全 文 ：·综述与专论· 2015, 31(12):25-33
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
纤维素是自然界中分布最广、含量最丰富的
一种可再生性生物资源，纤维素的利用与生物转化
对于解决目前世界能源危机以及粮食短缺、环境
污染等问题具有十分重要的意义［1］。尽管许多微
生物在纤维素类物质降解中起到了非常重要的作
用，但降解缓慢，故目前纤维素的高效生物转化仍
存在诸多亟待解决的问题。一些植食性昆虫与纤维
素能源利用密切相关而受到关注，特别是木食性昆
虫（Xylophagous insects）能通过纤维素酶高效利用
纤维素类物质，从中获取足够营养维持自身生长发
育的需要［2，3］，如食木蜚蠊、食木白蚁、天牛和
木蜂等。其中，白蚁（蜚蠊目 Blattodea ：白蚁总科
Termitoidae）是消化纤维素最有效的昆虫类群，其
降解效率可达 74%-99%［4，5］，而且每年消化的纤维
素类物质总量巨大，被认为是地球上最小的高效生
物反应器［6］。但是，白蚁被认为是完全依靠后肠共
生微生物来完成纤维素的降解，白蚁具有内源性纤
维素酶的观点虽有报道却长期受到质疑。直到 1998
收稿日期 ：2015-04-01
基金项目 ：国家自然科学基金项目（31172163），广东省昆虫研究所创新人才基金项目（GDEI-cxrc201302）
作者简介 ：刘小琳，女，硕士研究生，研究方向 ：昆虫分子生物学 ；E-mail ：liuxiaolin.1222@163.com
通讯作者 ：张丹丹，女，副教授，研究方向 ：昆虫分类与系统分化 ；E-mail ：zhangdd6@mail.sysu.edu.cn
白蚁内源性纤维素酶基因资源研究进展
刘小琳1  李志强2  张丹丹1 
（1. 中山大学昆虫学研究所 & 有害生物控制与资源利用国家重点实验室，广州 510275 ；2. 广东省昆虫研究所 广东省野生动物保护与利用
公共实验室 广东省农业害虫综合治理重点实验室，广州 510260）
摘 要 ： 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。
关键词 ： 白蚁 ；内源性纤维素酶基因 ；基因克隆
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.12.004
Research Advances on Endogenous Cellulase Gene Resources of
Termites
Liu Xiaolin1 Li Zhiqiang2 Zhang Dandan1
（1. Institute of Entomology and State Key Laboratory of Biocontrol，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275 ；2. Guangdong
Entomological Institute，Guangdong Public Laboratory of Wild Animal Conservation and Utilization，Guangdong Key Laboratory of Integrated
Pest Management in Agriculture，Guangzhou 510260）
Abstract: Energy shortage has become a global problem, and cellulose is the most abundant and renewable resource in nature. Termites
have evolved the unique and efficient cellulose-digesting system, in which there are rich resources of cellulase and its genes. In recent years, the
