白蚁及共生微生物木质纤维素水解酶的种类

白蚁及共生微生物木质纤维素水解酶的种类3相　辉　周志华33(中国科学院上海植物生理生态研究所　上海　200032)Lignocellulolytic enzymes in termite and its symbiotic microbes .XI ANG Hui ,ZH OU Zhi 2Hua 33(ShanghaiInstitute o f Plant Physiology and Ecology Chinese Academy o f Sciences ,Shanghai 200032,China )Abstract T ermites are im portant decom posers of lignocellulose in tropical ecosystems.They com prise a com plex assemblage of diverse species ,roughly divided into s o 2called lower and higher termites with different phag ous characters.T ermites can produce their own endoglucanases (EG )of G HF9,as well as glucosidase.Protistan symbiotic system of lower termite degrades cellulosic com pounds with high efficiency.Diverse lignocellulolytic enzymes are found in this system including G HF5,7and 45.Other related functional genes may include xylanase and pectinolytic related enzymes.Higher termites don ’t harbor flagellate.Fungus 2growing termites efficiently decom pose lignocellulose through their symbiotic relationship with basidiomycete fungi of the genus T ermitomyces.The symbiotic fungi produce cellulose ,xylanase and putative pectinolytic enzymes.They als o produce laccase which might be related to lignin degradation.H owever ,on m olecular level ,studies on lignocellulolytic emzymes of symbiotic fungi are relatively few.Many lignocellulolytic bacteria strains were is olated from termite guts ,divers cellulose genes were als o found recently.Lignocellulolytic enzymes in termite and its symbiotic systems may have potentials for the idea of cellulosic ethanol production by biological process.K ey w ords termite ,symbiotic flagellate ,fungi ,bacteria ,lignocellulolytic enzymes摘　要　白蚁是热带生态系统重要的木质纤维素降解者。

白蚁种类丰富,可分成高等白蚁和低等白蚁,食性也具有各自特点。

白蚁自身可以产生纤维素酶,主要是G HF9的内切葡聚糖酶(EG ),也有β-葡萄糖苷酶(G B )。

低等白蚁共生的原虫中已发现丰富的纤维素酶基因,属于G HF5,7和45。

同时还有其他相关功能基因,如木聚糖酶和果胶类物质水解酶。

高等白蚁肠道中没有共生原虫。

高等培菌白蚁可以利用共生蚁巢伞属真菌促进木质纤维素降解,真菌可以产生纤维素酶,果胶质水解酶类、木聚糖酶,同时还产生可能与木质素分解相关的一种漆酶,但是从分子水平,关于共生真菌纤维素水解酶的研究还较少。

白蚁肠道已分离出许多具有木质纤维素降解能力的菌株,最近的研究也发现了大量细菌纤维素酶基因。

白蚁-共生系统丰富的木质纤维素水解酶类为发展生物方法开发纤维素乙醇这一思路提供有价值的资源。

关键词　白蚁,原生动物,真菌,细菌,纤维素水解酶3中国科学院知识创新工程重要方向项目(K SCX22Y W 2G 2022);中科院上海生命科学院优秀青年人才领域前沿项目(2007KIP501)。

33通讯作者,E 2mail :zhouzhihua @ 收稿日期:2007212229,修回日期:2008203213 地球上的生物质资源主要来自光合生物,其中90%以上为木质纤维素类物质,它们代表了生态系统中营养金子塔的最庞大的基层[1]。

