竹虫肠道微生物群落结构及纤维素酶基因多样性分析

Hydrolysis efficiency and cost of cellulase are currently key bottlenecks restricting efficient transformation of cellulose. Published studies showed that rumen and termites with a complete set of cellulase are highly efficient biomimetic systems on conversion of lignocellulose. In our previous research, analysis on enzyme activity and zymogram in the gut of Omphisa fuscidentalis, indicated that the gut of O. fuscidentalis also contained a complete set of cellulose, such as endoglucanase and xylanase. To understand the microbial community structure and obtain highly efficient cellulolytic bacteria and genes resources, our program intends to combine high throughput sequencing technology with cultured methods and zymogram. This study will provide new highly efficient cellulolytic resources.

纤维素酶的酶解效率及成本是目前制约着纤维素高效转化的关键瓶颈问题之一。已有的研究表明：瘤胃及白蚁等含有纤维素降解所需的全套酶系，是高效转化木质纤维素的仿生系统。申请人前期对竹虫肠道中的纤维素酶进行了活性及酶谱分析，初步研究结果表明：竹虫肠道含有完整的纤维素降解酶系（如内切葡聚糖酶，木聚糖酶等）。 为深入了解竹虫肠道微生物的群落结构，获得高效的可降解纤维素菌株（或酶基因）资源，本项目拟通过高通量测序技术结合传统的可培养方法及酶谱分析等手段，研究竹虫肠道微生物的群落结构，筛选获得可高效降解纤维素的菌株及酶基因资源，为纤维素生物质的高效降解提供新资源基础。

纤维素酶的酶解效率及成本是目前制约着纤维素高效转化的关键瓶颈问题之一，以竹虫（Omphisa fuscidentalis Hampson）肠道为研究对象，对其肠道微生物群落结构及纤维素相关降解基因解析，同时对肠道可培养微生物进行分离、筛选、鉴定，以获得纤维素降解菌株相关资源。项目组研究表明竹虫肠道群落结构多样性丰富，细菌在门水平上主要分布于变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门，在属水平上分布于Commensalibacter 属、Dysgonomonas属、不动杆菌属等10个属。竹虫肠道真菌在门水平上主要以子囊菌门（Ascomycota，98.06%）占绝对优势。筛选获得68株纤维素降解菌株，并对纤维素降解菌株降解能力较强菌株10株，通过DNS显色法测定其纤维素酶活性以了解菌株纤维素降解能力。通过对分离菌株构建系统发育树发现，其主要来自于变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门，这与高通量测序结果保持一致。竹虫肠道筛选获得2株新菌BRTC-1，BRET-2通过16S rRNA基因等基因序列比及一系列多相分类学鉴定，鉴定菌株BRTC-1，BRTC-2为Acinetobacter属和 Lampropedia属新种。研究发现竹虫肠道微生物具有的344个糖苷水解酶编码基因来自56个不同的家族。与大熊猫、塔马尔沙袋鼠、食木高等白蚁肠道微生物和牛瘤胃微生物宏基因组测序样品比较发现，竹虫肠道微生物有13个特异GH家族基因，并具有丰富的半纤维素酶和低聚糖降解酶编码。通过酶谱分析鉴定了竹虫肠道内存在外切葡聚糖酶、内切葡聚糖酶和木聚糖酶，滤纸降解实验验证了竹虫肠道微生物具有独立降解纤维素的能力，高通量测序结果显示滤纸降解体系中的大量纤维素降解微生物。通过项目研究可以明确竹虫肠道微生物的群落结构，筛选获得可高效降解纤维素的菌株及酶基因资源，为纤维素生物质的高效降解提供新资源基础。