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    浙江大学在培菌白蚁降解木质纤维素机制的研究中取得重大突破

    日期 2017-05-23   来源:浙江大学 生命科学部   作者:莫建初 李鸿杰 赵桂玲  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(项目编号:31500528,31170611)等资助下,浙江大学昆虫科学研究所开展的培菌白蚁转化木质纤维素机制研究取得重要进展。相关研究成果以“Lignocellulose pretreatment in a fungus-cultivating termite”(培菌白蚁的木质纤维素预处理策略)为题于2017年4月19日在线发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA上。论文链接:http://www.pnas.org/content/early/2017/04/18/1618360114。该研究表明培菌白蚁系统具有惊人的木质素解聚效率和巨大开发潜力,得到了美国能源部等媒体的关注并进行了报道(https://www.glbrc.org/research/highlights/fungus-cultivating-termites-exhibit-strikingly-rapid-and-efficient-degradation)。李鸿杰博士和美国林业产物研究中心(USDA FPL)的Daniel J. Yelle博士为共同第一作者。莫建初教授和美国能源部大湖生物质研究中心(GLBRC)的John Ralph教授及Cameron R. Currie教授为通讯作者,浙江大学农业与生物技术学院昆虫科学研究所农业部农业昆虫学重点实验室为通讯作者单位。

      木质纤维素作为可再生原料,是人类未来理想的资源和能源。然而,植物细胞壁化学成分和结构复杂,其中高分子聚合物木质素作为纤维素和半纤维素等多糖组分的外部屏障,是目前制约木质纤维原料高效转化和利用的关键因素。白蚁是自然界木质纤维素的重要利用者,它们具有独特的高效转化木质纤维素的能力,其中培菌白蚁对木质纤维素的降解转化率更高达90%以上。因此,白蚁转化木质纤维素的机制一直受到世界科学家的广泛关注。浙江大学莫建初科研团队近年来在国际上率先突破培菌白蚁室内饲养技术的基础上,明确了培菌白蚁在食物处理过程中不同年龄个体的分工行为。同时,通过培菌白蚁巢内和肠道内共生微生物群落结构的研究,揭示了年轻工蚁和年老工蚁肠道细菌群落结构差异,阐明了培菌白蚁不同年龄工蚁与其共生微生物协同降解木质纤维素的过程机制(见图)。他们综合运用电镜观测、植物全胞壁二维核磁共振、热裂解气相色谱等技术对木质纤维素颗粒在培菌白蚁消化系统中的动态变化进行深入研究后,发现培菌白蚁的年轻工蚁可快速打开木质素的碳-碳化学键并利用半纤维素侧链上的糖作为食物,彻底解除多糖组分中纤维素和半纤维素的外部物理屏障,巢内菌圃上的真菌和细菌则将多糖组分剪切至更易降解利用的寡糖,年老工蚁取食富含寡糖的菌圃作为食物。该项研究从生物和化学维度首次揭示了亚洲和非洲热带与亚热带森林生态系统内培菌白蚁是如何与共生微生物协同高效转化和利用木质纤维素的机理。这一重要发现表明,自然生物系统转化生物质的效率远超过人们的预期,进一步对培菌白蚁及其共生微生物开展研究,对生物质资源化与能源化开发具有十分重要的意义。

    图. 培菌白蚁和共生微生物对木质纤维原料的加工和处理流程




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