significance of endogenous cellulose-digesting system in termite has been recognized gradually, and the researches on the endogenous cellulase
genes have been reported continuously. In order to improve the new control technologies of termite pests and to explore the cellulosic biomass for
biofuels, the review provides the information for the cloning and expressions of termite endogenous cellulase genes.
Key words: termite ；endogenous cellulase gene ；gene cloning
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.1226
年，栖北散白蚁（Reticulitermes speratus）唾液腺纤
维素酶基因 RsEG 的克隆［7］，人们才开始明确认识
到白蚁内源性纤维素酶和共生微生物的外源性纤维
素酶共同参与了纤维素的降解，内源性纤维素酶基
因开始受到关注，特别是在白蚁中最大的类群白蚁
科（Termitidae）［8］。白蚁高效利用纤维素的肠道生
境条件和丰富的纤维素酶及其基因，为人类转化和
利用生物质能的研究提供了可借鉴的模型，在纤维
素的生物能源转化，以及环保型白蚁防治剂作用靶
标的研究开发均具有重要意义［9］。为了推动相关研
究的深入，本文对白蚁内源性纤维素酶基因克隆和
表达等研究进展进行了综述。
1 白蚁消化系统和内源性纤维素酶
基于低等白蚁肠道纤维素酶的分布，白蚁的双
重纤维素消化系统（Dual cellulose-digesting system）
首次被 Nakashima 等［10］提出，即源自白蚁自身的内
源纤维素酶的消化系统和基于后肠共生微生物产生
的纤维素酶的消化系统。其后，有观点认为白蚁的
这两个纤维素消化系统其实是统一的，两者是连续
发生并且共同作用［11，12］，反对者认为该观点的论据
恰好是支持白蚁具有双重纤维素消化系统［13］的观
点。白蚁纤维素消化应是内源性和共生微生物的纤
维素酶协同作用，低等白蚁后肠的共生原生动物（厌
氧鞭毛虫）在吞噬、降解经白蚁破碎的木质纤维素
颗粒发挥了重要作用［14］，而为数众多的高等白蚁则
是内源性纤维素酶发挥了重要作用［6，15］，当然在巢
体内的共生真菌［16］和白蚁后肠的共生细菌［11］分泌
的外源性纤维素酶亦参与了纤维素的有效降解，以
维持白蚁自身和共生微生物的生长。
一般认为将纤维素分解为葡萄糖需要 3 类纤
维素酶，包括外切 -β-1，4-葡聚糖酶（exo-1，4-β-D-
glucanase，CBH，EC 3.2.1.91）、内切 -β-1，4-葡聚糖
酶（endo-1，4-β-glucanase，EG，EC 3.2.1.4） 和 β-葡
萄糖苷酶（β-1，4-D-glucosidase，BG，EC 3.2.1.21）［17］。
白蚁内源性纤维素酶包括内切 -β-1，4-葡聚糖酶（EG）
和 β-葡萄糖苷酶（BG），主要由白蚁的唾液腺和中
肠分泌产生。内切 -β-1，4-葡聚糖酶主要作用于纤维
素分子内部的非结晶区，随机水解 β-1，4 糖苷键，
将长链纤维分子截断，产生带有非还原性末端的小
分子纤维素和可溶性纤维寡聚糖 ；β-葡萄糖苷酶的
主要作用是水解纤维二糖及低分子量的纤维寡糖生
成葡萄糖。
2 白蚁内源性纤维素酶基因
白蚁内源性的 EG 酶 cDNA 全长测序显示它们
都存在一个催化结构域，并且这个结构域与其他
动物的 GHF9（糖基水解酶家族 9）氨基酸序列的
催化位点一致［10］，这表明白蚁内源性的 EG 酶属
于 GHF9，每种白蚁都包括个别来自 GHF9 的 EG
酶基因和 GHF1 家族的 BG 酶基因，而白蚁共生微
生物存在多个 EG 酶、BG 酶和 CBH 酶基因，远大
于白蚁的内源性纤维素酶基因。除了山林原白蚁
