黑翅土白蚁自然转化木质纤维素的机理研究

生物质的自然高效转化一直是人类面临的科学难题，以植物为食的白蚁为人类解决此难题提供了重要机会。黑翅土白蚁是我国南方广泛分布且能自然高效转化利用木质纤维素的白蚁，但其转化利用木质纤维素的机理至今还不清楚。过去几年中，在国家自然科学基金资助下，我们虽从黑翅土白蚁体内及共生真菌中获得了一些编码木质纤维素降解酶的基因，并用大肠杆菌进行了成功表达，但研究思路仍处于单一酶系的解析水平上。本研究将以系统的观点，解析黑翅土白蚁自然转化木质纤维素所涉及的酶系与菌系，探明重要酶系与菌系的构成与功能，阐明各酶系与菌系在不同理化条件下的协同作用机理。同时，利用定向突变技术，建立关键酶种的异源高效表达系统和重要菌系的大规模人工培养技术，从而为工业上建立高效的生物质自然转化系统提供技术支撑，并为白蚁防治新药物与新技术的开发提供新的工作思路。显然，本项研究具有十分重要的理论意义和现实意义及较大的经济应用前景。

生物质的自然高效转化一直是人类面临的科学难题，以植物为食的白蚁为人类解决此难题提供了重要机会。黑翅土白蚁是我国南方广泛分布且能自然高效转化利用木质纤维素的白蚁，但其转化利用木质纤维素的机理一直不清楚。为了阐明这一科学问题，在国家自然科学基金资助下，我们以系统的观点，对黑翅土白蚁自然转化木质纤维素涉及的酶系与菌系进行解析，对重要酶系与菌系的构成与功能进行探索，对酶系与菌系在不同理化条件下的协同作用机理进行研究，并利用定向突变技术，建立关键酶的异源高效表达系统和重要菌系的规模化人工培养技术，以便为工业上建立高效低能耗的生物质自然转化系统提供技术支撑，为白蚁防治新技术的开发提供新的思路。四年的研究结果表明，黑翅土白蚁作为培菌白蚁，其巢内工蚁具有明确的年龄分工，年老工蚁负责外出觅食，将食物搬运回巢内，堆积成食物堆；年轻白蚁负责将食物接种鸡枞菌并经初步降解后堆积成菌圃；菌圃物质经鸡枞菌发酵一个月后被各龄期的工蚁取食利用。进一步的研究结果表明，不同年龄阶段的工蚁其肠道容积差异较大，且后肠内含有的真菌孢子数量不同。外出觅食的工蚁对木质纤维素颗粒无显著的消化降解，木质纤维素结构的改变主要出现在菌圃，发酵初期S型木素发生改变，中期H型木素发生改变，末期G型木素发生改变。酶学研究表明，工蚁消化道内具有β-1,4-内切葡聚糖酶、β-葡糖苷酶、β-1,4-内切木聚糖酶、β-1,4-木糖苷酶、α-l-阿拉伯糖苷酶和β-1,4-内切甘露聚糖酶等多种酶类。通过基因修饰，表达β-1,4-内切葡聚糖酶、β-葡糖苷酶和漆酶的基因能在毕赤酵母中高效表达。生化测定结果表明，黑翅土白蚁工蚁的消化道为中性，氧气含量从肠壁到肠道中心逐渐降低至为0，氧化还原电位相对其他食性白蚁偏高，且肠道中富集高浓度氢气，金属离子则展现出了明显的空间分布及浓度差异。黑翅土白蚁巢内菌圃的含水量在56%-62%之间，pH值约为4，14种重要金属离子的浓度在菌圃上层、中层和下层间变化明显。工蚁肠道和菌圃上的挥发性脂肪酸种类多，含量变化大。年轻工蚁和年老工蚁肠道与菌圃的细菌群落结构显著不同。采用富集培养方法，从工蚁后肠中分离得到了3个具有铁还原能力的细菌菌株，4个具纤维素酶活性的细菌菌株和1个可分泌纤维素酶的细菌复合菌系。通过培养基改良，建立了规模化培养鸡枞菌的技术与方法。这些成果为工业化利用木质纤维素为生物资源与能源打下了良好基础。