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Progress of lignocellulose degradation and utilization on model filamentous fungus Neurospora crassa

粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展



全 文 :第 12卷第 1期
2014年 1月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 12 No􀆰 1
Jan􀆰 2014
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2014􀆰 01􀆰 006
收稿日期:2013-10-15
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB707400);中科院百人计划
作者简介:林良才(1983—),男,天津人,博士,研究助理,研究方向:真菌分子生物学;田朝光(联系人),研究员,E⁃mail:tian_cg@ tib􀆰 cas􀆰 cn
粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展
林良才1,李金根1,王  邦1,裴  雪1,2,田朝光1
(1􀆰 中国科学院 天津工业生物技术研究所,天津 300308; 2􀆰 吉林大学 植物科学学院,长春 130062 )
摘  要:粗糙脉孢菌作为木质纤维素降解真菌,不仅具有完整的木质纤维素降解酶系,而且还拥有全基因组基因敲
除突变体库,是研究丝状真菌纤维素酶表达分泌和木质纤维素降解机制的优秀体系。 近年来,国内外利用粗糙脉
孢菌系统,在木质纤维素降解机制方面取得了显著进展,包括纤维素酶信号传导、调控以及生物质降解后糖的转运
利用等。 笔者就相关方面的进展进行综述,并对利用粗糙脉孢菌研究木质纤维素降解利用进行展望,总结和分析
木质纤维素降解机制研究的国际前沿动态,有助于加深本领域研究人员对真菌体系纤维素降解机制的理解。
关键词:粗糙脉孢菌;木质纤维素;纤维素酶;表达调控;糖转运蛋白
中图分类号:Q939􀆰 97        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2014)01-0028-09
Progress of lignocellulose degradation and utilization on
model filamentous fungus Neurospora crassa
LIN Liangcai1,LI Jingen1,WANG Bang1,PEI Xue1,2,TIAN Chaoguang1
(1􀆰 Tianjin Institute of Industrial Biotechnology,Chinese Academy of Sciences,Tianjin 300308,China;
2􀆰 College of Plant Sciences,Jilin University,Changchun 130062,China)
Abstract:Neurospora crassa is lignocellulolytic fungus􀆰 Its genome contain wide variety of genes encoding
lignocellulolytic enzymes􀆰 Furthermore,a full genome deletion strain set for N􀆰 crassa is available􀆰 So it has
proven to be an excellent system for investigating the mechanisms of lignocellulose degradation and
cellulase production􀆰 In recent years,the lignocellulose degradation mechanisms by N􀆰 crassa have made
