裂解性多糖单加氧酶在褐腐菌降解木质纤维素中的作用和机制

Brown-rot fungi are the dominant decomposers of lignocellulosic biomass in coniferous forest. They are widely thought to employ nonenzymatic Fenton oxidative system to depolymerize polysaccharides and overcome lignocellulosic recalcitrance to fungal decay. The recently discovered Lytic polysaccharide monooxygenases (LPMO)—which can oxidize glycosidic bonds—play various roles in polysaccharide metabolism of microorganisms. However, information on the role of LPMO in brown-rot fungus is scarce. Our recent studies found the glucomannan can be oxidized and depolymerized by brown-rot fungal LPMO, and extracellular nonenzymatic oxidative system of brown-rot fungus can be involved in the oxidation reaction of LPMO. We speculate that nonenzymatic-oxidative-system-driven LPMO oxidation of hemicellulose plays an important role in brown-rot fungal degradation of lignocellulose. Thus, the project will focus on the role of LPMO in the lignocellulose degradation by famous brown-rot fungus, Serpula lacrymans. Firstly, we will investigate the transcriptome, secretome and metabolite profile of S. lacrymans during the degradation of conifer wood lignocellulose. Secondly, we will reveal the mechanism of hemicellulose oxidation by brown-rot fungal LPMO, and clarify how the iron-reducing systems and H2O2-producing oxidases in nonenzymatic oxidative system activate the LPMO. Finally, we will demonstrate the nonenzymatic-oxidative-system-driven LPMO oxidation of hemicellulose lowers lignocellulose recalcitrance to brown rot. This project will fill knowledge gaps of brown-rot fungal LPMO and be helpful to improve and develop the theory of brown-rot fungal metabolism and carbon cycling of lignocellulosic biomass.

褐腐菌是针叶林中常见的木质纤维素分解者，能利用非酶Fenton氧化系统解聚多糖降低腐朽抗性。近年发现，裂解性多糖单加氧酶（LPMO）能氧化糖苷键，在微生物的多糖代谢中发挥广泛功能，但在褐腐菌中的作用并不清楚。申请人最近发现褐腐菌LPMO能氧化解聚葡甘露聚糖，且胞外非酶氧化系统参与其反应，推测非酶氧化系统驱动的LPMO氧化半纤维素反应在褐腐菌降解木质纤维素中发挥重要作用。因此，本项目以著名褐腐菌Serpula lacrymans为对象，在解析其降解针叶木木质纤维素的转录组、分泌组和代谢物基础上，研究褐腐菌LPMO氧化半纤维素的机理，并从铁还原系统和过氧化氢产生酶两方面揭示褐腐菌非酶氧化系统在激活LPMO反应中的作用，最终阐明非酶氧化系统驱动的LPMO反应通过氧化解聚半纤维素降低褐腐抗性的机制。本项目将填补褐腐菌LPMO研究空白，并对褐腐菌木质纤维素代谢和碳循环理论的完善和发展具有重要意义。

裂解性多糖单加氧酶（LPMO）是一类广泛分布于木腐真菌中的铜依赖性氧化酶，但在褐腐菌降解木质纤维素中的作用与机制并不清楚，因此本项目以褐腐菌Serpula lacrymans为对象，研究LPMO在褐腐菌生物腐朽中的功能和反应机制。首先，项目结合木质纤维素结构表征技术、比较转录组学技术和生化分析，系统研究了褐腐菌降解松木过程中LPMO、糖苷水解酶、辅助活性酶的表达规律和相互关联，发现AA9家族的SlLPMO9A和AA14家族的SlLPMO14A可能在生物腐朽中发挥关键作用。其次，基于异源表达获得两个关键LPMO重组蛋白，以针叶木多糖和自组装半纤维素@纤维素膜为底物研究SlLPMO9A和SlLPMO14A的酶学性质和底物特异性，揭示了褐腐菌SlLPMO14A氧化裂解附着于纤维素微纤丝上的木聚糖和甘露聚糖的独特反应机制，并发现褐腐菌胞外非酶氧化系统所产生小分子酚类化合物和改性木质素大分子也可作为LPMO的天然电子供体，显著增强LPMO的还原作用和多糖氧化水解。再次，本项目首次发现LPMO在褐腐菌降解非多糖底物中的作用和反应途径：一方面，LPMO可作为过氧化物酶，由H2O2产生酶驱动其氧化非多糖底物；另一方面，LPMO可通过氢醌类化合物促进褐腐菌的醌氧化还原循环，从而增强胞外非酶Fenton氧化反应在非多糖底物生物降解中的作用。并证实LPMO在其它木腐真菌降解非多糖底物中具有普遍性作用。最后，项目揭示褐腐菌分别利用AA9和AA14家族LPMO对结晶纤维素和半纤维素的氧化作用，降低木质纤维素酶解糖化抗性，增强多糖分解能力；同时阐明木材基质中的木质素原位驱动LPMO多糖氧化的反应机理，发现原位木质素作为LPMO的电子供体可以抑制反应中有害副产物的生成，从而避免酶的自失活，实现木质纤维素多糖的高效裂解和转化。本项目不仅填补了LPMO的研究空白，而且拓展了LPMO在木腐真菌腐朽中的生物学功能，对于完善木腐真菌的木质纤维素代谢理论具有重要意义，并对LPMO在生物炼制中的应用提供新的理论指导。