白蚁肠道内木质纤维素降解的分子生态学解析

木质纤维素的高效降解是木质纤维素能源化和资源化高效利用的热点和难点。白蚁在自然界木质纤维素降解中扮演着重要角色。项目以河南特有的扩头蔡白蚁（Tsaitermes ampliceps）在3种不同饲喂状态下肠道内微环境为对象，通过16S rDNA文库、DGGE电泳分型及测序分析，研究白蚁肠道内共生微生物的多样性和群体结构；在宏基因组技术平台下，经构建BAC文库、功能驱动筛选、454测序和基因拼接，研究群落结构及功能基因或基因簇；综合分析不同饲喂原料对白蚁肠道内木质纤维素降解微环境影响的异同点。通过研究，从分子生态学层面全面系统地揭示白蚁肠道内木质素纤维素降解的机理和木质纤维素降解微环境的定向调控机制，为理性设计、构建和定向调控多种天然、高效、稳定的木质纤维素降解仿生系统（人工菌群）提供理论依据，为进一步提升木质纤维素生物转化技术奠定理论基础。

白蚁可以通过其肠道内的共生微生物克服木质纤维素食物的降解屏障，本项目用16S rDNA 文库、DGGE 电泳和454测序技术对对不同木质纤维素食物饲养（木块、玉米秸秆和滤纸）的白蚁肠道微生物菌群进行分析。结果表明扩头蔡白蚁肠道内菌群共有24个菌门，其中优势菌门（>1%）有9个，主要为Spirochaetes、Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、Elusimicrobia等，其中Spirochaetes丰度达到54.88%；共有57个属的菌群，其中优势菌群有Treponema（54.9%）、Candidatus_Azobacteroides（3.1%）、Desulfovibrio（1.6%）、Dysgonomonas（1.1%）。三种饲养条件下白蚁肠道的多数共生细菌的种类一致，但相对含量受食物调节。尤其是在木质素含量低的食物中，Spirochaetes减少，Proteobacteria和 Thermi增加。随着饲喂底物中纤维素含量的升高，参与白蚁肠道内与纤维素和半纤维素降解的相关微生物的门类增加，表明，饲喂底物可以显著改变白蚁肠道内微生物的群落结构，同时微生物的群落结构与底物降解之间高度相关。.通过BAC文库双向电泳分析了白蚁肠道内的木质纤维素降解酶及全蛋白，发现在前中肠和后肠均高表达和仅在前中肠表达的明显多于后肠表达的蛋白，且主要是白蚁代谢蛋白和调节蛋白；后肠高表达的蛋白主要是微生物代谢蛋白。可以推测白蚁前中肠主要进行消化代谢，后肠进行微生物代谢生长。共筛选到7个木质纤维素代谢相关酶，其中2个内源性纤维素酶；1个内切-β-1,4-葡聚糖酶；1个糖基水解酶第11家族；2个木质素降解相关酶；1个过氧化物歧化酶，前两个由白蚁分泌，其它均为微生物产生，前3个仅在前中肠高表达，后4个仅在后肠高表达，推测白蚁对木质纤维素食物的降解主要在前中肠，后肠主要对其继续降解和其产物进一步降解并进行微生物生长代谢，为白蚁的交哺提供营养成分。.通过本项目研究，揭示了白蚁肠道内的共生微生物、共生微生物酶及白蚁内源性酶是木质纤维素降解的3大因素。饲喂底物中纤维素和木质素含量的不同，可以显著调控白蚁肠道内与木质纤维素相关的微生物区系变化，且木质素含量越高，白蚁肠道内微生物群落多样性变化越大，与木质纤维素降解相关的微生物门类变化也越大