还不
清楚。与上述 3 种半纤维素类型不同，目前没有试
验证据显示 CSL 蛋白在木聚糖骨架合成中发挥作用，
而 IRX9（GT43）、IRX14（GT43）及 IRX10（GT47）
等其他 GT 家族的 GT 酶被认为代替它们发挥功能，
但是对木聚糖骨架合成机制的认识还远远不够。
除 β-（1，3；1，4）-D-葡聚糖没有侧链以外，（半
乳）甘露聚糖、木葡聚糖和木聚糖都具有短的糖链、
乙酰基或酚醛基团等侧链分支。多种多样的糖基转
移酶（GlyTs）负责将这些不同的侧链基团添加到多
糖骨架上［27］。
（半乳）甘露聚糖取代基包括 α-1，6-半乳糖残基
和 O-乙酰基。α-1，6-半乳糖基转移酶最早是在胡芦
巴（Trigonella foenum-graecum）中得到鉴定，也是
第一个纯酶活性得到验证的参与植物细胞壁合成的
GT 酶［24］，O-乙酰基的添加可能是由 TBL（Trichome
birefringence-like）蛋白家族的 O-乙酰基转移酶参与
完成，TBL 基因家族是植物所特有的 O-乙酰基转移
酶基因家族（表 2，乙酰基转移酶），甘露聚糖、木
葡聚糖的 O-乙酰化都需要这一基因家族编码蛋白
参与［28］。
木葡聚糖侧链基本基团有 ：D-木糖残基、D-半
乳糖残基和 L-岩藻糖基，在双子叶植物和非禾本科
单子叶植物中木葡聚糖具有规则的取代模式，每 4
个骨架葡萄糖残基中的连续 3 个通过 α-1，6 糖苷键
与木糖残基相连，第 2 和第 3 个木糖残基可以被半
乳糖通过 β-1，2 糖苷键取代，而第 2 个半乳糖残基
还可以进一步被岩藻糖基通过 α-1，2 糖苷键取代。
几种木葡聚糖木糖基转移酶已经得到了鉴定，在拟
南芥中，7 个基因编码蛋白位于 GH34 家族，其中 5
个具有木葡聚糖木糖基转移酶活性，但是目前还不
清楚木葡聚糖中木糖残基取代模式的形成机制。第
2 和第 3 位木糖半乳糖基分别由 AtMUR3 和 AtXLT2
添加，这两个蛋白是位于 GH47 家族的 β-1，2 半乳
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4154
糖基转移酶。第 2 位半乳糖残基上岩藻糖基的进一
步取代是由 GT37 家族的木葡聚糖 α -1，2 岩藻糖基
转 移 酶（AtFUT1） 参 与 完 成，fut1/mur2 的 突 变 导
致拟南芥中木葡聚糖的完全去岩藻糖基化，说明
AtFUT1 是非冗余蛋白［29］。除了规则的糖基取代模
式之外，在不同植物类型中木葡聚糖的不同位置可
以被乙酰基取代，在拟南芥中 O-乙酰化可以特定地
发生在半乳糖残基，由 TBL 家族的 AtAXY4 编码蛋
白介导 ；而在禾本科植物和茄目物种中，木葡聚糖
骨架中的葡萄糖残基可以被 O-乙酰化，但是，目前
负责这一修饰的特定基因还没有得到鉴定［24］。与此
同时，一些实验表明几种 XyG 修饰蛋白包括内切转
糖基酶 / 水解酶（XTHs）对改变木葡聚糖长度，将
其镶嵌到细胞壁中，或者是在细胞伸长过程中重塑
细胞壁网络结构具有重要作用［30］。
木聚糖侧链取代基在不同物种及组织中存在较
大差异，通常木聚糖骨架可以被葡萄糖醛酸（GlcA）
和 4-O-甲 基 葡 萄 糖 醛 酸（MeGlcA） 通 过 α-1，2 糖
苷键取代，同时 O-乙酰基团也可以通过酯键与骨
架相连。在单子叶植物中，除了上面的取代基团之
外，大量的阿拉伯呋喃糖基（Araf）可以通过 α-1，
3 或 / 和 α-1，2-糖苷键与骨架相连。此外，阿拉伯呋
喃糖还可以与阿魏酸或香豆酸形成酯键从而与木素
相互交连。近年来，虽然对木聚糖骨架合成研究取
得的进展较小，但对木聚糖取代基合成研究进展较
大。在拟南芥中，AtGUX1 和 AtGUX2 负责将葡萄糖
醛酸残基添加到木聚糖骨架上，对多种 gux 突变体
及相应回补菌株研究表明 GUX 蛋白的多样性决定了
木聚糖中不同的葡萄糖醛酸取代模式［31］。拟南芥中
葡萄糖醛酸的进一步取代与一种木聚糖甲基转移酶
（GXMT/GMX3）相关，GXMT/GMX3 突变导致葡萄
糖醛酸的甲基取代减少 75%［24］。在水稻中，GT61
家族的 OsXAX1 参与木聚糖 β-木糖 -1-2-α-阿拉伯糖
侧链中木糖基的添加，同时，OsXAX1 突变植物中
阿魏酸和香豆酸等组分缺少，但是具体作用机制还
不明确［32］。同属于 GT61 家族的 XATs 与木聚糖中
阿拉伯呋喃糖残基侧链形成具有密切关系，Anders
等［33］对小麦胚乳中的 TaXAT1 和 TaXAT261 敲除后
木聚糖 α-1，3-连接的阿拉伯取代基减少，而回补后
恢复取代水平。
虽然利用功能基因组学的方法已经对多种参与
半纤维素合成酶进行了鉴定，但是对半纤维素合成
酶系的深入研究也面临许多挑战。例如，这些酶类
的晶体结构、酶活性及底物特异性怎样，以及它们
在时间和空间尺度上是怎样相互合作来高效有序的
合成这些复杂结构的多糖。随着比较基因组学，标
记代谢组学等技术的快速发展，这些问题将逐渐被
