高等白蚁肠道细菌纤维素降解酶基因簇的功能及机理研究

白蚁是自然界中利用木质纤维素的独特体系，在木质纤维素的循环中发挥着重要作用。基因簇的研究表明，同一基因簇上的不同基因具有协同作用。纤维素降解酶基因簇研究是纤维素酶高效利用的一个研究方向，我们前期研究发现，白蚁共生系统中存在着丰富的纤维素酶基因簇资源。对其进行深入的研究，可以为我们进行纤维素酶基因的功能研究提供全新的思路。本研究将以黄球白蚁为材料，对其肠道细菌构建Fosmid文库，筛选阳性克隆后进行454测序，利用生物信息学的方法大规模筛选纤维素降解酶基因簇并实现异源表达。期望得到一批具有纤维素降解酶基因簇，同时，能够研究基因簇中不同基因之间的协同作用，明确白蚁肠道细菌纤维素降解酶基因簇的转录模式。研究成果在理论上对基因簇的协同作用机理研究提供一定的理论依据；在应用实践方面，既有利于保护我国白蚁降解纤维素酶基因资源，也具有重要的战略意义。

对于高等食木白蚁，前人通过对一种象白蚁肠道菌进行元基因组测序证明其肠道菌基因组中蕴含大量糖基水解酶基因由此确立了肠道菌对高等食木白蚁纤维素的降解利用具有主导作用，但关于肠道微生物如何有效调控、利用其所蕴含的批量糖基水解酶基因实现纤维素的高效降解尚未可知。本文以与其不同亚科的短角球白蚁为研究对象，对其肠道菌进行基于Fosmid文库筛选和测序的功能元基因组学分析，从5万文库克隆中筛选到464个（半）纤维素酶的阳性克隆。通过对其中173个阳性克隆进行高通量测序、拼接，获得611个平均长度7.65 kb的与纤维素降解相关的contig。通过基因注释和预测，共获得近200个（半）纤维素酶新基因（最大相似性29~72%），且其中大量功能基因及其转运子以操纵子或基因簇形式存在，反应了白蚁肠道菌对木质纤维素降解通路基因具有潜在的高效转录调控和利用机制。此外，通过与同行的密切合作，一个来自包含四个木聚糖酶基因簇的含有全新Big domain的木聚糖酶的三维结构也已得到解析，为Big domain在GH中的作用提供参考。本研究在探究高等食木白蚁肠道菌高效降解木质纤维素机理的同时，获得大量具有潜在工业应用价值的纤维素酶新颖基因，也为进一步研究其进化机理以及分析纤维素酶结构与功能的关系提供丰富的研究素材。