家白蚁消化系统木质素代谢及其过程特征与机制研究

Wood-feeding termites are considered as one of the most efficient natural biomass degradation systems. The lignin structure modification occurred in the termite gut system might be an essential processing for biomass pretreatment that leads to an amazing capability to eventually overcome the biomass recalcitrance for carbohydrate utilizations. Our previous data indicated that termite gut system demonstrate a unique lignin modification mechanism to cope with the biomass pretreatment requirement. But, we only know little about its digest system as well as its coordinating strategy in relation to various degrading enzymes that can efficiently and selectively attack both lignin and hemicellulose elements in a biomass matrix. This proposed grant would scope the whole digest system of an important wood-feeding termite, Coptotermes formosanus, including its saliva glands, fore-, mid-, and hindgut sections. The designed investigations will mainly focus on two essential challenges relevant to termite lignin degradation processing and the resulted biomass pretreatment: 1) the characterizations of the physical and chemical changes of those biomass particles within various gut compartments observed by various ultrastructure analysis and other relevant chemical analysis tools; 2) the profiles of termite enzyme system, by using a variety of advanced biotechnology tools, with respect to its specific composition, function, origin, as well as their coordinating processing mechanisms that selectively modify the lignin/hemicellulose functional groups and either linkages in the programed degradation processing. This systematic investigation will indeed shed a light on termite lignin degradation strategy and its mechanism in biomass pretreatment, which will potentially apply to a biomimetic approach towards biorefinery industry.

家白蚁是自然界中有效降解和转化木质纤维素的代表性自然生物系统之一，其消化系统对食材中木质素致密结构的代谢，是突破木质纤维素抗降解屏障的关键，也是白蚁得到可利用纤维素的必要过程特征。我们的研究表明，家白蚁消化系统具有针对木质素大分子结构的独特修饰机制，但其复杂酶解系统的构成、功能及协同机制，目前仍然缺乏深入的认识。本项目拟采用系统生物学设计，着重开展以下两方面研究: 一是采用超微观察和多种化学分析手段，系统地解析和表征生物质颗粒及木质素在白蚁肠道不同部分（前肠、中肠、后肠）物理和化学结构的物态变化过程与规律，以及这些物态变化与其消化系统中生物质催化转化酶系之间的相互关系；二是采用现代生物技术，明确家白蚁木质素与半纤维素酶系协同进行生物质转化的过程与特征，确定关键木质素转化相关酶系的构成、来源与功能，阐明其木质素代谢及其生物质预处理机制，为木质素代谢过程的仿生应用奠定重要的科学基础。

项目的研究成果主要表现在如下的5个部分：.一是通过家白蚁消化系统的转录组数据的分析，明确了其木质素代谢过程中的碳水化合物活性酶(CAZyme)以及辅助性的氧化还原酶 (Auxiliary redox enzymes )在家白蚁肠道系统中的分布特征及主要功能。家白蚁体内类芬顿化学反应及其多样化的肠道木质素氧化酶参与了氧化还原反应，该氧化反应有效地修饰了木质素大分子的关键官能团，进一步提高了其转化过程中纤维素及半纤维素的酶可及性及酶的转化效率。.二是基于家白蚁消化系统的转录组数据及系统性实验的验证，明确了其消化系统木质素代谢的过程特征与机制；家白蚁消化系统中，唾液腺、前肠、中肠与后肠表达了不同种类的内源性酶或酶系，但是，这些在不同肠道组织中的酶，需要通过相互协同才能发挥作用。12个木质素氧化还原酶基因对白蚁消化道中的木屑食物表现出非常不一般的快速反应(受木质素诱导的基因表达)，这些由家白蚁肠道分泌的胞外酶是白蚁木质素代谢过程中的关键酶，显著的参与了木质素的代谢以及木质素大分子上重要官能团的修饰。.三是通过采用超微观察和多种化学分析手段，系统地解析和表征了白蚁消化系统中木质素的生物代谢过程对木质素大分子结构上关键官能团的修饰；其基本规律是家白蚁消化系统最低限度地改性了木质素和纤维素/半纤维素集合体，其木质素酶引起的木质素选择性价键断裂所获得的一系列木质素大分子片段（如支链氧化、环甲氧基脱甲基化、环羧化等）为生物质中的纤维素及半纤维素的降解提供了最佳条件。.四是基本明确了家白蚁肠道可培养共生细菌在白蚁消化系统（前肠、中肠与后肠）中的种类、分布及在降解木质纤维素生物质方面的主要功能与特征；.五是明确了家白蚁肠道自身的酶系及其肠道的共生微生物在木质素结构修饰及降解当中的作用与代谢特征，确认并验证多个肠道共生细菌与酵母菌群在纤维素、半纤维素以及木质素类似物代谢及转化过程中的机制，以及在生物质能源利用及环境有机染料污水治理当中的科学价值及产业化应用前景。