褐腐真菌松生擬層孔菌對(duì)木材的缺氧腐蝕

研究簡(jiǎn)介：森林作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其微生物群落對(duì)碳循環(huán)起著關(guān)鍵作用。真菌作為主要的木質(zhì)素纖維素分解者，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)存和循環(huán)至關(guān)重要。以往的研究主要集中在有氧條件下的木材降解機(jī)制，而對(duì)于缺氧環(huán)境下的木材降解了解甚少。本研究旨在填補(bǔ)這一知識(shí)空白，探索真菌在缺氧條件下的木材降解能力。研究團(tuán)隊(duì)從丹麥的斯滕肖爾特森林中采集了不同腐爛階段的云杉木材樣本，并使用針式氧氣傳感器測(cè)量了木材內(nèi)部的氧氣濃度。通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)鑒定了參與木材降解的真菌及其分泌的酶類。此外研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中模擬了自然環(huán)境中的氧氣梯度，通過固態(tài)培養(yǎng)技術(shù)觀察松生擬層孔菌在有氧和無氧條件下的生長(zhǎng)和木材降解能力，并利用13C固體核磁共振技術(shù)分析了木材細(xì)胞壁成分的變化。本研究深入探討了褐腐真菌松生擬層孔菌（Fomitopsis pinicola）在缺氧條件下對(duì)木材的降解機(jī)制。研究人員通過在自然環(huán)境中對(duì)木材樣本進(jìn)行實(shí)地采樣，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的體外實(shí)驗(yàn)，揭示了松生擬層孔菌在完全缺氧環(huán)境下依然能夠生長(zhǎng)并分解木材的現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)知，即這類真菌僅在有氧條件下才能有效降解木材。本研究不僅增進(jìn)了我們對(duì)自然環(huán)境中木質(zhì)素纖維素降解機(jī)制的理解，還為開發(fā)基于生物的厭氧過程提供了新的思路。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解森林生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的復(fù)雜性具有重要意義，并可能為開發(fā)新的生物技術(shù)應(yīng)用，如生物燃料生產(chǎn)和生物降解材料的開發(fā)。

Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極被用于測(cè)量木材內(nèi)部的氧氣濃度梯度，以探究褐腐真菌松生擬層孔菌（Fomitopsis pinicola）在缺氧條件下的生長(zhǎng)和木材降解能力。使用Unisense微電極測(cè)量了不同腐爛階段的云杉木材內(nèi)部的氧氣濃度。這些木材樣本采集自丹麥的斯滕肖爾特森林，通過針式氧氣傳感器，研究人員能夠穿透木材表面，測(cè)量從外部到內(nèi)部的氧氣濃度變化，驗(yàn)證真菌在缺氧條件下的生長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過在北方森林中對(duì)腐爛的軟木進(jìn)行的全面研究，揭示了褐腐真菌Fomitopsis pinicola能夠在缺氧條件下生長(zhǎng)并降解木材。研究發(fā)現(xiàn)，在無氧條件下，該真菌分泌了一整套糖苷水解酶和碳水化合物酯酶，能夠降解軟木中的木聚糖和甘露聚糖。固體核磁共振光譜學(xué)證實(shí)了在無氧培養(yǎng)過程中，這兩種半纖維素含量顯著減少，并且真菌合成了自身的細(xì)胞壁多糖，如β-1,3-葡聚糖和幾丁質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)為褐腐真菌基因組中保留植物細(xì)胞壁降解酶（PCWDEs）提供了功能性的解釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，松生擬層孔菌能夠在完全缺氧的條件下生長(zhǎng)，并且能夠有效地降解木材中的植物細(xì)胞壁多糖。在缺氧條件下，該真菌分泌了一系列植物細(xì)胞壁活性酶，這些酶能夠降解木材中的纖維素、半纖維素和果膠。通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在缺氧條件下，松生擬層孔菌分泌的酶類與有氧條件下的分泌物存在顯著差異，特別是在缺氧條件下，真菌分泌了更多種類的糖苷水解酶和碳水化合物酯酶。