great progress,including cellulase signal transduction,cellulase regulation,transportation and utilization of
hydrolysis product,etc􀆰 The progress in these aspects is summarized􀆰 Further development of lignocellulose
degradation by N􀆰 crassa is discussed􀆰 Summarization and keeping abreast of current development in
lignocellulose degradation can benefit for scientific understanding of the mechanism of biomass
degradation in filamentous fungi􀆰
Key words: Neurospora crassa; lignocelluloses; cellulase; expression and regulation; sugar transporter
    丝状真菌粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)又称
粗糙脉孢霉(以下简称脉孢菌),作为生物遗传学模
式生物已有近百年的研究历史,其中“一种基因一
种酶学说”获得了 1958年诺贝尔奖。 作为天然的纤
维素快速降解菌,粗糙脉孢菌可以快速降解木质纤
维素,并具有利用木糖、纤维二糖、寡糖等组分的能
力,有关脉孢菌降解木质纤维素及其纤维素酶的研
究早在 1950 年就有相关报导[1]。 20 世纪 70 年代
第 3次石油危机时,就掀起了一个研究脉胞菌纤维
素酶和半纤维素酶的小高潮,不仅对脉孢菌产纤维
素酶的条件、纤维素酶及半纤维素酶酶活性质进行
了研究[2-3],而且深入探讨了利用脉孢菌直接发酵
木质纤维素生产乙醇的可能性[4]。 随着分子生物
学技术的不断发展,20世纪 90 年代初期,脉孢菌纤
维素的外切酶 cbh 1 首次被克隆、测序[5]。 在我
国,最早利用脉孢菌开展纤维素酶研究的是山东大
学曲音波教授,其团队先后对脉孢菌产纤维素酶及
其木糖发酵进行了系统研究[6-7]。 此外,天津理工
大学冯炘教授针对脉孢菌发酵纤维素酶过程优化
进行了深入研究[8]。 近年来,伴随着转录组、蛋白
组等组学技术的兴起,脉孢菌纤维素降解机制和应
用的研究再次成为热点,并取得了多个方面的显著
进展,包括从组学水平系统研究纤维素降解过程、
多糖单加氧酶(PMO)(GH61)家族在纤维素降解中
功能、纤维素酶表达调控以及生物质糖转运蛋白功
能的研究等。 本文中笔者将就这些方面进行重点
综述。
1  粗糙脉孢菌木质纤维素降解全基因
组水平研究
    组学技术的兴起将真菌木质纤维素降解的研
究迅速提升到全基因水平。 一批重要的木质纤维
素降解真菌的基因组相继被测序。 脉孢菌是第一
个被测序的丝状真菌[9],随后公布了里氏木霉
(Trichoderma reesei)的基因组数据[10]。 比较基因组
学分析显示,脉孢菌含有的纤维素酶数目是里氏木
霉的两倍之多,同时还拥有诸多半纤维素酶和相关
转录因子[10]。 2009 年,Tian 等[11]以脉孢菌为研究
对象,利用丰富的突变体库,综合运用转录组学和
蛋白质组学技术,首次对纤维素降解真菌进行了全
基因组学水平的系统研究。 基因差异分析显示,脉
孢菌在芒草秸秆培养基上有 700多个基因转录本表
达显著变化(相比于蔗糖培养基)。 其中在 23 个预
测的纤维素酶基因中有 18个快速显著上调;在预测
的 19个半纤维素基因中有 13 个显著上调。 同时,
一些转录因子、糖转运蛋白以及未知功能蛋白也被
显著诱导表达。 通过对胞外分泌蛋白进行质谱分
析,确证了 10个纤维素酶和 8个半纤维素酶。 这些
组学研究结果为后续挖掘新型纤维素降解酶系以
