白蚁-共生微生物系统降解木质纤维素研究进展

开发利用木质纤维素材料能显著增加地球上可再生资源的储备量。白蚁分布广泛,常见于热带和亚热带地区,它们借助细菌、古细菌、真菌等肠道微生物和原生动物协同降解食物中的木质纤维素,在生态系统的碳、氮循环中发挥着十分重要的作用。本文概括了近年来白蚁肠道微生物研究的进展,特别是近年来已被证明的肠道微生物在木质纤维素降解方面的作用,以期为后续研究木质纤维素的降解提供参考信息。     

培菌白蚁菌圃微生物降解木质纤维素的研究进展

白蚁及其共生微生物协同降解植物细胞壁的机理一直被世界各国科学家所关注。培菌白蚁作为高等白蚁,相比低等食木白蚁具有更多样化的食性,其利用外共生系统“菌圃”,对多种植物材料进行处理。本文综述了菌圃微生物降解木质纤维素的研究进展,以期为深入研究菌圃中木质纤维素降解过程及其机制,并挖掘利用菌圃降解木质纤维素的能力及仿生模拟菌圃开发新的生物质利用系统提供参考。培 菌白蚁在其巢内利用由植物材料修建的多孔海绵状结构——“菌圃”来培养共生真菌鸡枞菌Termitomyces spp.,形成了独特的木质纤维素食物降解和消化策略,使木质纤维素在培菌白蚁及其共生微生物协同作用下被逐步降解。幼年工蚁取食菌圃上的共生真菌菌丝组成的小白球和老年工蚁觅得食物并排出粪便堆积到菌圃上成为上层菌圃。这一过程中,被幼年工蚁取食的共生真菌释放木质素降解酶对包裹在植物多糖外部的木质素屏障进行解聚。菌圃微生物(包括共生真菌)对解聚的木质素基团进一步降解,将多糖长链或主链剪切成短链,使菌圃基质自下而上被逐步降解。最后下层的老熟菌圃被老年工蚁取食,其中肠的内源酶系及后肠微生物将这些短链进一步剪切和利用。因此,蚁巢菌圃及其微生物是培菌白蚁高效转化利用木质纤维素的基础。化学层面的研究表明,菌圃能够实现对植物次生物质解毒和植 物纤维化学结构解构。对共生真菌相关酶系的研究显示可能其在菌圃的植物纤维化学结构和植物次生物质的降解中发挥了作用,但不同属共生真菌间其效率和具体功能不尽相同。而菌圃中的细菌是否发挥了作用和哪些细菌类群发挥了作用等仍有待进一步的研究。相比于低等食木白蚁利用其后肠共生微生物降解木质纤维素,培菌白蚁利用菌圃降解木质纤维素具有非厌氧和能处理多种类型食物两大优势,仿生模拟菌圃降解木质纤维素的机制对林地表面枯枝落叶的资源化利用具有重要意义。     

高效降解木质纤维素的白蚁肠道微生物组

木食性白蚁是自然界木质纤维素的高效降解者,在长期进化过程中白蚁与其肠道微生物组协同作用发展出不同的纤维素降解机制。木食性白蚁具有分别来源于白蚁和共生微生物的两套纤维素酶系统。在低等白蚁中,木质颗粒经过白蚁前、中肠分泌的内源性酶初步消化后,在后肠共生鞭毛虫中被降解为乙酸、二氧化碳和氢。高等木食性白蚁在进化中丢失了鞭毛虫,木质颗粒经白蚁自身分泌的酶初步消化后,在后肠大量共生细菌的帮助下被有效降解。培菌类白蚁利用其菌圃中的蚁巢伞菌和肠道微生物协同作用降解木质纤维素。共生微生物在白蚁的氮素固定与循环、中间产物代谢及纤维素降解等过程中发挥了重要作用。学习和模拟白蚁高效降解木质纤维素的体系,对生物质能源的产业化发展具有积极的意义。     

6种糖基化合物对台湾乳白蚁糖基水解酶分泌的影响

白蚁自身及其后肠共生微生物可以分泌多种糖基水解酶用于分解木质纤维素.本研究选用1％木质素、1％羧甲基纤维素钠、1％山梨糖、1％果糖、1％葡萄糖及1％半乳糖6种糖基化合物溶液,诱导台湾乳白蚁Coptotermes formosanus糖基水解酶的分泌,进行了酶活测定.结果显示,FPA活力、内切葡聚糖酶EG、β-葡萄糖苷酶...     

