密孔菌降解木材效应存在着保守的酶解反应机制

 

研究背景

担子菌在木材分解方面具有重要的意义,大部分能够降解木材的物种都属于担子菌。白腐菌是属于担子菌亚门的真菌，因腐朽木材呈白色而得名。白腐菌是生物界中一类奇特的丝状真菌，是能够降解木材主要成分(纤维素、木质素和半纤维素)的微生物之一，它们对各种异生物质具有独特降解能力和降解机制。白腐菌对木质纤维素的降解很大程度上是一个复杂的酶学过程，需要一系列的水解和氧化酶的协同作用来完成，而且不同的白腐菌对不同的木质纤维素的降解程度也差异甚大。

 

 

研究方法和思路

选取四种不同地理分布的担子菌门/密孔菌属真菌（P.coccineus、P.sanguineusand、P. puniceus、P.cinnabarinus）研究其在不同类型的纤维素基质下相关酶的代谢情况。通过设置不同碳素培养基：麦芽糖（对照）、秸秆、松木、杨木，模拟对自然界中不同材质的木材的分解能力。探究Pycnoporus属在基因组、转录组、分泌蛋白组层面的共性和差异性，以期找出它们在木质纤维素降解上存在的共性机制。

 

 

研究结果

1、基因组测序和组装

分别对P.coccineus、P.sanguineusand、P. puniceus、P.cinnabarinus的基因组进行测序和组装，四种真菌基因组大小差异不大，编码基因组的数量上也比较接近。

测序平台和组装方法

 

2、4种Pycnoporus真菌具有相似的碳水化合物活性酶家族 (CAZYme)

对Pycnoporus真菌和其他木材降解真菌中的CAZyme基因含量的进行比较分析。4种Pycnoporus菌中CAZyme基因数量非常相似（平均436个CAZymes,分成108家族），并且和细胞壁降解相关的酶与其他真菌相似。说明在白腐菌中碳水化合物活性酶参与的作用模式比较接近。

与褐腐菌相比，白腐菌含有更高比例的PCW（植物细胞壁）降解活性相关的CAZymes和FCW（真菌细胞壁）降解活性相关的CAZymes，这也是白腐菌与褐腐菌降解木质纤维素的能力不同的重要原因。

 

3、Pycnoporus属间对不同木质纤维素基质响应存在差异性

利用OrthoFinder 构建物种间保守的1:1直系同源基因，作为4个物种的保守基因。从转录组和蛋白组两个方面研究Pycnoporus在不同基质下基因表达差异和分泌蛋白表达差异。结果表明：在不同的基质下，物种间保守的直系同源基因表达水平存在明显差异。同一基质下，三种菌上调表达和下调表达的基因差异明显，但是三种菌在不同基质下的基因表达趋势基本一致。

 

 

4、物种间共同调控基因表明存在酶协同作用

通过转录组研究发现，在各个物种中纤维二糖脱氢酶（CDH）和AA9溶解性多糖单氧酶基因在纤维素培养基中均上调表达，且与这些基因组对应的分泌蛋白也均被检测到，表明存在纤维素代谢中存在着纤维二糖脱氢酶和AA9溶解性多糖单氧酶协同作用。另外，同时存在产过氧化氢酶和耗过氧化氢酶协同作用。

总结

本文通过比较基因组，转录组和蛋白组等多组学方法对担子菌门下的密孔菌属的真菌进行研究，发现它们在木材降解反应中存在着一些保守的酶学反应特征，包括产过氧化氢酶和耗过氧化氢酶协同作用，纤维二糖脱氢酶和AA9溶解性多糖单氧酶协同作用。

 

点评

文章中基因组测序平台有二代也有三代，从基因组组装角度来说组装效果并不好，不过从BUSCO完整性来看都在95%以上，说明基因组组装还算完整，所以本研究在基因组比较上着墨不多。如果基因组组装效果更好一些，可以进一步升华一下同属下基因组共线性方面的研究，比如共有或特有的基因簇，或者基因簇间PAV分析等。

我们知道担子菌门分解木材主要是与纤维素相关的水解酶和氧化酶起着关键作用。因此文章整体思路比较明确，从纤维素代谢相关的这些水解酶和氧化酶方面着手，通过比较属间这一系列酶的异同和相关基因表达模式的异同，寻找出规律，最终得出结论。担子菌门是比较重要的一类真菌门，涉及到担子菌门下的真菌基因组测序比较多，本文的研究对今后的这一类真菌基因组研究有一定的参考意义。