（Hodotermopsis sjostedti）中肠的 EST 分析得到一个
属于 GHF3 的基因外，目前报道的白蚁内源性的 BG
酶均属于 GHF1［18］。美洲散白蚁（R. flavipes）的一
内源性的 EG 酶基因经 RNA 干扰处理，白蚁甚至出
现一定程度的死亡［19］，说明内源性纤维素酶在白蚁
消化甚至生长发育中起着不可或缺的作用。
栖北散白蚁内源性的内切葡聚糖酶活性的发
现［20］，特别是其编码基因 RsEG 的克隆［7］，使得白
蚁自身能够产生纤维素酶得到广泛认可。根据美国
国家生物技术信息中心的 GenBank 数据，到目前为
止已有 4 科 18 属 33 种白蚁的内源性纤维素酶基因
克隆得到了 cDNA 全长序列，其中从 32 种白蚁中得
到了 62 个完整的内源性 EG 酶基因 cDNA 编码序列，
包括来自澳白蚁科和鼻白蚁科的 6 个低等白蚁种群，
以及白蚁科的 26 个高等白蚁种群（表 1），每个白
蚁种群的内切葡聚糖酶基因存在多个基因拷贝。
首个被克隆的 β-葡萄糖苷酶基因是从恒春新白
蚁（Neotermes koshunensis） 中 克 隆 的 NkBG［27］。 相
比较于内切葡聚糖酶基因的研究，β-葡萄糖苷酶基
因的研究较少，目前有 11 种白蚁的 β-葡萄糖苷酶基
因被克隆，获得了 21 个完整的内源性 β-葡萄糖苷酶
cDNA 全长序列（表 2）。
多个基因拷贝的维持与定位被认为能够赋予原
始基因新的功能、亚功能，同时保持每个基因拷贝
功能的保守性［34］。白蚁的内源性纤维素酶基因也同
时存在多个基因拷贝，这些同源基因组成一个基因
家族，基因家族的成员彼此之间仅存在个别碱基的
2015,31(12) 27刘小琳等：白蚁内源性纤维素酶基因资源研究进展
表 1 GenBank 中收录的白蚁 EG 酶基因 cDNA 全长序列
科 物种 基因 GenBank 登录号 参考文献
澳白蚁科 Mastotermitidae Mastotermes darwiniensis cel1 AJ511339.1 ［21］
cel2 AJ511340.1 ［21］
cel3 AJ511341.1 ［21］
cel4 AJ511342.1 ［21］
cel5 AJ511343.1 ［21］
鼻白蚁科 Rhinotermitidae Reticulitermes speratus RsEG AB008778.2 ［7，22］
RsEG2 AB019095.1 ［22］
Coptotermes formosanus CfEG1a AB058667.1 ［10］
CfEG1b AB058668.1 ［10］
CfEG2 AB058669.1 ［10］
CfEG3 AB058670.1 ［10］
CfEG3a EU853671.1 ［23］
CfEG3b GU017483.1 -
CfEG4 AB058671.1 ［10］
Coptotermes gestroi CgEG1 KC891003.1 ［24］
Coptotermes acinaciformis CaEG AF336120.1 -
Reticulitermes flavipes Cell-1 AY572862.2 ［25］
白蚁科 Termitidae Nasutitermes takasagoensis NtEG AB013272.2 ［22］
Nasutitermes walkeri NwEG AB013273.1 ［22］
Odontotermes formosanus OfEG GU326330.1 -
Macrotermes barneyi MbEG1 JQ292846.1 ［26］
Amitermes dentatus AdEG KC714049.1 -
Amitermes foreli AfEG1 KC714050.1 -
AfEG2 KC714051.1 -
Anoplotermes schwarzi AvEG1 KC714052.1 -
AvEG2 KC714053.1 -
Constrictotermes cavifrons CcEG1 KC714054.1 -
CcEG2 KC714055.1 -
Constrictotermes guantanamensis CgEG KC714056.1 -