天然的木质纤维素材料含有纤维素、半纤维素和木质素等。

其中纤维素是地球上最丰富的多糖物质,这类物质是植物细胞壁的主要成分,也是地球上最廉价的可再生资源。

纤维素是葡萄糖分子通过β-葡萄糖苷键连接而成的大分子多糖类物质。

天然的纤维素是由多条纤维素分子链所组成的聚合物,有着复杂的超分子结构。

半纤维素是一种碱溶性的多糖,包括木聚糖、木葡聚糖和愈创葡聚糖,其中木聚糖是最丰富、分布最广的一类。

木质素是一种复杂的不溶性酚类聚合物。

许多植食动物和腐生生物是木质纤维素的消费者,它们通过摄取这些富含纤维素的物质来供其营养物质和能量,是地球上碳循环的重要枢纽。

腐生生物中的真菌和细菌,它们发展出一系列复杂的纤维素酶系统水解纤维素分子链[1]。

植食动物尤其是高等动物,自身并不产生纤维素酶[2],而依赖肠道共生微生物所产生的纤维素酶进行木质纤维素的消化[3]。

无脊椎动物中一些节肢动物、软体动物和线虫自身能够产生纤维素酶。

尤其引起人们关注的是等翅目白蚁。

白蚁在生态系统尤其热带地区是木质纤维素的重要降解者,在木质纤维素的生物循环中发挥着重要的作用。

白蚁肠道对植物细胞壁多糖的消化能力比大型草食动物瘤胃微生物降解能力要高出30%～40%[4]。

它可以被看作一种小型的生物反应器,由研磨器(称为咀嚼组织的下颚和前胃)、反应池(消化道)、酶和微生物区系,所有这些都被用于木质纤维素的降解[5]。

白蚁这种消化系统的设计相当于工业上的生物质能转化系统,是与其共生微生物紧密合作的结果。

在几千万年的进化过程中,白蚁自身产生多纤维素酶与来自微生物的纤维素酶实现了紧密配合,高度适应了其相应的消化系统[6]。

到目前为止,从白蚁自身、白蚁肠道共生原虫中都发现了纤维素水解酶基因,也分离到了一些具有纤维素降解功能的肠道细菌。

白蚁肠道细菌对纤维素的降解作用一直没有充分的实验证据[7,8],直到最近白蚁肠道细菌对纤维素的降解作用才被证实[9]。

培菌白蚁能够利用真菌来分解木质纤维素。

我国研究者在白蚁肠道微生物多样性及功能上已发表了较好的综述[10～12],本文着重总结分析白蚁共生系统中各种来源纤维素酶的信息,为开发新的纤维素酶资源提供资料。

1　白蚁食性及其共生系统特征概述白蚁属于昆虫纲等翅目,目前全世界共有3000多种,按照目前多数等翅目分类学者的分类方法,可以分成草白蚁科H odotermitidae、原白蚁科T erm opsidae、澳白蚁科Mastotermitidae、木白蚁科K alotermitidae、齿白蚁科Serritermitidae、鼻白蚁科Rhinotermitidae和白蚁科T ermitidae[13]。

从解剖学和社会组织性上可以将白蚁分为低等白蚁和高等白蚁。

只有白蚁科属于高等白蚁,其余4个科都属于低等白蚁。

尽管如此,高等白蚁种类所占的比例远远高于低等白蚁,约占所有白蚁种类的3Π4。

白蚁一个明显特征就是其食木性,食物范围极广,包括木材(完好的或已腐解的)、植物叶片、腐殖质、杂物碎屑以及食草动物粪便等。

低等白蚁主要食木,而高等白蚁中有些种类能以土壤、真菌为食。

白蚁所有这些食性特点都被认为是木食性的延伸[14]。

食土白蚁约占所有白蚁种类的50%,在热带森林中占优势地位。

这类白蚁研究的很不深入,其食物来源可能有多聚糖、芳香族化合物的聚合物,植物单宁和一些固化的多肽。

食物成分中碳水化合物含量低,多酚类和腐殖质类含量较高,其肠道的前部呈高碱性以促进土壤有机质的溶解和氧化[7]。

高等白蚁中大白蚁亚科Macrotermitinae的种类能够自己培养真菌,作为其营养来源,这类白蚁又称为培菌白蚁。

亚洲和非洲的热带地区大量存在培菌白蚁。

在一些热带干旱地区,这类白蚁消耗超过90%的干木;在相对湿润的热带稀树草原,它们能够矿化初级生物量的20%[7]。

培菌白蚁与其共生真菌关系的模式可以概括为:高龄工蚁收集木质碎屑带回巢内;低龄工蚁取食这些收集入巢的碎屑,初步消化并迅速排便,以这些物质建立起菌圃(fungus garden或fungus comb)来培养真菌。

低龄工蚁还取食主要由无性孢子组成的菌丝节(fungus nudoles)。

高龄工蚁主要取食菌圃较老的部分,是被真菌降解的植物材料。

不同种类所搜集的木质纤维素材料有所不同,例如, Macrotermes属的种类可能搜集枝叶碎屑[15,16],而土白蚁属似乎主要收集木材[17,18]。

在蚁巢里,白蚁是蚁巢伞纯培养的管理者。

蚁巢伞菌丝生长速度远远落后于蚁巢内的其他菌物,如炭角菌属Xylaria等,因此在竞争中往往处于劣势,而白蚁能不断地清除菌圃上的杂菌,并且从口中分泌出抑制其他菌物的化学物质,保障蚁巢伞菌丝在竞争中占据有利地位[19,20]。

另外,白蚁的排泄物和分泌物中可能含有蚁巢伞子实体形成所必需的化学成分。

不过,白蚁的活动对蚁巢伞来说并不总是有利,白蚁的取食和其他生命活动对蚁巢伞子实体的形成起着抑制的作用。

总之,培菌白蚁与其共生真菌之间有着密切的互惠和互相制约的关系。

白蚁的肠道分为前肠、中肠、后肠。

后肠结构复杂,分为P12P5区,其中P3区显著膨大。

简单的讲,这一部分相当于哺乳动物的瘤胃,大量的微生物栖息在此,降解纤维素和半纤维素,发酵产生短链脂肪酸,其中主要为乙酸,供白蚁的营养。