及遗传改造脉孢菌提供了丰富的数据。 随后,美国
加州大学伯克利分校 Louise Glass 实验室继续以脉
孢菌为对象,对半纤维素降解调控进行了转录组和
分泌蛋白组水平的研究[12]。 除鉴定了 353 个基因
在木聚糖条件下显著上调表达以及 34 个胞外分泌
蛋白以外,还证明了 xlr 1(NCU06971)是脉孢菌主
要的半纤维素酶基因表达正调控因子,指明 xlr 1
对半纤维素降解调控作用普遍存在于脉孢菌、里氏
木霉、黑曲霉等纤维素降解真菌中。 Schmoll 等[13]
发现光感受基因 wc 1 / 2(white collar)及 vvd 参与
了纤维素酶表达调控。 研究指出,WC 1 / 2 组成的
复合物 WCC(white collar complex)在脉孢菌生长早
期负调控纤维素酶表达,但是随着 vvd 感受光刺激
产生光适应,WCC 活性被抑制,进而增强了细胞对
纤维素的利用能力。 值得注意的是,wc 基因除了形
成复合物间接对纤维素酶表达起调控作用之外,还
能分别独立地间接负调控纤维素酶表达,但其具体
的调控通路仍不明晰。 此外,伯克利分校的 Phillips
等[14]实验室运用蛋白质谱定量技术,首次对脉孢菌
在微结晶纤维素上的分泌蛋白做了定量分析,测定
了胞外分泌纤维素酶的成分比例。 结果显示,CBH
1 ( NCU07340 )、 GH6 2 ( NCU09680 )、 GH5 1
(NCU00762)和 GH3 4(NCU04952)是脉孢菌最主要
的纤维素酶系成分,占到胞外蛋白总质量的 63% ~
65%。 随后,对这 4种酶进行了 cocktail 配比实验,发
现比例趋势基本符合脉孢菌本源的分泌蛋白组。 然
而,这个最优配比的纤维素酶系的酶活只能达到本源
分泌酶混合物的 43%,由此推测纤维素酶水解促进蛋
白(包括 PMO、纤维二糖脱氢酶(CDH)等)也起着不
可忽略的作用。 充分利用脉孢菌全基因组突变体库
和功能基因组学工具, 开展纤维素降解途径新基因
和新蛋白的挖掘,必将大大加深对木质纤维素降解和
纤维素酶表达分泌的基因组水平的理解。
2  粗糙脉孢菌 PMO家族纤维素酶研究
纤维素降解是通过内切葡聚糖酶、外切葡聚糖
酶以及 β 葡糖苷酶 3 种酶协同作用完成。 基因组
预测显示,脉孢菌含有 10 个内切葡聚糖酶、6 个外
切葡聚糖酶和 7个 β 葡萄糖苷基因。 早在 20世纪
50年代,Reese 等[15]就提出可以通过添加一种能破
坏底物聚合结构的非水解组分来提高纤维素酶的
降解效率,促进纤维素的水解。 PMO家族的酶就具
有这种功能,该家族蛋白是铜依赖的溶解多糖单加
氧酶,具有较弱的内切葡聚糖酶酶活,其与 CDH 结
合可增强纤维素酶的水解能力,如 GH61 家族蛋白。
92  第 1期 林良才等:粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展
在商业化的纤维素酶中添加少量的该家族的蛋白
即可显著提高对纤维素的降解作用,故在木质纤维
素糖化产业化中有巨大的应用前景,也是近年来的
研究热点和重点。
迄今为止,在很多纤维素降解真菌中都发现了
pmo 基因,脉胞菌基因组中有 14 个 pmo 基因。
Phillips等[14]对 N􀆰 crassa 在微晶纤维素上生长所分
泌的胞外蛋白进行定量分析,检测到 4个 PMO蛋白,
共占分泌蛋白总量的 15%。 由此可以推断,无论是从
该家族基因数量还是其分泌量都可看出 PMO家族蛋
白在纤维素降解过程中发挥着重要的作用。
Phillips 等[14]、Beeson 等[16]通过对脉孢菌中的
PMO家族蛋白的研究发现,该家族蛋白的 N 端有保
守的氨基酸结构域以及 2个与金属离子相结合的保守
的组氨酸位点。 PMO家族的酶通过与 CDH或者一些
低相对分子质量的还原剂(如抗坏血酸)发生氧化还原
反应,氧化纤维素、破坏糖苷键、裂解纤维素链上的不
同部位 C原子(C 1、C 4和 C 6),进而达到裂解纤
维素的目的[17]。 Beeson 等[16]的研究表明 PMO 5氧
化裂解纤维素作用位点位于纤维素链上的 C 1位置,
而 PMO 4则是作用在 C 4和 C 6位置。