Grigiotermes metoecus GmEG KC714057.1 -
Globitermes sulphureus GsEG1 KC714058.1 -
GsEG2 KC714059.1 -
Hospitalitermes bicolor HbEg1 KC714060.1 -
HbEg2 KC714061.1 -
HbEg3 KC714062.1 -
Microcerotermes crassus IcEG KC714063.1 -
Microtermes pallidus IpEG1 KC714064.1 -
IpEG2 KC714065.1 -
Macrotermes carbonarius McEG KC714066.1 -
Macrotermes gilvus MgEG KC714067.1 -
Macrotermes subhyalinus MsEG KC714068.1 -
Nasutitermes corniger NcEG KC714069.1 -
Nasutitermes sp. NpEG KC714070.1 -
O. formosanus OfEG5 KC714071.1 -
Odontotermes hainanensis OhEG1 KC714072.1 -
OhEG2 KC714073.1 -
Pericapritermes nitobei PnEG1 KC714074.1 -
PnEG2 KC714075.1 -
Pericapritermes sp. PpEG1 KC714076.1 -
PpEG2 KC714077.1 -
PpEG3 KC714078.1 -
Rhynchotermes bulbinasus RbEG1 KC714079.1 -
RbEG2 KC714080.1 -
RbEG3 KC714081.1 -
Subulitermes baileyi SbEG KC714082.1 -
Syntermes grandis SgEG1 KC714083.1 -
SgEG2 KC714084.1 -
SgEG3 KC714085.1 -
Sphaerotermes sphaerothorax SsEG1 KC714086.1 -
SsEG2 KC714087.1 -
SsEG3 KC714088.1 -
SsEG4 KC714089.1 -
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.1228
差异。虽然，白蚁内源性纤维素酶种内同源基因编
码的纤维素酶共同作用于纤维素的降解，但每个种
内同源基因编码的纤维素酶在纤维素的水解过程的
功能意义仍有待研究。
3 白蚁内源性纤维素酶基因的体内表达
白蚁内源性纤维素酶基因的表达场所主要是
唾液腺和中肠。低等白蚁内源性纤维素酶基因主要
在唾液腺表达，高等白蚁内源性纤维素酶基因主要
在中肠表皮表达，即白蚁内源性纤维素酶基因在
进化过程中的体内表达位点从唾液腺发展至中肠，
但是培菌性的高等白蚁黑翅土白蚁（Odontotermes
formosanus） 内 源 性 EG 酶 主 要 在 唾 液 腺 表 达［15］，
木 食 性 的 高 等 白 蚁 高 山 象 白 蚁（Nasutitermes
takasagoensis）内源性 BG 酶在中肠和唾液腺均有明
显的表达［8，31］。
低等白蚁如格斯特乳白蚁（Coptotermes gestroi）、
恒春新白蚁和栖北散白蚁等，其唾液腺和前肠的纤
维素酶活力存在明显的差异［35］。尽管前肠不是这些
白蚁的分泌组织，但也存在较低的纤维素酶活力，
这很有可能是在某种信号的诱导下，唾液腺表达分
泌的纤维素酶随唾液流入到前肠，这种信号分子包
括诱食信息素［36，37］、抗生素［38］和蛋白类信息素［39］
等。低等白蚁中肠纤维素酶可能由于中肠分泌的某
些蛋白酶分解了一部分唾液腺分泌的纤维素酶，而
导致较低的纤维素酶活力［40］，而且在中肠内的分布
也不均。
工业上应用于木质纤维素生物质能转化最广泛
的里氏木霉菌（Trichoderma reesei）［41］，是研究纤维
素酶基因表达和分泌的模式系统。该系统存在多个