白蚁肠道共生微生物的作用:酵母,一个“隐身”的特别菌群

长期以来,白蚁对木质纤维素的降解能力令人惊叹,毫无疑问,其在全球碳循环中扮演着一个十分重要的角色。这一强大功能的实现极大地依赖于一种特别的肠道"消化液(digestome)",它的构成不仅包括了来自白蚁自身产生的木质纤维素降解酶系统,还来源于独特与多样的肠道共生微生物的贡献(包括了古细菌、细菌、酵母以及其他真核生物),它们的协同作用能有效地将木质纤维素生物质高效转化为乙酸、甲烷、二氧化碳、氢气等物质。然而,到目前为止,我们对这类昆虫的独特肠道生物转化系统的认识还很不深入,特别是针对肠道内的那些各类共生微生物菌群的功能、白蚁与共生微生物间的相互关系、以及潜在的科学与应用价值还无法给予明确的科学解释,更不用说针对其肠道中的共生酵母菌群,一类通常被忽略的独特微生物。近20多年来,越来越多的研究证据表明,白蚁肠道共生酵母在与寄主的关系中表现了不可或缺的重要性与独特功能,已被证明广泛分布于不同白蚁及许多其他昆虫的肠道中。随着近20年来越来越多昆虫肠道共生微生物酵母群被发现和鉴定,他们潜在的功能以及与寄主的共生机制被逐步解析,这些研究结果进一步揭示了"隐身"的昆虫肠道酵母类微生物菌群与寄主的营养、关键生物质转化过程中的重要酶系统、转化过程中的关键中间产物的转化与利用、抵御外源性的重要病原物,甚至对白蚁种群繁衍的远缘交配等方面均可能发挥了重要和不可缺少的作用。本文将试图归纳相关研究的最新进展,系统总结与解析白蚁肠道来源共生酵母的重要科学价值及其在不同领域的潜在应用前景。     

白蚁纤维素粉饵料成型技术研究

为研究白蚁饵料成型工艺,比较了9种胶黏剂对白蚁纤维素饵料成型效果、耐水性能以及对白蚁取食的影响。结果表明:20%、40%剂量糊精;50%、100%剂量三聚氰胺甲醛树脂,10%、20%、40%田菁胶、卡拉胶、壳聚糖、明胶;10%、50%、100%聚乙烯醇、硅酸钠对微晶纤维素的成型效果较好,经上述剂量胶黏剂处理后,纤维素饵块的邵氏硬度(HD)极显著高于对照。耐水性能试验至第30天时,50%聚乙烯醇、100%聚乙烯醇、100%三聚氰胺甲醛树脂处理的纤维素饵块的溃散程度指数分别为1.33、1.00、2.00,其余饵块的溃散程度指数均达3级。生测结果显示,在7 d的室内强迫取食试验中,白蚁对50%聚乙烯醇、100%聚乙烯醇、100%三聚氰胺甲醛树脂处理的块状纤维素饵料的取食率均极显著低于对照,说明饵块中添加的上述胶黏剂对白蚁的取食具有一定的影响。综上,50%聚乙烯醇、100%聚乙烯醇、100%三聚氰胺甲醛树脂适用于白蚁纤维素饵料成型,但若想获得白蚁喜食的饵块仍需对配方做进一步的优化。     

白蚁肠道共生体的纤维素代谢体系

白蚁是大陆生态系统中木质纤维素降解的生力军,其肠道共生系统纤维素酶对纤维素的消化起到了关键的作用.本文概述了白蚁自身及其肠道共生微生物的纤维素水解系统的特点、相互关系以及相互作用的研究进展.     

木质纤维素的微生物降解

木质纤维素广泛存在于自然界中,因结构复杂,其高效降解需要多种微生物的协同互作,由于参与木质纤维素降解的微生物种类繁多,其协同降解机理尚不完全明确。随着微生物分子生物学和组学技术的快速发展,将为微生物协同降解木质纤维素机制的研究提供新的方法和思路。笔者前期研究发现,细菌复合菌系在50℃下表现出强大的木质纤维素降解能力,菌系由可分离培养和暂时不可分离培养细菌组成,但是可分离培养细菌没有降解能力。通过宏基因组和宏转录组研究表明,与木质纤维素降解相关的某些基因表达量发生显著变化,通过组学方法有可能更加深入解释微生物协同降解木质纤维素的微生物学和酶学机理。文中从酶、纯培养菌株和复合菌群三个方面综述了木质纤维素微生物降解研究进展,着重介绍了组学技术在解析复合菌群作用机理方面的现状和应用前景,以期为探索微生物群落协同降解木质纤维素的机理提供借鉴。     