Kittl 等[17]在 Picha pastoris 中表达了 N􀆰 crassa
的 4个 PMO家族蛋白,分别是 PMO3、PMO5、PMO6
和 PMO10,其中 PMO 3、PMO 5和 PMO 10具有
碳水化合物结合模块 ( CBM) 结构域。 通过对
N􀆰 crassa 在芒草上的转录表达水平分析显示,
PMO 5表达水平提高了 107倍,PMO 3提高了 85
倍,PMO 6上调了 26倍,而 PMO 10 表达水平几
乎没有变化。 在 P􀆰 pastoris中重组表达后证实,这些
酶为铜依赖的 PMO,并且 CDH 可以有效提高其活
性,可以促进纤维素的氧化裂解。 然而,已公布的
80%的 PMO家族蛋白的序列在 C 端都不具有纤维
素结合域。 Harris 等[18]指出是否存在该结构域与
其增加纤维素水解的能力无关;同时也指出在加入
Ca2+、Mg2+、Co2+、Mn2+、Ni2+和 Zn2+时,PMO家族蛋白
可显著提高纤维素酶对底物的水解能力;然而当不
含有这些金属离子时,添加 PMO家族蛋白对纤维素
酶的水解能力无显著影响。 同时,Quinlan 等[19 ]通
过研究 Thermoascus aurantiacus 中的 PMO 家族蛋白
(TaGH61A),发现当存在没食子酸(gallic acid)等电
子供体的情况下,该蛋白可促进纤维素的氧化裂
解。 Kittl等[17]也在 N􀆰 crassa中证实了这一观点。
由于 PMO家族蛋白可以加速纤维素酶对生物
质的降解,从而降低纤维素酶的用量,并缩短其反
应时间,因此 PMO家族蛋白的发现和应用将会对木
质纤维素的利用、转化发挥重要的作用。 在 T􀆰 reesei
中共表达一个高活性的 PMO 蛋白能够使其纤维素
酶活提高 2 倍[19]。 诺维信公司(Novozymes)生产的
一个高效纤维素酶 Cellic® CTec2 中就添加了 PMO
蛋白,其酶活相对于之前的产品就有了显著的提
高[20]。 PMO家族基因的开发与利用可有效提高纤
维素酶活,并且减少纤维素酶的用量,未来如果能
够大规模应用,将有助于进一步降低生物糖化成
本,从而促进生物质资源的有效利用。
3  纤维素酶表达调控研究进展
纤维素酶是在胞内表达合成后经分泌系统分泌
至胞外的,而诱导纤维素酶合成的天然底物是不溶性
的,无法进入胞内产生诱导表达响应,因此它如何产
生诱导作用成为了关注的热点。 基于对一些寡糖及
其衍生物如纤维二糖、δ 纤维二糖内酯、乳糖和槐糖
对纤维素酶表达合成具有强信号诱导作用的研究认
识,通常认为木质纤维素降解产生的寡糖及其衍生物
是作为事实上的诱导底物,产生信号分子,进一步诱
导木质纤维素酶系基因的大量表达[21]。 槐糖是由
β 1,2糖苷酶连接的葡萄糖组成,能够诱导高水平
的纤维素酶表达,通常被认为是极佳的天然可溶诱导
物[22 23],尤其是在 T􀆰 reesei 中,通常认为它是由纤维
二糖在 β 葡萄糖苷酶的转糖基作用形成的[24]。 纤
维二糖是纤维素降解中的重要可溶性中间产物,能够
产生信号分子,诱导纤维素酶的表达,被认为是纤维
素酶表达的自然诱导物,但纤维二糖诱导纤维素酶的
分子水平机制尚不清楚。 在通常条件下,纤维二糖被
β 葡萄糖苷酶降解成为葡萄糖,并且引起阻遏效应,
其对纤维素酶的诱导作用无法体现。 粗糙脉孢菌通
过敲除 3 个主要的 β 葡萄糖苷酶 (NCU00130、
NCU04952和 NCU08755)可以实现在纤维二糖条件
下直接表达纤维素酶。 突变体 Δ3βG 在纤维二糖的
诱导条件下其蛋白水平和转录水平的响应与野生型
菌株在纤维素诱导条件下的响应相类似。 由此推测,
其他纤维素降解丝状真菌的 β 葡萄糖苷酶缺失菌株
可以直接以可溶性的纤维二糖作为诱导剂诱导表达
纤维素酶。
近年来,对纤维素酶基因表达调控研究主要集中
在木霉、曲霉等工业微生物上[25](图 1)。 目前已知的
调控基因有转录激活因子 XInR[26 29]、转录抑制因子
03 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