表达调控因子，可对纤维素酶基因的表达进行连续
的严谨控制［42，43］，但由于里氏木霉菌分泌的纤维
素酶较为单一，其中 85% 都属于葡萄糖外切酶［44］，
而工业生物质能的转化普遍需要混合酶系。因此，
如果将白蚁内源性纤维素酶在里氏木霉菌中表达将
可以填补该系统中缺乏的葡萄糖内切酶及糖苷酶
成分。
4 白蚁纤维素酶基因的体外表达与活性
白蚁内源性纤维素酶在白蚁的纤维素降解过程
中起着至关重要的作用，目前白蚁内源性纤维素酶
基因在原核和真核宿主中已经成功实现超表达（表
表 2 GenBank 中收录的白蚁 BG 酶基因 cDNA 全长序列
科 物种 基因 GenBank 登录号 参考文献
木白蚁科 Kalotermitidae Neotermes koshunensis NkBG AB073638.2 ［27］
鼻白蚁科 Rhinotermitidae R. flavipes RfBGluc-1 HM152540.1 ［28］
C. formosanus Glu1B GQ911585.1 ［29，30］
Glu1A JN565078.1 ［30］
Glu1C JN565079.1 ［30］
Glu1D JN565080.1 ［30］
C. gestroi CgBG1 KC891004.1 ［24］
白蚁科 Termitidae O. formosanus OfBG GU591172.1 -
N. takasagoensis sgNtBG1 AB508954.1 ［31］
sgNtBG2 AB508955.1 ［31］
sgNtBG3 AB508956.1 ［31］
sgNtBG4 AB508957.1 ［31］
mgNtBG1 AB508958.1 ［31］
mgNtBG2 AB508959.1 ［31］
mgNtBG3 AB508960.1 ［31］
M. barneyi MbmgBG1 JQ292845.1 ［32］
A. schwarzi AsBG KC533770.1 ［33］
M. carbonarius McBG KC533771.1 ［33］
R. bulbinasus RbBG KC533772.1 ［33］
S. sphaerothorax SsBG KC533773.1 ［33］
SsBG2 KC533774.1 ［33］
2015,31(12) 29刘小琳等：白蚁内源性纤维素酶基因资源研究进展
3）。2004 年，Lee 等［45］利用昆虫杆状病毒表达系
统表达出了桑天牛高活性内切酶重组蛋白，是昆虫
纤维素酶第一次在体外表达有活性的蛋白。白蚁纤
维素酶的外源表达开始很难实现，虽然通过刚果红
平板法检测到高山象白蚁的 NtEG 基因的重组蛋白
存在功能性表达［22］，但首次在大肠杆菌（Escherichia
coli）中实现超表达的白蚁纤维素酶基因的是 4 种白
蚁［栖北散白蚁、高山象白蚁、台湾乳白蚁和短刀
乳白蚁（C. acinaciformis）］的内切酶基因突变体［46］。
随后，进行进一步的基因改组，又得到了 PA68 突
变体酶，同样在大肠杆菌中实现超表达［47］。近年来，
多种白蚁纤维素酶基因在原核生物大肠杆菌中成功
表达［9，23，33，48，49］。相较于原核生物表达系统，真
核生物表达系统能够表达更高活性的白蚁纤维素酶
重组蛋白，栖北散白蚁的 RsEG 基因和高山象白蚁
的 NtEG 基因在米曲霉（Aspergillus oryzae）中表达出
高活性的纤维素酶重组蛋白，比活性分别高达 1 200
U/mg 和 1 392 U/mg［50］。恒春新白蚁的 NkEG 基因
也在米曲霉中成功表达出有活性的纤维素酶重组蛋
白［51］，白蚁纤维素酶基因在真菌中成功表达的还有
毕赤酵母（Pichia pastoris）［52，53］。与此同时，美洲
散白蚁的 RfBGlu-1 基因在粉纹夜蛾（Trichoplusis ni）
的 Sf9 细胞（一种昆虫表达系统的宿主细胞）中成
功表达，并且以杆状病毒作为载体，重组的白蚁纤
表 3 白蚁内源性纤维素酶基因外源表达
来源 比活性 /（U·mg-1） 最大酶活 Vmax（U·mg-1） 表达载体 / 宿主 参考文献
Mutant termite EGs
A18（CMC）
PA68（CMC）

