Regulation of cellulose production via calcium signaling in Trichoderma reesei under PEG8000 stress
- 作者
- Shuai Liu, Lin Quan, Mei Yang, Dan Wang, Yong-Zhong Wang
- 单位
- Key Laboratory of Biorheological Science and Technology (Chongqing University), Ministry of Education, College of Bioengineering, Chongqing University; School of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2024）
- DOI
- 10.1007/s00253-023-12901-w
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示聚乙二醇8000（PEG8000）胁迫下里氏木霉（Trichoderma reesei）纤维素酶生物合成的调控机制，并寻找可提高纤维素酶产量新型诱导剂。
研究策略
以里氏木霉CICC2626为研究对象，通过添加不同浓度PEG8000，测定纤维素酶活、胞外蛋白、生物量及纤维素酶基因转录水平；结合转录组分析、钙信号抑制剂（LaCl3、EGTA）处理及crz1基因敲除，验证钙信号通路在PEG8000诱导纤维素酶表达中的关键作用。
研究路线图
核心内容
该研究以里氏木霉CICC2626为对象，探究PEG8000胁迫下纤维素酶合成的调控机制。结果显示，在1.5% PEG8000条件下，总纤维素酶、内切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶活性分别达5.4、10.9和4.9 U/mL，较对照组提高约1.3倍，胞外蛋白浓度为对照的1.7倍，egl1和cbh1转录水平分别上调4.9倍和5.6倍。转录组分析发现3850个差异表达基因中2081个上调，钙信号通路基因plc-e、cam、can、crz1均显著上调。使用钙信号抑制剂LaCl3或EGTA后，酶活和蛋白浓度较仅加PEG8000组降低73.74%-87.01%，而crz1敲除菌株中PEG8000的诱导效果也大幅减弱，证实钙信号通路在PEG8000介导的纤维素酶基因上调中起主导作用。该研究首次提出PEG8000可作为新型诱导剂，其通过诱导细胞质钙离子爆发、激活钙调磷酸酶-Crz1信号级联来促进纤维素酶基因转录，为纤维素酶生产提供了新的调控策略和理论依据。
创新点
['首次提出PEG8000可作为里氏木霉纤维素酶生产的新型诱导剂，并阐明其通过钙信号通路调控纤维素酶基因过表达的机制', '发现PEG8000能够诱导里氏木霉细胞质钙离子爆发，并激活钙调磷酸酶-Crz1信号级联', '通过钙信号抑制剂和crz1敲除实验证明了钙信号通路在PEG8000介导的纤维素酶基因上调中的主导作用']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trichoderma reesei CICC2626 | 纤维素降解 | egl1 | 内切葡聚糖酶I | 催化 | 受PEG8000诱导显著上调，转录水平最高达对照的4.9倍 |
| Trichoderma reesei CICC2626 | 纤维素降解 | cbh1 | 纤维二糖水解酶I | 催化 | 受PEG8000诱导显著上调，转录水平最高达对照的5.6倍 |
| Trichoderma reesei CICC2626 | 钙信号通路 | crz1 | 钙调磷酸酶响应锌指转录因子Crz1 | 调控 | 编码钙信号通路下游转录因子，敲除后PEG8000诱导的纤维素酶基因表达显著降低 |
| Trichoderma reesei CICC2626 | 钙信号通路 | plc-e | 磷脂酶C | 调控 | 催化产生IP3，调节胞内钙库释放钙离子，PEG8000处理后log2倍数上调3.29 |
| Trichoderma reesei CICC2626 | 钙信号通路 | cam | 钙调蛋白 | 调控 | 与钙离子结合后激活下游钙调磷酸酶，PEG8000处理后log2倍数上调2.78 |
| Trichoderma reesei CICC2626 | 钙信号通路 | can | 钙调磷酸酶 | 调控 | 去磷酸化并激活Crz1，PEG8000处理后log2倍数上调2.19 |
关键发现
- 在1.5%（w/v）PEG8000条件下，里氏木霉CICC2626的总纤维素酶（FPase）、内切葡聚糖酶（CMCase）和β-葡萄糖苷酶活性分别达到5.4 U/mL、10.9 U/mL和4.9 U/mL，比对照组提高1.3倍、1.2倍和1.3倍
- 胞外蛋白浓度最高为0.5 mg/mL，是对照组的1.7倍
- 最大生物量13.6 g/L，为对照组的1.9倍
- egl1和cbh1转录水平分别上调4.9倍和5.6倍。商业纤维素酶与粗酶液协同水解碱预处理稻草时，还原糖浓度达到372.7 mg/g，纤维素含量由初始的62.5%（1.88 g）降至22.7%（0.32 g）。转录组分析显示，3850个差异表达基因中2081个上调、1769个下调，其中12个木质纤维素降解相关基因显著上调
- 钙信号通路相关基因plc-e、cam、can、crz1均显著上调（log2倍数分别为3.29、2.78、2.19、2.58）。加入LaCl3或EGTA阻断钙信号后，FPase、CMCase、β-葡萄糖苷酶活性和蛋白浓度较仅加PEG8000组降低73.74%-87.01%，egl1和cbh1转录水平降低75.72%-75.93%。在Δcrz1菌株中，WT+PEG8000组的FPase、CMCase、β-葡萄糖苷酶活性分别为Δcrz1+PEG8000组的1.6倍、1.7倍和1.7倍，egl1和cbh1转录水平为4.1倍和4.6倍。
研究结论
PEG8000通过诱导里氏木霉CICC2626细胞质钙离子浓度升高，激活钙信号通路（包括plc-e、cam、can、crz1），进而促进纤维素酶基因（egl1、cbh1等）的转录，最终提高纤维素酶产量。钙信号通路在PEG8000诱导的纤维素酶过表达中起主导作用，PEG8000可作为一种新型、安全、高效的纤维素酶生产诱导剂。