Ace1[30 31]、激活因子 Ace2[32 34]、葡萄糖阻遏蛋白
Cre1[35 36]、锌指结构转录因子 PacC[37 39]、CCAAT 结
合复合体 Hap2 / 3 / 5[40 42]和 GATA 因子 AreA[43 44]。
在曲霉和木霉中,转录因子 XlnR / XYR1 对纤维素酶
和半纤维素酶具有重要的调控作用。 然而, XlnR /
XYR1在脉孢菌和镰刀霉中的同源基因并不是纤维
素酶表达所必须的,它们是菌体利用半纤维素所必需
的,并且调控半纤维素酶的表达。 加州大学伯克利分
校 Glass实验室对 200多个粗糙脉孢菌转录因子敲除
菌株在纤维二糖上进行了生长和酶活力检测的筛选,
获得了 2个在子囊真菌中较保守的 Zn(Ⅱ)2Cys6家族
转录因子 clr 1和 clr 2,研究结果表明这 2个转录
因子是所有主要的纤维素酶基因和大部分半纤维酶
基因诱导表达所必须的转录因子[45]。 突变株Δclr 1
和 Δclr 2丧失了在纤维素条件下表达、分泌纤维素
酶的能力。 然而,这 2 个突变株在木聚糖条件下依
旧可以正常地生长和分泌半纤维素酶。 由此推
测,在一些纤维素降解丝状真菌中,纤维素酶和半
纤维素酶的表达调控相互独立,而 clr 1 和 clr 2
正是粗糙脉孢菌纤维素酶表达调控的重要组成部
分。 纤维二糖及其转糖基产物作为纤维素酶最初
的诱导物。 在纤维二糖或是其转糖基产物的诱导
下,clr 1 被激活,促进一系列可有效利用纤维二
糖的基因表达,如 clr 2 等。 clr 2 可以进一步直
接诱导纤维素酶和某些半纤维素酶的表达。 在构
巢曲霉中,诱导纤维素酶表达所需的是 clrB( clr 2
的同源基因),而不是 clrA( clr 1 的同源基因)。
然而,clrA的缺失将导致构巢曲霉利用纤维二糖的
能力的丧失。 因此,clr 1 / clrA 在丝状真菌纤维二
糖感受途径中具有重要的保守作用。
图 1  丝状真菌中参与纤维素酶调控机制示意[25]
Fig􀆰 1  Schematic representation of the different fungal trans⁃acting factors and
regulatory responses affecting cellulase expression[25]
    转录因子 clr 1和 clr 2都属于锌指蛋白转录
因子超家族,锌指蛋白是一类具有手指结构域的转
录因子,对基因表达调控、细胞分化、胚胎发育、增
强植物抗逆性等方面具有重要的作用,该家族蛋白
最初于 1983 年在非洲爪蟾卵母细胞的转录因子 TF
ⅢA中被发现[46-47],是迄今在真核生物基因组中分
布最广的一类蛋白,也是真核生物转录调控因子中
最大的家族之一。 锌指蛋白可以根据高度保守的
氨基酸序列分为三大类:①经典锌指蛋白 Cys2His2
型,是真核生物中最为普遍存在的转录调控因子,
通常以单体的形式与核酸相互作用,如人的转录因
子 Sp1、曲霉的碳代谢阻遏调控因子 creA;②Cys4型
锌指蛋白,与 Cys2His2型不同,以二聚体的形式与
DNA相作用,其同源二聚体识别目标基因的反向重
复序列,异源二聚体可以与正向重复序列相结合;
③C6型锌指又称锌簇或锌双核簇(Zn(Ⅱ) 2Cys6或
Zn2C6),包含一个由 6 个半胱氨酸围绕着 2 个锌离
子而形成的 DNA结合域。 值得指出的是,该锌指家
族蛋白是真菌所特有的转录因子,其可以与 DNA以
单体、同源二聚体或异源二聚体形式结合[48]。
13  第 1期 林良才等:粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展
笔者通过对粗糙脉孢菌锌指蛋白超家族转录
因子敲除突变体库的进一步系统筛选,获得了多个
与纤维素酶表达异常的突变体。 研究表明,在以结
晶纤维素作为唯一 C 源的条件下,有 3 株突变体的
蛋白分泌量和纤维素酶活力显著上升,而显著下降
的有 2株(未发表)。 目前,正在深入研究这些潜在
的基因对纤维素酶表达、分泌的调控机制以及与其
他转录调控因子之间的关系。 这些重要的转录因
子功能的揭示将有助于对丝状真菌木质素降解途