544
560

1074
889

pQE30/E. coli JM109
pQE30/E. coli JM109

［46］
［50］
台湾乳白蚁（C. formosanus）
CfEG3a（CMC）
CfEG5（CMC）

328
325

590
548

pET28a/ E. coli Rosetta 2（DE3）
pLysS
pET28a/ E. coli Rosetta 2（DE3）

［9，23］
［9］
栖北散白蚁（R. speratus）
RsEG（CMC）

1200

1429

pDONR221/A. oryzae

［49］
高山象白蚁（N. takasagoensis）
NtEG（CMC）

1392

1667

pDONR221/ A. oryzae

［49］
恒春新白蚁（N. koshunensis）
NkBG（纤维二糖）
NkBG（pNPG）

156.7
12.4

220
16

pQE30/E. coli JM109
pDONR221/A. oryzae

［47］
［51］
美洲散白蚁（R. flavipes）
RfBGlu-1（纤维二糖）
RfBGlu-1（pNPG）

-
-

638
22.92

baculovirus/T. ni Sf9
baculovirus / T. ni Sf9

［28］
［28］
台湾乳白蚁（C. formosanus）
Glu1B

-

462.5

pET28a/ E. coli Rosetta 2（DE3）

［48］
黄翅大白蚁（M. barneyi）
MbmgBG1（纤维二糖）

206

-

pQE30/ E. coli JM109

［33］
高山象白蚁（N. takasagoensis）
G1mgNtBG1（pNPG）
G1sgNtBG1（pNPG）

5.83
-

8
-

pBGP3/ Pichia pastoris KM71
pBGP3/ Pichia pastoris KM71

［52］
［53］
维素酶基因最大活性高达 638 U/mg［28］。
5 结语
近一个世纪以来，白蚁对木质纤维素降解的
高效性吸引了许多学者的注意，但长期以来人们普
遍认为白蚁完全依赖共生微生物来降解纤维素。随
着新兴的高通量检测技术的发展，白蚁纤维素酶基
因的相关研究得到了极大的关注，多种白蚁的内源
性纤维素酶基因成功克隆，白蚁自身能够产生纤维
素酶得到证实。低等白蚁肠道内源性纤维素酶在
分解纤维素中发挥重要作用［54］，而木食性高等白
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.1230
蚁纤维素的降解对内源性纤维素酶的依赖程度更
高［6，8，15，55］。当然高等白蚁后肠微生物在纤维素降
解过程中也起着重要作用［56］，同时高等白蚁后肠中
的细菌群落的蛋白组学研究表明，相较于纤维素降
解，后肠细菌产生的水解酶在新陈代谢（包括固氮
作用、同化作用、异化作用和氨基酸的合成）中发
挥更重要的作用［57］。最近的组学研究引起了关于
白蚁生物学、生理学以及生物化学方面新信息的大
爆炸，为生物技术进入新的既有的领域创造了空前
的机会［57］。目前，只有两种白蚁的全基因组已经
测得，包括低等白蚁内华达动白蚁（Zootermopsis
nevadensis）［58］和高等白蚁纳塔尔大白蚁（Macrotermes
natalensis）［59］，这两种白蚁全基因组信息为更多白
蚁基因组的组装提供了依据，以促进进化和生物过
程相关基因的研究［60］。根据内华达动白蚁的全基因
组序列分析，从中发现了大量与白蚁生长发育密切
相关的基因［58］。在对格斯特乳白蚁转录组研究中
发现新的内源性纤维素酶基因［61］。美洲散白蚁肠
道宏转录组（Metatranscriptome）分析显示，白蚁具
有消化半纤维素和木质素的漆酶基因和过氧化酶基
因［62］。除了基于基因组学和转录组学的研究之外，
利用高分辨率固体核磁 13C NMR 技术从代谢组学的
角度分析 13C 标记的纤维素在山林原白蚁肠道中的
降解过程，证实了内源性纤维素酶在纤维素消化过
程中的重要性，并且表明后肠细菌主要作用于纤维
糊精或纤维二糖的磷酸解作用［63］。
运用新的生物技术发现更多的纤维素酶基因，
并从中选取能够在外源体系中表达高活性酶的基因，
将能够解决工业生产中纤维素酶体外表达活性弱，
产量低等问题。尽管模仿白蚁消化系统的想法也存
在已久，但将这一高效纤维素分解系统在工业应用
仍有诸多问题亟待解决。目前，仅有少数白蚁内源
性纤维素酶能够在原核和真核生物表达系统中实现
超表达。而对于生物质能的转化，需要的纤维素酶
能够是低成本的大量表达，白蚁内源性纤维素酶在
大肠杆菌中的表达大多只能得到少量的不可溶无水
解酶活性的包涵体，目前在大肠杆菌能够以活性状
态进行表达的白蚁内源性纤维素酶基因较少。因此，
筛选体外高效表达并表达出活性状态的重组蛋白的
基因克隆，一方面有必要对纤维素酶本身蛋白质序
列进行改造以适应原核表达系统，同时寻求能够过
度表达白蚁纤维素酶基因的真核表达系统，以实现
白蚁内源性纤维素酶在工业生产上的应用。
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（责任编辑 狄艳红）