解决。
1.3 果胶合成酶系
果胶是植物细胞壁中结构最复杂的多糖，其含
量约占禾本科植物细胞壁的 2%-10%，占双子叶植
物和非禾本科单子叶植物初生细胞壁的 35%，主要
包括聚半乳糖醛酸（HG）、木糖聚半乳糖醛酸（XG）、
鼠李聚半乳糖醛酸 Ⅰ（RG Ⅰ）和鼠李聚半乳糖醛
酸Ⅱ（RG Ⅱ）4 种结构类型（图 1-A 果胶）［2］，其
中 HG 是由半乳糖醛酸通过 α-1，4 糖苷键形成的聚
糖，高达 80% 半乳糖醛酸的羧基可以被甲基酯化，
其 O-2 或 O-3 位置还可被乙酰化，一些半乳糖醛酸
的 O-3 位置可以被 β-D-木糖取代形成木糖聚半乳糖
醛酸（XG），RG Ⅱ也是聚半乳糖醛酸（HG）的进
一步取代形式，并有 4 种不同类型的侧链。与以上
3 种果胶类型不同，RG Ⅰ骨架是由重复的［4）-α-D-
半乳糖醛酸 -（1，2）-α-L-鼠李糖 -（1，］n 聚合而成，
其侧链包括 α-1，5-L-阿拉伯聚糖、β-1，4-D-半乳聚糖
和 β-1，6-D-半乳聚糖，果胶的合成至少需要 67 种糖
基转移酶参与完成［34］。
目前研究果胶合成转移酶及其编码基因的进展
缓慢，主要是由于很难获得有活性的纯果胶合成酶，
只有少数果胶合成酶酶活性得到生化验证（表 3），
另外还有一些基因可能参与到果胶的合成，主要包
括参与 HG、XG 和 RG Ⅰ骨架合成的 HG 半乳糖醛
酸转移酶，以及与侧链添加相关的 HG 甲基转移酶、
RG Ⅰ α-1，5-阿 拉 伯 糖 基 转 移 酶、RG Ⅰ β-1，4-半
乳糖基转移酶、RG Ⅱ α-1，3-木糖基转移酶和 XGα-
1，3-木糖基转移酶。通过免疫共沉淀方法研究发现
GAUT1 和 GAUT7 形成 HG∶GalAT 复合物参与果胶
合成，且 GAUT1∶GAUT7 是 HG∶GalAT 的核心组分，
与这一复合物相互作用的 12 个蛋白也可能在果胶合
成中发挥作用［35］。这一多糖合成复合物的发现为理
2015,31(4) 155公维丽等：植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系
解植物细胞壁糖基转移酶复合物的组装及其在复杂
多糖合成中如何发挥作用提供了参考，同时也增加
人们对 GTs 及多糖修饰酶多样性的认识。
果胶合成酶位于高尔基体中，与半纤维素一
样，果胶的合成也是在高尔基体中完成。关于果胶
合成有两个假设模型，（1）连续的糖基转移酶模型
（Consecutive glycosyltransferase model）；（2） 结 构 域
合成模型（Domain synthesis model），这两个模型在
果胶合成酶添加果胶结构单元方式上存在差异，但
认为两者果胶骨架的延伸和修饰侧链添加都是在高
尔基体中完成，通过囊泡运输释放到胞外，从而与
细胞壁骨架相互交联。
2 植物细胞壁多糖真菌降解酶系
植物细胞壁中多糖合成酶系合成结构复杂的多
糖，形成了抵抗微生物及相关酶系降解的“抗降解
屏障”。同样，微生物在与植物共同进化过程中也形
成了许多降解细胞壁的策略［6］。尤其是真菌通过分
泌大量的游离酶系在降解植物生物质中发挥了重要
作用，随着越来越多真菌基因组数据的获得，人们
对真菌降解植物细胞壁的生物多样性也有了更为深
入的认识，在进化过程中由于不同真菌生存环境存
在差异，因此其降解酶种类及数量也各不相同。例
如，瑞氏木霉（Trichoderma reesei）具有更加高效的
纤维素降解酶系，曲霉属（Aspergillus sp.）部分物种
分泌更多的降解果胶酶系，而草酸青霉（Penicillium
oxalicum）具有更多数量的纤维素酶和半纤维素酶系
（表 4）［13，36，37］。
碳水化合物活性酶数据库（CAZy）不仅包含
不同 GT 家族的参与植物细胞壁多糖合成的糖基转
移酶，而且包含不同家族的降解多糖的糖苷水解酶
（Glycoside hydrolases，GH）。参与植物细胞壁降解
的真菌酶类被归入糖苷水解酶（GHs）家族、碳水
化合物酯酶（Carbohydrateesterases，CEs）家族、多
糖裂解酶（Polysaccharide lyases，PLs）家族和辅助
酶类（Auxiliary activities，AAs）家族，这些不同家
族的降解酶协同对纤维素、半纤维素及果胶等多糖
表 2 已鉴定的参与半纤维素骨架和侧链合成的半纤维素合成酶
多糖类型 酶活性 CAZy 家族 功能 基因名称 #
（半乳）甘露聚糖 甘露聚糖合成酶 GT2/GT34 （半乳）甘露聚糖骨架合成 CtManS、CSLA7、TfCSLA9
葡甘露聚糖合成酶 GT2 （半乳）葡甘露聚糖骨架合成 CSLA9、CSLA2，AkCSLA3、PtCSLA1
其他辅助酶 — （半乳）甘露聚糖骨架合成 MSR1、 MSR2、CSLD2、CSLD3、CSLD5
半乳糖基转移酶 GT2 半乳糖基侧链添加 TfGMGT
乙酰基转移酶 — 乙酰基侧链添加 AtTBL25，AtTBL26