径的认识,更有利于形成高产纤维素酶的工程菌
株,从而提高木质纤维素生物质的利用效率。
图 2  粗糙脉孢菌中参与降解木质纤维素的各种酶系[45]
Fig􀆰 2  Characterized enzyme classesinvolved in lignocelluloses breakdown identified in the N􀆰 crassa genome[45]
4  生物质糖转运蛋白克隆鉴定及其在
生物质乙醇发酵中的应用
    作为木质纤维素主要成分,纤维素和半纤维素
是多种单糖分子聚合而成的复杂高聚碳水化合物,
通过复合酶系可以水解为各种单糖和寡糖(图 2)。
而对水解产物的利用,是纤维素转化为生物燃料和
化学品的重要研究内容。 特别是关于木质纤维素
降解真菌,是如何将降解的单糖和寡糖运入细胞,
转运的过程如何受到细胞内外因素的调控以及不
同的糖分子如何被特异性地转运,这些方面的研究
仍然非常薄弱。 深入研究纤维素降解真菌(包括脉
孢菌)对纤维素的利用,对于理清纤维素降解机制
及糖到化学品的微生物转化都十分必要。
从脉孢菌在纤维素和半纤维素条件下的转录
组数据出发,已经先后克隆了脉孢菌的 3 个非常重
要的 糖 转 运 蛋 白 CDT1 ( NCU00801 ), CDT2
(NCU08114)和 An25(NCU00821)。 其中,CDT1 和
CDT2为纤维寡糖转运蛋白,An25 为木糖特异的转
运蛋白。 CDT1 自被克隆以来,在纤维二糖发酵以
及与木糖、半乳糖等戊糖共发酵方面取得了显著进
展,这方面工作主要来自美国伊利诺伊大学金永株
(Yong⁃su Jin)实验室和赵惠民实验室。 他们在能发
酵木糖的酵母中引入脉孢菌的 CDT1 和胞内 β 葡
萄糖苷酶(NCU04952),构建出能够同时利用纤维
二糖和木糖发酵产乙醇的工程酵母,而胞内水解纤
维二糖的策略也大大减缓了胞外葡萄糖产生的阻
遏效应[49-50]。 基于相同的思路,金永株实验室还构
建了纤维二糖 /半乳糖共发酵的工程酵母,拓宽了
酵母发酵的底物谱[51]。 最近,赵慧民实验室采用纤
维二糖代谢途径定向进化的策略,大大提高了酵母
23 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
利用纤维二糖的能力,同时将乙醇产量提高到 1
g / L / h[52]。 此外,研究者也尝试用含纤维素酶
cocktail 和含 CDT1 的酵母做 CBP ( consolidated
bioprocess)产乙醇[53],以及利用纤维二糖发酵产其
他化学品[54-55]。 总的说来,脉孢菌高亲和性纤维寡
糖转运蛋白的鉴定与应用极大地促进了混合糖发
酵的研究,为纤维素乙醇及其他纤维素化学品发酵
提供了新的思路和工程改造靶点。
在五碳糖转运蛋白方面,过去的研究多集中在利
用己糖转运蛋白等底物广谱性转运蛋白来转运五碳
糖,而对于特异性五碳糖转运蛋白(pentose specific
transporter)的研究才刚刚起步。 美国伊利诺伊大学
赵慧民教授实验室分别从粗糙脉孢菌和毕赤酵母中
鉴定了 2个木糖特异转运蛋白(An25和 Xyp29) [56]。
作为半纤维素的主要成分之一,阿拉伯糖的利用对木
质纤维素彻底转化利用至关重要,国际上关于阿拉伯
糖转运蛋白研究逐渐开始涉及。 2011 年,芬兰 VTT
研究中心 Richard 实验室的科学家从 Ambrosiozyme
monospora酵母中克隆 2个阿拉伯糖特异性转运基因
(LAT1,LAT2),但该阿拉伯糖转运蛋白亲和力不
高[57],寻找亲和力更高的阿拉伯糖转运蛋白是研究
阿拉伯糖转化利用的核心问题之一。
基于转录组学数据和序列结构域分析,目前脉
孢菌全基因组被预测有 39 个糖转运蛋白(未发表
数据),基本属于膜蛋白家族 MFS(major facilitator
superfamily) [58]。 依据转运的机制,MFS 又分为简
单转运蛋白 ( uniporter ) (又称协助扩散蛋白
( facilitated diffusion protein )、 同 向 转 运 蛋 白