木质纤维素的微生物降解

由于世界人口不断增加,糖食和饲料的需求成为当今社会急待解决的大问题。每年通过光合作用产生的有机生物量干重约1640亿吨,木质素和纤维素的结合物(木质纤维素)占地球陆生生物量的95％,其中1/4是木质素,其余为纤维素和半纤维素。     

培菌白蚁菌圃和粪便微生物多样性分析

【背景】培菌白蚁是属于白蚁科的一类与鸡枞菌属真菌共生的高等白蚁,其与体内肠道微生物和体外菌圃微生物形成三维共生体系。【目的】分析培菌白蚁菌圃和粪便的微生物多样性,并与肠道微生物进行比较。【方法】通过Illumina MiSeq高通量测序方法对培菌白蚁菌圃和粪便样品进行细菌16S rRNA基因和真菌ITS测序分析。【结果】高通量测序获得培菌白蚁菌圃和粪便样品细菌和真菌的有效序列和OTU数目。5个样品细菌OTU数目在90-199之间,而真菌OTU在10-58之间,细菌的种类多样性明显大于真菌。不论是细菌还是真菌,粪便样品的OTU数目多于菌圃样品。经物种分类分析,菌圃样品主要优势细菌是变形菌门(Proteobacteria),其相对含量超过82.4%;其次是拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes);粪便样品中优势细菌为拟杆菌门,其次是变形菌门,粪便优势菌属为别样杆菌属和营发酵单胞菌属,这与培菌白蚁肠道菌多样性组成一致。培菌白蚁菌圃和粪便样品共生真菌主要为担子菌门(Basidiomycota)和子囊菌门(Ascomycota)。菌圃优势真菌为鸡枞菌属(Termi...     

互惠共生微生物多样性研究概况

所谓互惠共生微生物(mutualistic symbiotic microbes,MSM)是指能定殖其他生物构建互惠共生体系的微生物,主要包括互惠共生细菌、互惠共生放线菌和互惠共生真菌等。MSM种类繁多、分布广泛、物种多样性丰富,涉及原核生物界和真菌界等。MSM定殖人体、动物、植物、藻类或其他真菌,可构建各自相应的互惠共生体系,进而形成范围更加巨大的共生网络,发挥不可替代的生理生态功能。本文在介绍MSM概念的基础上,重点总结了MSM多样性研究进展,指出了目前研究中尚存在的问题,探讨了今后应该开展的工作,MSM多样性研究成果可望为研发MSM应用技术提供依据和材料。     

白蚁共生放线菌研究进展

白蚁与微生物的共生关系是目前较受关注的研究热点,其肠道及巢内的共生微生物在降解木质纤维素的过程中扮演着重要的角色。放线菌是这些共生微生物中的重要一类,广泛存在于肠道、蚁巢及其周围土壤中,目前已探明共生放线菌在参与白蚁碳氮循环及保护巢群免受外来病菌侵染等方面发挥着极大的作用。近年来,人们利用分子生物学技术鉴定了部分共生放线菌的类群,发现了许多具应用前景的新放线菌及相关酶和代谢产物。因此,研究与白蚁相关的放线菌不仅有助于人们了解白蚁共生菌群落间的互作及其与宿主间的关系,而且对人类开发自然资源也有较大的帮助。本文对白蚁共生放线菌的研究进展作一综述,供同行参考。     

互惠共生微生物：新资源，新技术，新机遇，新挑战

2020年9月联合国环境规划署发布《全球生物多样性展望-5》(GBO-5)报告,助力世界实现协商一致的愿景——到2050年“与自然和谐相处”。其实,原本地球上的所有生物都是相互依存、互惠共生于地球村的,尽管存在少数“坏分子”。但由于人类的贪婪,过度扩张才导致地球“千疮百孔”的面貌,严重威胁到人类文明可持续发展。通过最近20年的研究,互惠共生微生物(mutualistic symbiotic microbes,MSM)从其丰富的群落多样性到种质新资源、从多种多样的生理生态功能到作用机制、从基础探究到新技术研发,为实现人与自然和谐相处的愿景提供了新机遇,同时也面临新挑战。令人可喜的是,中国在MSM研究领域取得了令世人瞩目的成果。《微生物学通报》于2020年11期特别推出了“互惠共生微生物专栏”,旨在展现中国MSM研究的最新进展和成果,促进生物共生学的发展壮大。     

不同固体发酵培养基下三种白腐真菌分泌的木质纤维素酶活性

本研究选取众所周知的典型白腐真菌树舌灵芝Ganoderma applanatum、毛栓孔菌Trametes hirsuta和木蹄层孔菌Fomes fomentarius作为研究对象,对其利用木质纤维生物质进行发酵及添加有机营养、无机盐、金属离子、表面活性剂等进行了探索,期间以测定漆酶、滤纸纤维素酶、木聚糖酶活性表征3种...     