木葡聚糖 葡聚糖合成酶 GT2 木葡聚糖骨架合成 CSLC4
木糖基转移酶 GT34 木糖侧链添加 XXT1-5
半乳糖基转移酶 GT47 半乳糖侧链添加 MUR3、XLT2
岩藻糖基转移酶 GT37 岩藻糖侧链添加 FUT1/MUR2
乙酰基转移酶 — 乙酰基侧链添加 AXY4、AXY4L
木聚糖 木聚糖合成酶 GT43、GT47、
GT8
木聚糖骨架合成 IRX9、IRX9L、IRX14、IRX14L、PtGT43B、PtGT43、
CIRX10/GUT2、IRX10L/GUT1、IRX7/FRA8、IRX8/
GAUT12、PARVUS/GLZ1、PdGATL1.1、PdGATL1.2、
PoGT8E，F8H、PoGT8F
葡萄糖醛酸基转移酶 GT8 葡萄糖醛酸侧链添加 GUX1-5
木糖基转移酶 GT61 木糖侧链添加 XAX1
阿拉伯糖基转移酶 GT61 阿拉伯糖侧链添加 XAT1-2
甲基转移酶 — 甲基侧链添加 GXMT、GXM1-3、IRX15、IRX15L
乙酰转移酶 — 乙酰基侧链添加 TBL29
（1，3 ；1，4）-β-D-
葡聚糖
葡聚糖合成酶 GT2 （1，3 ；1，4）-β-D-葡聚糖骨架合
成
OsCslF2、OsCslF4、OsCslF6、HvCslF6、HvCslH1
# 除了标记出的基因（如 AkCSLA3）其他基因都来自拟南芥（At）
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4156
降解。
2.1 纤维素降解酶系
虽然纤维素只有一种结构单元和一种键型，但
是其形态具有结晶区和非晶区的差异。降解纤维素
的丝状真菌通常分泌 3 种典型酶类［38］：β-1，4-内切
葡聚糖酶（EGL，EC 3.2.1.4）、外切葡聚糖酶 / 纤维
二糖水解酶（CBH，EC 3.2.1.91 ；EC3.2.1.176）以及
β-葡萄糖苷酶（BGL，EC 3.2.1.21）［39］，内切葡聚糖
酶从无定型区内部水解纤维素链的糖苷键，产生的
葡聚糖链可以进一步被外切葡聚糖酶和 β-葡萄糖苷
酶降解，外切纤维素酶对结晶区的降解具有重要作
用，可以从纤维素链还原端（CBH I，EC 3.2.1.176）
或非还原端（CBH Ⅱ，EC 3.2.1.91）持续降解产生
纤维二糖，纤维二糖可以进一步被 β-葡萄糖苷酶降
解为葡萄糖，这对解除外切纤维素酶的产物抑制起
着不可或缺的作用。
内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和 β-葡萄糖苷酶
具有大量的同工酶，并且分布于不同的家族，真菌
内切葡聚糖酶主要位于 GH5、GH7、GH12、GH45
等家族，外切葡聚糖酶主要分布于 GH6、GH7 家
族，而 β-葡萄糖苷酶的主要家族有 GH1、GH3 家
族［40］。虽然大部分降解木质纤维素的丝状真菌都可
以分泌这三种酶类，但同工酶的数量及分布的家族
存在明显差异。例如，黑曲霉具有 7 个 EGLs 分别
位于 GH5 和 GH12 家族中，6 个 CBHs 分布于 GH6
和 GH7 家族，以及 15 个 BGLs 位于 GH1 和 GH3 家
族，比较而言，降解纤维素最为高效的真菌之一——
瑞 氏 木 霉， 具 有 7 个 EGLs， 分 布 于 GH5、GH7、
GH12 及 GH45 家 族，2 个 高 效 表 达 的 CBHs 位 于
GH6 和 GH7 家族，以及 11 个位于 GH1 和 GH3 家
族 的 BGLs。 研 究 显 示，GH5、GH6、GH7、GH9、
GH12 及 GH45 家族的内切葡聚糖酶同工酶的底物专
一性存在差异［41］。利用荧光辅助糖电泳对瑞氏木霉
等产的 4 个内切纤维素酶作用模式研究表明，它们
结合的糖链聚合度存在差异，产物谱也各不相同［42］。
因此纤维素酶功能还需要进一步细化，如 EGL 不是
表 3 拟南芥基因组中已经验证与预测的果胶合成酶基因
基因名称 位点 ID CAZy 家族 功能 蛋白复合物
聚半乳糖醛酸（HG）
GAUT1 At3g61130 GT8 已证明的 HG ：GalAT
GAUT1 ：GAUT7
HG ：GalAT
GAUT7 At2g38650 GT8 已证明的 GAUT1 的高尔基体膜锚定蛋白
GAUT1 ：GAUT7
HG ：GalAT
GAUT8/QUA1 At3g25140 GT8 预测的 HG ：半乳糖醛酸转移酶
QUA2/TSD2 At1g78240 预测的 HG ：甲基转移酶
QUA3 At4g00740 预测的 HG ：甲基转移酶
CGR3 At5g65810 预测的 HG ：甲基转移酶
鼠李聚半乳糖醛酸 �（RG �）
ARAD1 At2g35100 GT47-B 预测的 RG-I ：α-1，5-阿拉伯糖基转移酶 ARAD1 ：ARAD2
ARAD2 At5g44930 GT47-B RG-I ：α-1，5-阿拉伯糖基转移酶 ARAD1 ：ARAD2
GALS1 At2g33570 GT92 已证明的 β-1，4-半乳糖基转移酶
