低等白蚁肠道原虫动态及其纤维素降解机理研究

Termites are one of the natural systems which can efficiently utilize lignocellulose. They play an important role in the biological turnover of lignocellulose. A variety of symbiotic protists living in the intestine of lower termites. They can produce a wealth of digestive enzymes to help termites digest lignocellulose and turn it into absorbable nutrients. However, due to the uncultivability of these organisms, little is known about the role they play on the lignocellulolytic process. It also limits the understanding of the mechanism in the termite symbiotic system. This study use Reticulitermes speratus as material and take advantage of the phenomenon that the protist community changes during worker caste to soldier caste differentiation which is induced by juvenile hormone analog such as Fenoxycarb to study the role of the different species of protists in lignocellulose digestion. It is desirable to obtain a number of sequences encoding lignocellulose degrading enzymes while further explain the mechanism of lignocellulose decomposition and the symbiotic relationship between protists and the termite hosts. It will provide new ideas on the efficient use of biomass resources and is of great significance in terms of national demand.

白蚁是自然界高效利用木质纤维素的体系之一，在木质纤维素的生物循环中发挥着重要作用。低等白蚁肠道内栖息着多种共生原虫，它们能产生丰富的消化酶，用以帮助白蚁分解和消化食物中的木质纤维素，使其转变为可吸收利用的营养物质。但由于研究手段的限制，对原虫在白蚁降解木质纤维素过程中发挥的作用还知之甚少，这也限制了对白蚁共生系统共生机理的认识。本课题将以黄胸散白蚁为材料，利用保幼激素类似物苯氧威能够诱导工蚁向兵蚁转化过程中肠道原虫种类动态变化的现象（原虫种类和数量大幅度下降），研究不同种类的原虫对木质纤维素降解的作用，期望在得到一批编码木质纤维素降解酶的基因序列的同时，能够进一步解释原虫和其白蚁宿主协同消化食物的机理，探讨原生动物与其宿主的共生关系。对该系统高效利用木质纤维素的方式和作用机理的认识，将为我们高效利用生物质能源资源提供新的思路，本项目在基础研究和在国家需求方面都具有重要意义。

低等白蚁肠道内栖息着多种共生原虫，它们能产生丰富的消化酶，用以帮助白蚁分解和消化食物中的木质纤维素，使其转变为可吸收利用的营养物质。但由于研究手段的限制，对原虫在白蚁降解木质纤维素过程中发挥的作用还知之甚少，这也限制了对白蚁共生系统共生机理的认识。本项目对台湾乳白蚁肠道原虫的种类和丰度进行研究，鉴定了鞭毛虫的形态；对其肠道原虫转录组进行了测序、组装、对优势代谢通路分析及糖基水解酶基因的挖掘；构建原虫群落cDNA表达文库，筛选了纤维素酶功能基因；利用RNAi技术，对不同种原虫在白蚁消化木质纤维素中的功能研究进行了研究。通过本项目的实施，对白蚁肠道原虫的种类丰度及功能有了新认识。其肠道内共生有至少13种原虫，Trichonympha agilis是其肠道内细胞体积最大的鞭毛虫，Dinenympha属的原虫是其道内最多的原虫。对其肠道原虫转录组进行454测序，总共获得了597,312条高质量的原始序列，平均长度371 bp，总共221.9 Mb。分析认为淀粉与蔗糖代谢通路为最优势通路，并存在大量的木质纤维素降解酶资源。利用来源于伪披发虫（Pseudotrichonympha grassii）的外切葡聚糖酶PgCBH基因作为靶标基因进行RNAi干扰，研究结果表明RNA干扰仅能影响伪披发虫的数量，对全鞭毛虫和旋披发虫的数量没有影响，表达PgCBH的伪披发虫是白蚁主要外切葡聚糖酶活的来源。研究成果在理论上为探讨白蚁肠道原虫在白蚁共生体系利用木质纤维素中的作用提供了一定的理论依据；在应用实践方面，筛选到了一些高效降解木质纤维素的酶基因，并对这些基因表达后的酶进行了理化性质的检测，具有一定的应用价值。