( symporter ) 以 及 反 向 转 运 蛋 白 ( antiporter )。
Uniporter,依靠底物浓度梯度驱动转运,转运蛋白主
要起着协助运输的作用。 Symporter,向同一个方向
同时转运 2种及以上的底物,并以其中一种底物的
电化学梯度作为推动力,常见的有 sugar / H+、
glucose / Na+、 phosphate / H+、 nucleoside / H+ 以 及
nitrate / H+等等。 Antiporter,向反方向协同转运 2 种
及以上的底物,驱动力来源和 Symporter 一样,这一
类里很多都是 drag / H+反向转运蛋白。 真菌中的糖
转运蛋白主要是 uniporter 和 symporter / H+类型[58]。
早在 1974年已有报道指出,脉孢菌在主动转运糖进
入细胞的同时会协同转运质子[59],但在分子水平上
哪些糖转运蛋白的作用导致表观上电势的变化至
今仍没有被阐释。 此外,由于自然界中脉孢菌能生
长在树枝、秸秆等各种干枯的木质纤维上,可以预
见其糖转运蛋白家族具有很高的功能多样性。 同
时,在长期的进化适应过程中,细胞面对不同的生
长环境,如酸性-碱性、碳充足 碳匮乏,会有很好的
策略来协同这些转运蛋白之间的转运工作,以使得
其能高效地吸收外界的营养。 全基因组系统解析
丝状真菌中糖转运蛋白动力类型和生化特征,对于
研究丝状真菌环境适应性,理清纤维素降解菌利用
木质纤维素的机制有重要意义。 更进一步地,这种
高效的糖转运吸收方式,有可能对改造工程菌(包
括酵母、曲霉和木霉)以充分利用培养基中的残糖
发酵,提高糖的转化利用率有一定的指导意义。
5  粗糙脉孢菌与生物质一步转化
生物质具有成本低、可再生以及产量大等特
点,是生产生物燃料及化学品的重要原料。 利用生
物质进行发酵一般要经过预处理、酶解、发酵以及
最后产品的分离纯化。 其中,预处理和酶解过程是
整个过程中成本最重的部分。 尽管木霉、曲霉和白
腐菌等木质纤维素降解真菌已被广泛地应用于生
物质纤维素预处理和生产纤维素酶过程中。 目前
为止,直接利用它们将生物质转化为糖或是化学品
却未见报道。 因此,如何直接利用廉价的生物质作
为底物生产清洁能源或是工业化学品成为了今后
研究的发展方向。 粗糙脉孢菌作为丝状真菌的模
式菌株不仅具有降解木质纤维素所需的酶系,而且
还能够利用降解产物进行发酵生产乙醇等化学
品[7]。 这种直接从初始的生物质原料一步发酵生
产生物产品的工艺将极大地降低生产成本,并且大
幅提高生物质中的碳转化效率。
脉孢菌能够利用生物质降解物中的各种糖类
(葡萄糖、木糖及阿拉伯糖等)进行发酵生产乙醇
等。 张潇等[7]研究了不同条件对脉孢菌 AS3􀆰 1602
木糖发酵的影响,研究表明脉孢菌具有较强的发酵
木糖产生乙醇及木糖醇的能力。 在木糖发酵中,乙
醇及木糖醇等产物产率很大程度上决定于通氧条
件、培养基初始 pH 值及糖浓度等环境因素。 由于
辅因子的不同,真菌中木糖代谢具有氧化还原不平
衡的特点。 Zhao 等[60]经过研究证明,在脉孢菌中
存在 2 种木糖还原酶的同工酶(EI 和 EII),其中木
糖还原酶 EII能够同时利用 NADH 与 NADPH 作为
辅因子催化氧化还原反应,从而有助于减缓细胞内
氧化还原不平衡,促进的木糖的代谢,进而提高发
酵效率。 Zhang 等[61]探讨了在限氧条件下脉孢菌
33  第 1期 林良才等:粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展
的木糖代谢,在最佳通氧条件,乙醇产量达到 6􀆰 7
g / L,转化率为 66%。
脉孢菌发酵木质纤维素生产乙醇一般要经过
两个阶段:第一阶段在有氧条件下,分泌降解纤维
素的各种酶类;第二阶段,在厌氧或微好氧条件下,
将水解产物发酵生产乙醇。 Xiros 等[62]将脉孢菌
DSM 1129在高粱残渣固体中培养,而后在厌氧或微
好氧条件下进行液体发酵,其乙醇产量为 75 g / L,研
究表明用碱液对生物质进行预处理有利于乙醇产
量的提高,且产生的潜在抑制物对发酵无抑制作
用。 Okonko等[63]报道了脉孢菌在 37 ℃下经过可