GALS2 At5g44670 GT92 预测的 β-1，4-半乳糖基转移酶
GALS3 At4g20170 GT92 预测的 β-1，4-半乳糖基转移酶
鼠李聚半乳糖醛酸Ⅱ（RG Ⅱ）
RGXT1 At4g01770 GT77 证明的 RG-II ：α-1，3-木糖基转移酶
RGXT2 At4g01750 GT77 证明的 RG-II ：α-1，3-木糖基转移酶
RGXT3 At1g56550 GT77 证明的 RG-II ：α-1，3-木糖基转移酶
RGXT4/MGP4 At4g01220 GT77 证明的 RG-II ：α-1，3-木糖基转移酶
木糖聚半乳糖醛酸（XGA）
XGD1 At5g33290 GT47-C 证明的 XGA ：β-1，3-木糖基转移酶
2015,31(4) 157公维丽等：植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系
表 4 瑞氏木霉、黑曲霉、草酸青霉基因组中纤维素酶、半纤维素酶及果胶酶基因数量统计
多糖类型 酶活性 CAZy 家族 瑞氏木霉 黑曲霉 草酸青霉
纤维素
纤维二糖水解酶 GH6 1 2 1
GH7 1 4 2
β-1，4-内切葡聚糖酶 GH5 3 3 6
GH7 1 0 1
GH12 2 4 3
GH45 1 0 1
β-1，4-葡萄糖苷酶 GH1 2 3 4
GH3 9 12 7
多糖单氧化物酶 AA9 5 7 4
纤维二糖脱氢酶 0 2 1
Cip1 1 0 0
Cip2 1 0 0
Swollenin 1 0 1
木葡聚糖 木葡聚糖 β-1，4-内切葡聚糖酶 GH12 0 3 0
GH74 1 1 0
α-木糖苷酶 GH31 0 7 1
α-岩藻糖苷酶 GH95 4 2 1
GH29 0 1 0
β-1，4-半乳糖苷酶 GH35 1 5 3
GH2 0 0 2
α-阿拉伯呋喃糖苷酶 GH43 2 2 8
（半乳）甘露聚糖 β-1，4-内切甘露聚糖酶 GH54 2 1 1
GH62 1 1 2
β-1，4-甘露糖苷酶 GH51 0 4 3
α-1，4-甘露糖苷酶 GH5 2 2 1
GH26 0 1 1
α-1，4-半乳糖苷酶 GH2 5 3 2
（1，3 ；1，4）-β-D-葡聚糖 1，3-内切葡聚糖酶 GH5 0 4 3
GH16 4 1 5
GH17 4 1 3
GH55 6 0 7
GH64 3 0 1
GH71 4 0 2
GH81 2 0 1
1，3-β-葡萄糖苷酶 GH5 1 1 0
GH81 0 1 0
木聚糖 β-1，4-内切木聚糖酶 GH10 1 1 3
GH11 3 4 5
GH30 2 0 2
GH43 0 1 0
β-1，4-木糖苷酶 GH3 2 2 4
GH43 3 4 4
α-葡萄糖醛酸酶 GH67 1 1 2
乙酰木聚糖酯酶 CE1 0 1 1
CE2 0 0 1
CE5 3 0 2
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4158
简单的作用于无定型区，而应是对特定长度的寡糖
有专一性。
除了经典类型的纤维素降解酶之外，最近研究
发现，大量的辅助酶类也参与到纤维素的降解［38］。
多糖单氧化物酶（PMOs）是铜离子依赖酶，属于
AA9 家族，可以接受纤维二糖脱氢酶（Cellobiose
dehydrogenases，CDHs）氧化纤维二糖提供的电子对
纤维素氧化降解，PMOs 作用于纤维素表面而无需从
结晶纤维素中解离出单根葡聚糖链。在粗糙脉胞菌
中，敲除一个纤维二糖脱氢酶基因就可以使其总纤
维素酶酶活降低一半，这说明氧化还原系统是纤维
素降解机制中非常重要的部分［43］。不同丝状真菌之
间 PMOs 编码基因的数量具有很大差异，粪壳菌纲
的一些种类，如球毛壳菌、粗糙脉胞菌等，PMOs 编
多糖类型 酶活性 CAZy 家族 瑞氏木霉 黑曲霉 草酸青霉
α-阿拉伯呋喃糖苷酶 GH43 2 2 8
GH54 2 1 1
GH62 1 1 2
GH51 0 4 3
阿魏酸酯酶 CE1 0 3 2
聚半乳糖醛酸 内切聚半乳糖醛酸酶 GH28 2 7 5
木糖聚半乳糖醛酸 外切聚半乳糖醛酸酶 GH28 2 4 2
半乳糖醛酸裂解酶 PL20 2 0 0
内切木糖聚半乳糖醛酸酶 GH28 1 1 0
果胶酸裂解酶 PL1 0 1 1
果胶裂解酶 PL1 0 5 2
果胶甲基酯酶 CE8 0 3 4
果胶乙酰酯酶 CE16 0 0 4
CE12 0 0 1
鼠李聚半乳糖醛酸 鼠李聚半乳糖醛酸酶 GH28 1 9 4
鼠李聚半乳糖醛酸裂解酶 PL4 0 2 3
α-鼠李糖苷酶 GH78 1 8 4
阿拉伯聚糖酶 GH43 0 5 0
GH93 0 1 2
β-1，6-半乳聚糖酶 GH30 1 0 1
β-1，4-半乳聚糖酶 GH53 0 2 1
β-葡萄糖醛酸酶 GH27 1 0 1
GH79 1 0 2
β-半乳糖苷酶 GH35 1 5 3
GH2 0 0 2
α-阿拉伯呋喃糖苷酶 GH43 2 2 8
