木质纤维素酶基因资源挖掘及真菌酶系改造

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1、doi:10.3969/j.issn.1672－3678.2014.01.010木质纤维素酶基因资源挖掘及真菌酶系改造邹根，刘睿，魏勇军，周志华，严兴(中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所合成生物学重点实验室，上海200032)摘要:简述了木质纤维素酶基因资源挖掘的策略和方法及其在丝状真菌酶系改造中的应用。从候选基因的获取(木质纤维素酶基因资源的挖掘和高效利用)、外源基因的表达、酶系的复配和重构等方面综述了丝状真菌酶系改造的最新进展，并提出了丝状真菌酶系改造中亟须解决的关键问题。关键词:木质纤维素;酶系;丝状真菌中图分类号:Q938.1文献标志码:A文章编号

2、:1672－3678(2014)01－0063－09MiningresourceoflignocellulasegenesandoptimizingfungalenzymesystemZOUGen，LIUＲui，WEIYongjun，ZhouZhihua，YANXing(KeyLaboratoryofSyntheticBiology，InstituteofPlantPhysiologyandEcology，ShanghaiInstitutesforBiologicalSciences，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200032，Ch

3、ina)Abstract:Thestrategyandthemethodforminingresourceoflignocellulasegenes，anditsapplicationinoptimizationofenzymesystemoffilamentousfungiwerereviewed.Ｒecentprogressinminingandutilizationresourceoflignocellulasegenes，heterologousexpressionoflignocellulosicgenes，reconstructionofenzymesys

4、temandotherissuesaboutoptimizingfungalenzymesystemwereintroduced.Keyissuesinoptimizingfungalenzymesystemwerediscussed.Keywords:lignocellulose;enzymesystem;filamentousfungus木质纤维素是地球上蕴藏太阳能量最大的部分，具有可再生和储量丰富等优点，仅把每年再生的木质纤维素折合成能量就相当于目前人类每年消耗化石能量的20倍［1］。充分利用木质纤维素作为工农业生产的原材料是我国经济社会可持续发展的必然选择。木

5、质纤维素必须经过不同程度的水解后才能转化为农业(动物饲料)、工业(溶剂及其他化学品，造纸和纺织原料)及能源(燃料乙醇)等行业所需的生产原料。采用生物酶系降解木质纤维素来取代原有酸碱水解的方法，不仅可以提高木质纤维素原料的利用率，而且可以极大地减少对环境的污染［2］。因此，如何构建高效的纤维素降解酶系以适应不同行业的需求，是未来发展绿色生产工艺所需的核心技术。工业上木质纤维素酶主要由丝状真菌生产，但是其酶系存在种类不均衡、最适pH偏酸性、耐热性较差等问题，限制了其应用范围和效果。例如，在燃料乙醇和丁醇的制造过程中，工艺要求将木质纤维素中的纤维素和半纤维素都尽可能地降解

6、为容易发酵的单糖，但常用的里氏木霉(Trichodermareesei)的自身酶系(主要以外切酶为主)将纤维二糖转化为单糖的速度很慢，所以往往需要加入β-葡萄糖苷酶，以加快单糖的转化。又如，在造纸工艺中，要求降解木质纤维素中的木质素和半纤维素而保收稿日期:2013－11－18基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB707400)作者简介:邹根(1980—)，男，浙江慈溪人，博士，副研究员，研究方向:真菌遗传学;严兴(联系人)，副研究员，yanxing@sibs.ac.cn留其中的纤维素，因此要求丝状真菌的酶系具有比较低的内切葡聚糖酶活性和比较高的

7、半纤维素酶活性。由于不同工艺对于酶系的耐热性和pH特性有不同的要求，并且不同种类和来源的原材料在木质纤维素的组成上差别很大，因此要求对酶系的组成作相应调整。为了适应不同原料和不同工艺的需求，经常要对工业菌株的酶系进行改造，复配甚至重构。而实现工业菌株酶系的改造，首先要了解高效木质纤维素酶系的一般规律;其次，需要收集丰富的木质纤维素酶基因资源作为候选基因;最后，如何在丝状真菌中实现外源基因的高效表达并精确调控酶系中不同成分的丰度也是酶系改造、复配和重构亟须解决的关键技术问题［3］。1自然界木质纤维素高效转化微生物系统的酶系组成解析木质纤维素由纤维素，半