蒙古栎根内及根围土壤中共生真菌和细菌群落组成分析

为探究中国东北地区森林根系和根围土壤中共生真菌的分布状况,分析了黑龙江省五大连池市蒙古栎Quercus mongolica纯林中根内及根围土壤中共生真菌和细菌群落的组成。结果表明,根内真菌的1 295个OTUs中有209个OTUs为共生真菌,隶属于36属,相对丰度25.46%;根围土壤真菌1 513个OTUs中有285个OTUs为共生真菌,隶属于40属,相对丰度59.91%;根内与根围土壤共同拥有共生真菌33属,根内特有3属,根围土壤特有7属。其中,外生菌根真菌为根内和根围土壤中共生真菌的主要类群,分别占共生真菌的98.82%和99.80%。定殖根内的细菌共获得5 550个OTUs,隶属于400属;根围土壤细菌获得8 406个OTUs,隶属于436属,根内细菌群落的Shannon指数和Chao1指数均低于根围土壤的。PICRUSt功能预测分析结果表明,根内的信号转导通路与信号分子和相互作用通路（包括CAM配体、ECM-受体相互作用等通路）的丰度低于根围土壤,而膜运输通路与信号分子和相互作用通路（包括细菌毒素、细胞抗原等通路）的丰度高于根围土壤。根内与根围土壤中菌根辅助细菌组成差异分析结果表明,除慢生根瘤菌属 Bradyrhizobium外,根内其余9属的相对丰度均高于根围土壤,尤其假单胞菌属 Pseudomonas的相对丰度远高于根围土壤。     

Dietary‐driven variation effects on the symbiotic flagellate protist communities of the subterranean termite Reticulitermes grassei Clément

The ability of subterranean termites to digest lignocellulose relies not only on their digestive tract physiology, but also on the symbiotic relationships established with flagellate protists and bacteria. The objective of this work was to test the possible effect of different cellulose‐based diets on the community structure (species richness and other diversity metrics) of the flagellate protists of the subterranean termite Reticulitermes grassei. Termites belonging to the same colony were subjected to six different diets (natural diet, maritime pine wood, European beech, thermally modified European beech, cellulose powder and starvation), and their flagellate protist community was evaluated after the trials. All non‐treated sound woods produced similar flagellate protist communities that were more diverse and of high evenness (low dominance). On the contrary, flagellate protist communities from cellulose‐fed termites and starving termites were considered to be significantly different from all non‐treated woods; they were less diverse and some morphotypes became dominant as a consequence of flagellate protist communities having suffered major adaptations to these diets. The flagellate protist communities of untreated beech and thermally modified beech‐fed termites were considered to be significantly different in terms of abundance and morphotype diversity. This may be caused by a decrease in lignocellulose quality available for termites and from an interference of thermally treated wood with the chemical stability of the termite hindgut. Our study suggests that as a consequence of the strong division of labour among these protists to accomplish the intricate process of lignocellulose digestion, termite symbiotic flagellate protist communities are a dynamic assemblage able to adapt to different conditions and diets. This study is important for the community‐level alteration approach, and it is the first study to investigate the effects of thermally modified wood on the flagellate protist communities of subterranean termites.     

Symbiotic flagellate protists as cryptic drivers of adaptation and invasiveness of the subterranean termite Reticulitermes grassei Clément

Changes in flagellate protist communities of subterranean termite Reticulitermes grassei across different locations were evaluated following four predictions: (i) Rural endemic (Portugal mainland) termite populations will exhibit high diversity of symbionts; (ii) invasive urban populations (Horta city, Faial island, Azores), on the contrary, will exhibit lower diversity of symbionts, showing high similarity of symbiont assemblages through environmental filtering; (iii) recent historical colonization of isolated regions—as the case of islands—will imply a loss of symbiont diversity; and (iv) island isolation will trigger a change in colony breeding structure toward a less aggressive behavior. Symbiont flagellate protist communities were morphologically identified, and species richness and relative abundances, as well as biodiversity indices, were used to compare symbiotic communities in colonies from urban and rural environments and between island invasive and mainland endemic populations. To evaluate prediction on the impact of isolation (iv), aggression tests were performed among termites comprising island invasive and mainland endemic populations. A core group of flagellates and secondary facultative symbionts was identified. Termites from rural environments showed, in the majority of observed colonies, more diverse and abundant protist communities, probably confirming prediction (i). Corroborating prediction (ii), the two least diverse communities belong to termites captured inside urban areas. The Azorean invasive termite colonies had more diverse protist communities than expected and prediction (iii) which was not verified within this study. Termites from mainland populations showed a high level of aggressiveness between neighboring colonies, in contrast to the invasive colonies from Horta city, which were not aggressive to neighbors according to prediction (iv). The symbiotic flagellate community of R. grassei showed the ability to change in a way that might be consistent with adaptation to available conditions, possibly contributing to optimization of the colonization of new habitats and spreading of its distribution area, highlighting R. grassei potential as an invasive species.     

