自然生境下木质纤维素微生物降解机制及其酶系的结构多样性，协同作用和构效的系统生物学分析

自然界天然木质纤维素降解是在多种微生物及其酶系协同作用下完成的，而不是某个微生物或者酶的个体行为。因此要真正理解木质纤维素的降解机制应该是把它作为一个系统来研究。本课题基于系统生物学观点，综合运用多种系统生物学方法，以不同地区不同季节森林腐朽树洞土壤样品为出发，在分析天然木质纤维素降解微生物群体结构及其演替规律的基础上，着重利用宏蛋白质组学方法，分析鉴别自然环境下真实参与木质纤维素降解的酶，酶系的结构组成，不同酶组分随着降解过程的进行而发生的动态变化等；同时结合qPCR在mRNA水平的定量分析，理解在木质纤维素降解过程中酶是如何按照一定次序，合理的比例，以及酶系之间如何交互演替最终实现天然木质纤维素在自然状态下的生物降解；进而结合宏基因组文库随机克隆末端测序对整个环境代谢途径的分析，在不同水平理解自然生态系统木质纤维素生物降解的机理，为发展新的木质纤维素降解策略提供新的思路。

利用植物木质纤维素生产生物乙醇，作为一种潜在的可再生能源，在全球环境问题日益严重的背景下，以其原料廉价，不与粮食争地，无净碳排放以及环境友好等优点，成为近年来各国新能源领域竞相发展的重要方向。然而，如何提高木质纤维素的转化效率，降低转化过程中的能量消耗和经济成本，是制约纤维素乙醇产业发展的主要障碍之一。相关重大关键技术仍有待于理论和技术等方面的突破。本项目以高通量测序及分析技术为手段，以甘蔗渣为材料，在微生物、蛋白和基因三个水平研究不同环境微生物降解天然木质纤维素的机制，以及降解过程中微生物和相关酶系的结构组成、变化规律。不同环境来源的微生物群体在降解同一木质纤维素材料的过程中遵循了相同的变化趋势和演替规律。随着木质纤维素降解的进行，不同来源样品之间的差异逐渐减小，微生物多样性不断降低，微生物组成和结构发展表现出明显的趋同性。核心种群和共有OTU分析表明，子囊菌的Talaromyces、Aspergillus、Penicillium属以及担子菌的Cryptococcus在不同地区样品中都占据绝对优势，是参与甘蔗渣降解的基本和核心物种。木质纤维素降解不同时期宏基因组学分析表明，真菌在木质纤维素降解中发挥主要作用。尽管在不同初始森品土壤样品中真菌的比例不到5%，随着木质纤维素降解的进行，无论在微生物数目、基因数量以及参与降解的酶的数量和比例上真菌都占据绝对优势，而细菌在样品中的比例和作用快速下降。在甘蔗渣降解的初期， 参与木质纤维素降解的微生物以子囊菌的Talaromyces、Aspergillus、Penicillium属以及放线菌为主，纤维素酶和木聚糖酶活性迅速升高，蛋白质组学分析表明以降解寡聚糖和侧链为主的酶的数量和表达量迅速上升。随后，放线菌数量快速回落，细菌总体比例继续下降，而子囊菌数量在稍有回落后继续上升，以Cryptococcus为主的担子菌比例持续稳定上升，最终真菌在整个样品的比例达到90%以上。在此过程中，主链降解的木聚糖酶和纤维素外切酶表达量稳步上调。和通常的认知不同，参与木质素降解的酶主要在甘蔗渣降解后期大量表达。以子囊菌Talaromyces和担子菌Cryptococcus为主的核心物种及其相关酶系在不同微生物群体降解甘蔗渣过程中的存在构成了未来构建甘蔗渣降解复合微生物或酶系的理论和物质基础。