GH54 2 1 1
GH62 1 1 2
GH51 0 4 3
鼠李聚半乳糖醛酸水解酶 CE12 0 2 1
阿魏酸酯酶 CE1 0 3 2
碳水化合物酯酶 CE1 1 3 1
CE4 2 0 0
CE5 1 0 1
CE9 2 0 0
CE16 0 0 3
表 4 （续）瑞氏木霉、黑曲霉、草酸青霉基因组中纤维素酶、半纤维素酶及果胶酶基因数量统计
2015,31(4) 159公维丽等：植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系
码基因的数量明显高于黑曲霉和瑞氏木霉［16］。与此
同时，丝状真菌基因组编码和表达大量的 PMOs 同
工酶，类似于内切纤维素酶同工酶，这些 PMOs 同
工酶可能在纤维素的精细结构中具有不同的作用位
点［16，44］。Swollenin 是与植物扩展蛋白（Expansins）
具有序列同源性的一种蛋白（图 2-A），最早是在瑞
氏木霉中鉴定和表达，在纤维素酶中添加 Swollenin
蛋白后可以显著提高纤维素酶降解滤纸的效率［45］。
目前认为 Swollenin 作用机制是影响微纤丝的超微结
构，使微纤丝之间的空隙变大，增加纤维素酶对微
纤丝中葡聚糖链的可及性，而不是直接断裂微纤丝
产生可检测的葡聚糖链还原端。Cip1（Cellulose in-
duced protein-1）和 Cip2（Cellulose induced protein-2）
蛋白最早是在瑞氏木霉转录分析中检测到，两者都
包含一个碳水化合物结合模块（CBM）并与已知的
纤维素酶共调控［46］，瑞氏木霉 Cip1 对 p-硝基苯 -β-D-
纤维二糖苷具有微弱的降解活性，并可以与 PMO 及
Swollenin 协同作用，但是其具体作用机制还是未知
的［38］，Cip2 具有酯酶活性，可以断裂 4-O-甲基 -D-
葡萄糖醛酸的甲酯键［16］。在植物细胞壁的降解中纤
维素底物的暴露是一个重要的环节，辅助蛋白可以
显著提高这一环节的效率［47］。因此，在工业应用中
对这些辅助蛋白功能的深入研究是十分必要的。
2.2 半纤维素降解酶系
在半纤维素合成的论述中已提到，它具有复杂
的骨架结构和侧链分支，所以对它的降解不仅需要
骨架降解酶，而且还需要大量的侧链降解酶。
木 聚 糖 骨 架 是 由 β-1，4-内 切 木 聚 糖 酶（EC
3.2.1.8）和 β-1，4-木糖苷酶（EC 3.2.1.37）降解（图
2-D），真菌分泌的 β-1，4-内切木聚糖酶主要位于
GH10 和 GH11 家族［48］，通常 GH10 家族的木聚糖
酶比 GH11 家族的酶组分具有更广泛的底物专一
性，它不仅可以降解线性的木聚糖链，而且可以降
解高度取代基的木聚糖骨架和木寡糖，因此 GH10
家族的木聚糖酶对于含有取代基的木聚糖降解更彻
底［40］。内切木聚糖酶降解产生的木寡糖可以被 β-木
糖苷酶进一步降解，大多数真菌的 β-木糖苷酶位于
GH3 家族，但是一些真菌的 β-木糖苷酶位于 GH43
家族，如米曲霉［49］。
真菌分泌的降解木葡聚糖骨架的木葡聚糖 β-1，
4-葡 聚 糖 酶（EC 3.2.1.151）（ 图 2-B） 主 要 位 于
GH12 和 GH74 家族，这两个家族的酶具有不同的作
用模式。黑曲霉 GH12 家族的木葡聚糖 β-1，4-葡聚
糖酶不能断裂含有取代基的葡萄糖苷键，并且更倾
向于降解至少包含 6 个葡萄糖残基的木葡寡糖，且
其中至少有一个葡萄糖残基未被取代 ；而瑞氏木霉
GH74 家族的木葡聚糖酶可以降解更短的木葡寡糖，
降解活性也不受取代基的影响［50］，因此 GH74 家族
的 β-1，4-葡聚糖酶可以对木葡聚糖骨架进行更为有
效的降解。
降 解 甘 露 聚 糖 骨 架 的 内 切 甘 露 聚 糖 酶（EC
3.2.1.78）（ 图 2-E） 属 于 GH5 和 GH26 家 族。 真 菌
的内切甘露聚糖酶主要位于 GH5 家族，并且研究显
示，黑曲霉和瑞氏木霉 GH5 家族的内切甘露聚糖酶
都具有底物专一性，都只能降解含有 3 个以上 D-甘
露糖残基的甘露寡糖［51］；内切甘露聚糖酶产生的甘
露二糖或甘露三糖可以进一步被 GH2 家族的 β-1，4-
甘露糖苷酶（EC 3.2.1.23）降解，因此甘露糖苷酶
对甘露聚糖骨架彻底降解为甘露糖结构单元起着重
要作用。
β-（1，3 ；1，4）-D-葡聚糖虽然同纤维素一样都
是由 β-D-葡萄糖构成，但是由于两者合成酶合成键
型的差异，所以在降解过程中除了降解纤维素的 β-1，
4-葡聚糖酶（纤维素酶 EC 3.2.1.4）之外，还需要另
外 3 种类型的酶组分 ：β-1，3-1，4-葡聚糖酶（地衣
聚糖酶，EC 3.2.1.73）、 β-1，3-葡聚糖酶（海带多糖
酶，EC 3.2.1.39）和 β-1，3（4）- 葡聚糖酶（EC 3.2.1.6），
它们主要位于 GH16、GH17、GH55、GH64、GH71、
GH81 家族中［52，53］。