林木共生菌系统及其作用机制——以杨树为例

杨树（Populus）是重要造林树种,也是研究林木基础生物学性状的模式材料。不仅如此,杨树可与多种细菌（内生细菌、内生固氮菌和根际促生菌）和真菌（外生菌根真菌、丛枝菌根真菌和内生真菌）类群建立共生关系,为揭示树木和微生物之间的互惠共生机制提供了理想模型。这些共生菌能积极调控林木生长发育、营养吸收和生理生态过程。目前在杨树-双色蜡蘑（Laccaria bicolor）形成的外生菌根发育、提高杨树耐盐、耐重金属的生理与分子机制、叶片内生真菌群落结构与病害发生、菌根辅助细菌和菌丝内共生细菌-真菌-杨树形成的三重跨界共生等方面取得多项突破。近年来,一批模式草本植物微生物组（microbiome）计划相继实施,对共生菌群落结构和功能的认识有了革命性的进步。以美洲黑杨、毛果杨和胶杨为代表的林木微生物组研究也已启动,表明宿主基因型和环境因子可显著影响共生菌群落结构与物种组成;在根际（rhizosphere）和内生（endosphere）环境存在结构和功能迥异的菌群。另一方面,以根系为诱饵,通过宿主表型来推测菌群功能的反向"钓鱼"策略将推动林木根际微生物工程研究,为揭示杨树-微生物群落的相互关系、菌群进化搭建了研究模型。总之,深入认识多元微生物对林木表型和生理代谢的表观遗传学调控机制将为今后创制新型菌剂并用于高效育苗和抗性育种提供新的思路,具有重要的科学意义和应用价值。     

侧耳菌与粗毛栓菌在麦草培养基中产生木质纤维素降解酶的研究

草本植物,包括农作物秸杆的木质素主要是由松柏醇、芥子醇和对香豆醇的脱氢聚合物和对香豆酸组成[1,2],是结构复杂、稳定、多样的生物大分子物质.虽难于被一般微生物降解,但自然界中仍存在一些可降解木质素的微生物种类,白腐真菌是最重要的一类,它们通过分泌漆酶(Laccases,Lac)、木质素过氧化物酶(Lignin peroxidases,LiP)、锰过氧化物酶(Manganese-dependent peroxidases,MnP)、纤维素酶(Cellulas-es,Cel)和半纤维素酶(Hemicellulases,Hcel)等降解植物生物质.由于白腐菌在造纸工业中的生物制浆和纸浆生物漂白、环境保护等方面[4]有着很好的应用前景,因此倍受关注. 本研究选用在液体培养基中产酶能力强且产酶较快的白腐真菌侧耳sp2和粗毛栓菌[5]进行固体培养,研究它们产生木质纤维素降解酶类和降解植物生物质的能力.研究结果报道如下.     

动物的共生菌固氮

介绍了共生菌固氮涉及的动物和微生物类群、动物共生菌固氮的性质和机理。应用乙炔还原法和固氮酶基因检测等研究表明,所涉及的动物有7门13纲23目50科99属174种。动物肠道具有丰富的微生境,供不同生理需求的固氮菌生长发育,所蕴含的共生固氮菌类群也十分丰富,涵盖植物共生固氮菌、植物内生固氮菌、植物根际固氮菌、自生固氮菌等生态类型。一般认为动物共生固氮菌来源于环境,其性质属于联合共生固氮。动物共生固氮菌一般与其他共生生物形成复合体,以满足固氮过程中对电子和质子供体、能量供给、固氮酶活性保护以及氨阻遏解除等方面的需求。动物共生菌固氮产物氨的同化也需要多种共生物的协同作用,可能通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶等途径。总体上,食物氮、非蛋白氮和共生菌固氮相互协调,形成营养和解毒的代谢网络,共同维持动物体内氮素营养的动态平衡,并对未来研究提出展望。