以直接发酵甘蔗渣生产乙醇。
除了纤维素乙醇工艺的整合之外,Wu 等[64]通
过有性杂交得到 β 葡萄糖苷酶的六突变体,其中菌
株 F5能够降解纤维素积累纤维二糖(7􀆰 7 g / L)。 在
过量表达纤维二糖脱氢酶的情况下,菌株 F5 能够
利用纤维素发酵生产纤维二糖酸(0􀆰 4 g / L)及纤维
二糖(6􀆰 5 g / L),从而将纤维素酶的酶的生产和酶解
过程进行整合。
此外,脉孢菌体内还存在丰富的蛋白质、维生
素 B12及脂类等,同时还具有良好的蛋白表达、分泌
能力,然而利用木质纤维素直接发酵生产这些高附
加值产品还有待进一步的研究。
6  展  望
粗糙脉孢菌作为纤维素降解模式真菌,在国际
上有较大的研究群体,在技术方法和文献资源上具
有其他真菌所没有的优势,使得脉孢菌纤维素降解
机理研究能够在真菌中处于领先地位。 可以预见,
除了已经取得进展之外,未来几年,利用粗糙脉孢
菌系统在木质纤维素降解利用方面的研究将会有
更大进展。 美国伯克利能源生命科学研究所(EBI)
重点以粗糙脉孢菌系统为依托,部署了一系列的研
究项目 (表 1)。 在该方向正在开展的 8 个项目
(Program)中有 4个涉及粗糙脉孢菌体系,其中 2 个
主要研究粗糙脉孢菌(蛋白分泌途径和木质纤维素
转化生物燃料),另外 2 个利用粗糙脉孢菌研究果
胶降解组学和纤维素酶系的表达筛选。 此外,在该
方向 14 个资助课题(Project)中有 3 个是粗糙脉孢
菌研究(脂肪酸合成,代谢组学重构和生物质降解
机制)。 预计该系列研究将带动整个脉孢菌在木质
纤维素降解机制,蛋白质合成分泌等方面取得新一
轮进展,同时也表明粗糙脉孢菌木质纤维素降解利
用研究竞争会更加激烈,包括机理研究和利用该菌
进行纤维素酶生产、蛋白表达系统开发以及燃料化
学品生产等方面。
表 1  EBI木质纤维素降解领域资助的有关粗糙脉孢菌的项目和课题
Table 1  Long⁃term programs and short⁃term projects in cellulose degradation supported
by Energy Biosciences Institute(EBI)
EBI长期资助的与脉孢菌相关的 4大方向 EBI短期资助的与脉孢菌相关的 3个课题
① Biocatalysis and Conversion of Plant Cell Wall Polysaccharides
to Biofuels
(植物细胞壁多糖组分向生物质能源的生物催化及转化)
① Engineering Filamentous Fungi for Increased Lipid
Production and Secretion
(工程丝状真菌提高脂质产量和分泌)
② Dissecting the Pathway to Hyper⁃Secretion of Lignocellulolytic
Enzymes in Filamentous Fungi
(解析丝状真菌中木质纤维素酶的高分泌途径)
② Genome⁃Scale Network Modeling of Neurospora crassa
(粗糙脉孢菌全基因组尺度的代谢、调控模型的构建)
③ Neurospora crassa as a Model for Mechanisms of Plant Biomass
Conversion to Biofuels
(粗糙脉孢菌作为模式研究植物生物质向生物燃料的转化
机制)
③ Systems Biology Analyses of Plant Cell Wall Deconstruction
by the Model Filamentous Fungus,Neurospora crassa
(模式真菌粗糙脉孢菌降解植物细胞壁的系统生物学
分析)
④ Pectin Metabolism by Neurospora
(粗糙脉孢菌的果胶代谢)
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(责任编辑  管珺)
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