半纤维素侧链完全降解需要至少 9 种活性酶的
作用，这些酶位于至少 11 个 GH 家族和 4 个 CE 家族，
酶种类主要包括 α-阿拉伯呋喃糖苷酶、α-木糖苷酶、
α-岩藻糖苷酶、α-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶、α-葡
萄糖醛酸酶、乙酰木聚糖酯酶、p-香豆酸酯酶和阿
魏酸酯酶［40］。
L-阿拉伯糖是木葡聚糖和（阿拉伯）木聚糖中
常见的取代基，可以被 α-阿拉伯呋喃糖苷酶（Abf）
（EC 3.2.1.55）和阿拉伯木聚糖 - 阿拉伯呋喃糖苷
酶（图 2-B，2-D）从木葡聚糖和（阿拉伯）木聚糖
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4160
中降解出来，真菌的 α-阿拉伯呋喃糖苷酶主要位于
GH51 和 GH54 家族，对黑曲霉两个分别位于 GH51
和 GH54 家族的 α-阿拉伯呋喃糖苷酶底物专一性
研究显示，AbfA（GH51）可以降解阿拉伯聚糖而
AbfB（GH54）具有碳水化合物结合模块（CBM 42）
还可以特定的降解半纤维素中的阿拉伯呋喃糖取
代基。
与木葡聚糖骨架通过 α-糖苷键连接的 D-木糖残
基的可以被 α-木糖苷酶（EC 3.2.1.177）降解，曲霉
基因组分析数据显示，α-木糖苷酶降解位于 GH31
家族，这已通过在毕赤酵母中过表达得到验证［54］。
L-岩藻糖苷基是木葡聚糖的主要取代基，可以
被 位 于 GH29 和 GH95 家 族 的 α-岩 藻 糖 苷 酶（EC
3.2.1.51）降解，许多植物的 α-岩藻糖苷酶可以降解
木葡聚糖岩藻糖侧链，但在真菌中，只有黑曲霉（A.
niger）、构巢曲霉（Aspergillus nidulans）和多色青霉
（Penicillium multicolor）分泌的 α-岩藻糖苷酶可以降
解木葡聚糖中的岩藻糖苷基［40］。
在木聚糖和半乳甘露聚糖中，D-半乳糖苷基可
通过 α-糖苷键与骨架相连，α-半乳糖苷基可被 GH27
和 GH36 家 族 的 α-半 乳 糖 苷 酶（EC 3.2.1.22）（ 图
2-D，2-E）降解，这两个家族的 α-半乳糖苷酶都采
用双交换机制，并具有共同的进化起源，通常 GH36
家族的 α-半乳糖苷酶分子量更大且对单糖和寡糖都
具有降解作用［55］。在木葡聚糖和半乳葡甘露聚糖
中，D-半乳糖苷基还可通过 β-糖苷键连接到骨架上，
这说明 β-半乳糖苷酶（EC 3.2.1.25）（GH2 和 GH35）
在降解含有 β-半乳糖残侧链的半纤维素中具有重要
作用（图 2-B，2-E），研究结果也证明了这一点，将
黑曲霉的 β-半乳糖苷酶（LacA）添加到酶复合物中
可以显著提高小麦粉中 D-半乳糖基的释放［56］。
D-葡萄糖醛酸残基是木聚糖的侧链结构，由位
于 GH67 家族和新鉴定的 GH115 家族 α-葡萄糖醛酸
酶（EC 3.2.1.131）降解，两个家族的酶在底物专一
性上存在明显差异，GH67 家族的酶对寡糖具有降解
活性而 GH115 家族的酶对木聚糖聚合物的降解起作
用。Chong 等的研究显示，GH67 家族 α-葡萄糖醛酸
酶广泛分布于子囊菌分泌酶系中，而 GH115 家族的
酶既存在于子囊菌，也存在于担子菌中［40］。
乙酰基是木聚糖的常见取代基，它是由 CE1、
CE4、CE5 和 CE16 家族的乙酰木聚糖酯酶降解，乙
酰木聚糖酯酶的存在对内切木聚糖酶有效降解木聚
糖骨架具有重要作用，如只有当乙酰木聚糖酯酶存
在时，黑曲霉的 3 个内切木聚糖酶和 β-木糖苷酶才
可有效降解桦木木聚糖［57］。
阿魏酸和 p-香豆酸对木聚糖和木素的交联具
有重要作用，可以被阿魏酸酯酶 / 香豆酸酯酶移
除，但是这些酯酶大部分还没有被归类到相应的 CE
家族。
2.3 果胶降解酶系
在果胶的 4 种类型中，聚半乳糖醛酸（HG）、
木糖聚半乳糖醛酸（XG）和鼠李聚半乳糖醛酸Ⅱ（RG
Ⅱ）具有相同的骨架结构，鼠李聚半乳糖醛酸 Ⅰ（RG
Ⅰ）骨架与前 3 者存在差异，四者具有甲基、乙酰
基和糖链等不同的取代基团。
对果胶骨架降解的真菌降解酶主要分为两种类
型 ：糖苷水解酶和果胶裂解酶（PLs）（图 2-F）。糖
苷水解酶主要位于 GH28 家族，根据它们作用果
胶骨架部位的不同分为内切聚半乳糖醛酸酶（EC
3.2.1.15）、外切聚半乳糖醛酸酶（EC 3.2.1.67）、内
切鼠李聚半乳糖醛酸酶（EC 3.2.1.171）、外切鼠李
聚半乳糖醛酸酶（EC 3.2.1.173）、木糖聚半乳糖醛
酸酶（EC 3.2.1.-）和 α-鼠李糖苷酶（EC 3.2.1.40），
同时 GH88 家族的不饱和葡萄糖醛酸水解酶（EC
3.2.1.-）和 GH105 家族的不饱和鼠李半乳糖醛酸水
解酶（EC 3.2.1.172）也参与果胶骨架的降解。果胶
裂解酶和果胶酸裂解酶都采用 β-消除机制断裂果胶
中没有取代基部分的 α-1，4-糖苷键，果胶裂解酶主
要位于 PL1 家族，果胶酸裂解酶在 PL1、PL3 和 PL9
