产BGL微生物群落在纤维素堆肥降解过程中的调控机制

In the complex mixture of cellulases required to break down cellulose to glucose, β-glucosidases are the enzymes that hydrolyze cellobiose to release glucose and are commonly viewed as one of the rate-limiting enzymes. In this program, genetic diversity and expression of β-glucosidase-producing microbial communities will be analysed by high throughput β-glucosidase gene sequencing from DNA and RNA pools, respectively. In order to investigate the mechanism of enzymatic cellulose degradation and the effect of β-glucosidase, the enzyme activities of cellulase, extracellular and intracellular β-glucosidase, the contents of glucose, cellobiose and cellulose during the composting process will be evaluated, respectively. Meanwhile, the correlation between every factor will be examined in the carbon catabolite repression (CCR) or without CCR environment by adding cellobiose and glucose. According to the datas, to clarify the regulation mechanism of microbial community for lignocellulose degradation during the process of composting. This research is very useful to verify the hypothesis that “ microbial functional communities differentially regulate the expression of glucose tolerant β-glucosidase and non-glucose tolerant β-glucosidase (up or down regulation) to adapt to the changes in cellulose degradation. ” Findings will provide a theoretical foundation for the optimization of composting technology and the effect of the functional microorganisms on compost maturity.

β-葡萄糖苷水解酶（β-glucosidase，BGL）水解纤维二糖为葡萄糖是纤维素酶解过程中的关键环节。BGL是公认的微生物酶解纤维素反应中的限速酶。本项目采用以bgl为标记基因的高通量测序技术，在DNA和RNA水平研究产BGL微生物群落在堆肥过程中的多样性组成、演替，及功能基因的转录。同时测定纤维素酶，胞内和胞外BGL的酶活性，及纤维素，纤维二糖和葡萄糖的含量，分析堆肥过程中纤维素降解的酶学特性，尤其是BGL的效应机制。在此基础上，结合分析通过添加外源纤维二糖，葡萄糖等获得的碳代谢抑制（CCR）和非CCR环境效应下各因子间的相关性，从微生物生态学角度阐明产BGL微生物群落在纤维素降解过程中的调控机制，并验证“堆肥过程中微生物功能群落通过差异化调控糖和非糖耐受BGL的表达以适应纤维素降解过程中的不同状况”假说。为明确纤解功能性微生物促进堆肥腐熟的效应机制，及优化堆肥控制技术提供理论依据。

β-葡萄糖苷水解酶（β-glucosidase，BGL）水解纤维二糖为葡萄糖是纤维素酶解过程中的关键环节。探究堆肥过程中纤维素降解的酶学特性，尤其是BGL的效应机制，从微生物生态学角度阐明产BGL微生物群落在纤维素降解过程中的应答机制，以回答本项目提出的“堆肥过程中微生物功能群落通过差异化调控糖和非糖耐受BGL的表达以适应纤维素降解过程中的不同状况”假说。.研究采用以bgl为标记基因构建克隆文库，在DNA和RNA水平研究产BGL 微生物群落在堆肥过程中的多样性组成、演替，及功能基因的转录，同时测定纤维素酶，胞内和胞外BGL的酶活性，及纤维素，纤维二糖和葡萄糖的含量。在此基础上，结合分析通过添加外源纤维二糖，葡萄糖等获得的碳代谢抑制（CCR）和非CCR环境效应下各因子间的相关性。并利用宏基因组学和宏转录组学的方法在不同的尺度范围内分析碳代谢压力下堆肥中微生物和纤维素分解功能微生物在群落结构和功能等方面如何应答环境的扰动，通过宏基因组学和宏转录组学数据的联合分析探究了糖耐受和非糖耐受 β-葡萄糖苷酶基因在不同碳代谢压力下的转录调控。.实验结果表明环境变化（堆肥时相的改变和外源碳源的添加）引起的扰动对微生物的群落结构组成和微生物群落功能的影响存在差异。在高浓度葡萄糖引起的CCR效应下，产BGL的微生物群落差异化表达糖耐受/非糖耐受bgl，这一差异化表达现象是一种普遍存在的调控机制而绝非个例或特例，且差异化表达的bgl在系统发育的分类水平上表现出一定的种属特性。微球菌目在功能微生物群落抵抗CCR的过程中扮演重要的角色，表达的糖耐受BGL可以通过转糖基作用产生槐糖进而诱导纤维素酶的产生。研究结果为明确纤解功能性微生物促进堆肥腐熟的效应机制，及优化堆肥控制技术提供理论依据，同时丰富并拓展了复杂环境微生态中纤维素酶的表达调控机制。