圖1、對(duì)不同木材深度處的真菌及其酶的代謝組學(xué)鑒定。a)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總結(jié)。所有蛋白質(zhì)提取均與樣本平行進(jìn)行，每個(gè)樣本有三個(gè)獨(dú)立重復(fù)。圖片使用Inkscape繪制。b)不同腐爛年齡的Picea abies木材中的O?濃度。測(cè)量在40毫米深度之前停止，無法進(jìn)一步穿透木材。3年腐爛的木材不夠松軟，無法讓氧氣探測(cè)器穿透。c)從樣本中提取的真菌蛋白的分類歸屬。d)樣本中分泌的碳水化合物活性酶（CAZymes）的普遍性。

圖2、對(duì)不同木材深度處的真菌及其酶的代謝組學(xué)鑒定。a)模擬真菌在從樹干表面到內(nèi)部（從有氧到缺氧）的整個(gè)徑向梯度的固態(tài)培養(yǎng)設(shè)置，允許非侵入式測(cè)量頂部（藍(lán)色貼片）和底部（白色貼片）的O?濃度。b)在頂部（藍(lán)色）和柱底（白色）測(cè)量的O?濃度，分別代表空氣-木材界面和柱底的O?濃度。c)在有氧和缺氧條件下，松木上的Fomitopsis pinicola的固態(tài)培養(yǎng)。

圖3、富松木在缺氧條件下腐爛的固體核磁共振13c。a）76–91和58–68 ppm區(qū)域的30 ms CP-PDSD13C NMR譜的疊加，顯示了xylan Xn4-Xn5和mannan M4-M6的交叉峰。b）左側(cè)為82–92和58–70 ppm區(qū)域的30 ms CP-PDSD13C NMR譜，右側(cè)為52–70和98–110 ppm區(qū)域。

圖4、常氧和缺氧條件下pinicola Fomitopsis的蛋白質(zhì)組學(xué)分析。a）在有氧（藍(lán)色）和缺氧（黑色）條件下差異產(chǎn)生的真菌蛋白，按倍數(shù)變化排序，并顯示在相應(yīng)條件下的相對(duì)豐度（%NSAF）。NSAF：歸一化光譜豐度因子，GH：糖苷水解酶，DUF：未知功能域。b）在缺氧條件下差異分泌的CAZyme家族及其在纖維素、半纖維素和果膠中的目標(biāo)鍵。

圖5、圖解模型說明了在缺氧條件下，平孔擬南芥在木材中的滲透。展示了褐腐真菌如何在缺氧條件下穿透木材。研究數(shù)據(jù)表明，從有氧條件下的芬頓化學(xué)介導(dǎo)的木材降解轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖鯒l件下的PCWDE（植物細(xì)胞壁降解酶）驅(qū)動(dòng)的水解分解。與褐腐真菌的分階段降解機(jī)制一致。

結(jié)論與展望

本研究通過在北方森林中對(duì)腐爛的軟木進(jìn)行的全面研究，揭示了褐腐真菌Fomitopsis pinicola能夠在缺氧條件下生長(zhǎng)并降解木材。研究發(fā)現(xiàn)，在無氧條件下，該真菌分泌了一整套糖苷水解酶和碳水化合物酯酶，能夠降解軟木中的木聚糖和甘露聚糖。固體核磁共振光譜學(xué)證實(shí)了在無氧培養(yǎng)過程中，這兩種半纖維素含量顯著減少，并且真菌合成了自身的細(xì)胞壁多糖，如β-1,3-葡聚糖和幾丁質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)為褐腐真菌基因組中保留植物細(xì)胞壁降解酶（PCWDEs）提供了功能性的解釋。研究還提出了一個(gè)機(jī)制，解釋了真菌如何在氧氣有限或缺失的木材區(qū)域中穿透和定殖。在腐朽的初期階段，植物多糖的分解是通過芬頓化學(xué)和有限的PCWDEs的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。隨著腐朽的進(jìn)行，真菌的生長(zhǎng)繼續(xù)深入基質(zhì)，直到達(dá)到一個(gè)“臨界”的氧氣濃度，這會(huì)減緩并最終停止芬頓化學(xué)介導(dǎo)的腐朽。在木材的更深處，PCWDEs成為植物多糖分解的主要貢獻(xiàn)者。Unisense微電極在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過精確測(cè)量木材內(nèi)部的氧氣濃度梯度，為研究松生擬層孔菌在缺氧條件下的生長(zhǎng)和降解能力提供了重要數(shù)據(jù)支持。這些測(cè)量結(jié)果不僅幫助研究人員更好地理解了真菌在自然環(huán)境中的適應(yīng)性，還為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析提供了科學(xué)依據(jù)