家族都有分布，鼠李半乳糖醛酸裂解酶与果胶裂解
酶和果胶酸裂解酶结构上存在差异，作用底物部位
也不同，它可降解果胶骨架中含有取代基的部分。
降解果胶骨架的糖苷水解酶和裂解酶也具有大
量的同工酶。研究发现，黑曲霉基因组的 7 个内切
聚半乳糖醛酸酶分别表现出不同的动力学特性、甲
基敏感性和作用模式［37］，米曲霉的 15 个半乳糖醛
酸酶对聚半乳糖醛酸表现出不同的底物特异性［58］，
同工酶的不同作用特点说明了对于多糖的降解需要
大量同工酶的共同作用。
2015,31(4) 161公维丽等：植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系
Cellobiohydrolase IGH7A
C
B
D
E
F
EndoglucanaseGH5,7,12,45 Cellobiohydrolase IIGH7
e-
Cip2Polysaccharide monooxygenasePMO/GH61
cellobiose dehydrogenaseCDHSwolleninCip1
α-XylosidaseGH31
β-GalactosidaseGH2,GH35
β-1,4-endoglucanaseGH5,GH7,GH12,GH45
β-1,4-xylosidaseGH3,GH43
Endo-β-1,4-mannaseGH5,GH26 β-1,4-mannosidaseGH2
β-GlucuronidaseGH27,GH79
β-galactosidaseGH2,GH35 β-1,6-galactanaseGH30 β-1,4-galactanaseGH53
D-Mannose
D-Galatose
D-Galacurtonic acid
Feruloyl groupsg
Acetyl groups
L-Rhamnose
D-Xylose
Methyl groups
L-Arabinose
D-Glucuronic acid
β-1,4-xylosidaseGH10,11,GH30,GH43
Acetylxylan esteraseCE1,CE2,CE5
Feruloyl esteraseCE1
Lignin
β-1,3-endoglucanaseGH16,GH17,GH55,GH71,GH81α-ArabinofuranosidaseGH43,GH51,GH54,GH62
α-ArabinofuranosidaseGH43,GH51,GH54,GH62
α-ArabinofuranosidaseGH43,GH51,GH54,GH62
α-GlucuronidaseGH67
α-GalactosidaseGH27,GH36
ArabinanaseGH43,GH93
Feruloyl esteraseCE1
Rhamnogalacturonan acetylesteraseCE12
Rhamnogalacturon lyasePL4
RhamnogalacturonaseGH28Endoxylogalacturonan hydrolaseGH28Pectate lyasePL1Pectin lyasePL1Pectin methylesteraseCE8ExopolygalacturonaseGH28Pectin acetylesteraseCE16,CE12
EndopolygalacturonaseGH28
α-FucosidaseGH29,GH95XyloglucanaseGH12,GH74
β-1,3-glucosidaseGH5,GH81
D-Glucose1,3 link˗ Acetyl groups˗ L-Fucose˗D-Xylose˗L-Arabinose˗D-Galatose˗D-Glucose1,4 link˗
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.4162
Cellobiohydrolase IGH7A
C
B
D
E
F
EndoglucanaseGH5,7,12,45 Cellobiohydrolase IIGH7
e-
Cip2Polysaccharide monooxygenasePMO/GH61
cellobiose dehydrogenaseCDHSwolleninCip1
α-XylosidaseGH31
β-GalactosidaseGH2,GH35
β-1,4-endoglucanaseGH5,GH7,GH12,GH45
β-1,4-xylosidaseGH3,GH43
Endo-β-1,4-mannaseGH5,GH26 β-1,4-mannosidaseGH2
β-GlucuronidaseGH27,GH79
β-galactosidaseGH2,GH35 β-1,6-galactanaseGH30 β-1,4-galactanaseGH53
D-Mannose
D-Galatose
D-Galacurtonic acid
Feruloyl groupsg
Acetyl groups
L-Rhamnose
D-Xylose
Methyl groups
L-Arabinose
D-Glucuronic acid
β-1,4-xylosidaseGH10,11,GH30,GH43
Acetylxylan esteraseCE1,CE2,CE5
Feruloyl esteraseCE1
Lignin
β-1,3-endoglucanaseGH16,GH17,GH55,GH71,GH81α-ArabinofuranosidaseGH43,GH51,GH54,GH62
α-ArabinofuranosidaseGH43,GH51,GH54,GH62
α-ArabinofuranosidaseGH43,GH51,GH54,GH62
α-GlucuronidaseGH67
α-GalactosidaseGH27,GH36
ArabinanaseGH43,GH93
Feruloyl esteraseCE1
Rhamnogalacturonan acetylesteraseCE12
Rhamnogalacturon lyasePL4
RhamnogalacturonaseGH28Endoxylogalacturonan hydrolaseGH28Pectate lyasePL1Pectin lyasePL1Pectin methylesteraseCE8ExopolygalacturonaseGH28Pectin acetylesteraseCE16,CE12
EndopolygalacturonaseGH28
α-FucosidaseGH29,GH95XyloglucanaseGH12,GH74
β-1,3-glucosidaseGH5,GH81
D-Glucose1,3 link˗ Acetyl groups˗ L-Fucose˗D-Xylose˗L-Arabinose˗D-Galatose˗D-Glucose1,4 link˗
A ：纤维素降解酶 B ：木葡聚糖降解酶 C ：（1，3 ；1，4）-β-D-葡聚糖降解酶 D ：木聚糖降解酶 E ：（半乳）甘露聚糖降解酶 F ：果胶降解酶
图 2 真菌基因组中降解纤维素、半纤维素和果胶相关酶类
木糖聚半乳糖醛酸和鼠李聚半乳糖醛酸侧链的
去除还需要侧链降解酶的作用，丝状真菌分泌的 α-
阿拉伯呋喃糖苷酶（GH51 和 GH54）、β-半乳糖苷
酶（GH2 和 GH35）和 β-木糖苷酶（GH3 和 GH43）
不仅对半纤维素侧链起作用，而且在果胶侧链去除
中也发挥功能。此外，内切阿拉伯聚糖酶（GH43），
外 切 阿 拉 伯 聚 糖 酶（GH93），β-内 切 半 乳 聚 糖 酶
（GH53）和几种酯酶（CE8、 CE12 及 CE13）只对果
胶侧链进行降解。
3 展望
植物基因组测序数据显示了植物基因组中含有
大量的糖基转移酶，仅在拟南芥基因组中就有 351
种，由于糖基转移酶的作用特异性使得每种糖基转
移酶对应着一种糖苷键，由此推测植物细胞壁中有
几百种糖苷键类型［59］，因此将这些糖苷键断裂实
现单糖的有效释放也相应的需要多种糖苷水解酶的
作用。丝状真菌虽然是降解植物细胞壁多糖的主要
类群，但是对已测序的丝状真菌基因组同源注释分
析表明，单一丝状真菌基因组中糖苷水解酶的数量
要远少于植物细胞壁糖苷键类型［19］，所以单一一
种丝状真菌并不能将复杂的天然生物质（Natural
biomass）彻底有效的降解，必须依靠多种微生物的
协同作用。丝状真菌糖苷水解酶基因注释提供了一
定的丝状真菌降解酶种类的信息，但只有少量的糖
苷水解酶功能得到了生化功能验证，大量糖苷水解
酶的生化功能验证将不仅有助于真菌基因组更好的
注释，而且为植物细胞壁多糖的有效降解提供更多
具有明确、精细降解功能的酶资源。研究需通过转
录组技术、蛋白质组技术及结构生物信息学技术等
进行高通量的功能分析与实验验证。
植物基因组中糖基转移酶基因的表达在不同植
株、不同组织以及细胞的不同生长周期都存在显著
2015,31(4) 163公维丽等：植物细胞壁多糖合成酶系及真菌降解酶系
差异，合成的多糖种类、结构及含量也具有明显异
质性（Heterogeneity）［60］。而丝状真菌主要为腐生真
菌或植物病原菌，在与植物共同进化过程中形成了
降解特定类型多糖的降解酶系，对于不同的多糖具
有各自的降解优势和偏好性。King 等［7］对 156 种真
菌的降解酶谱分析发现，以单子叶植物作为宿主的
植物病原菌对于单子叶植物的半纤维素和细胞壁类
型具有更高的降解能力，而双子叶植物病原菌更倾
向于降解双子叶植物的木葡聚糖等半纤维素。对丝
状真菌降解天然生物质偏好性的研究，将会为寻找
降解特定底物的优势降解酶系，根据底物类型复配
降解酶系提供指导，从而为工业转化合理复配微生
物降解区系，提高秸秆生物质的利用效率提供理论
支持。
参 考 文 献
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