Characterization of four endophytic fungi as potential consolidated bioprocessing hosts for conversion of lignocellulose into advanced biofuels
- 作者
- Weihua Wu, Ryan W. Davis, Mary Bao Tran-Gyamfi, Alan Kuo, Kurt LaButti, Sirma Mihaltcheva, Hope Hundley, Mansi Chovatia, Erika Lindquist, Kerrie Barry, Igor V. Grigoriev, Bernard Henrissat, John M. Gladden
- 单位
- Biomass Science and Conversion Technologies, Sandia National Laboratories; Department of Energy Joint Genome Institute; CNRS, Aix-Marseille University, AFMB; Department of Biological Sciences, King Abdulaziz University; Joint BioEnergy Institute
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s00253-017-8091-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
评估四种内生真菌（Hypoxylon sp. C14A、EC38、CO27 和 Daldinia eschscholzii EC12）作为整合生物加工（CBP）宿主、将木质纤维素直接转化为先进生物燃料的潜力。
研究策略
对四种内生真菌进行全基因组测序与注释，挖掘其碳水化合物活性酶（CAZy）、木质素降解酶和萜烯合酶基因；在不同木质纤维素底物上培养，通过GC-MS分析挥发性有机物（VOCs）组成，并测定胞外纤维素酶（内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶）活性及酶谱。
核心内容
该研究系统评估了四种内生真菌——Hypoxylon sp. C14A、EC38、CO27 以及 Daldinia eschscholzii EC12——作为整合生物加工（CBP）宿主将木质纤维素直接转化为先进生物燃料的潜力。研究者通过全基因组测序和注释挖掘了碳水化合物活性酶（CAZy）与萜烯合酶基因，并在不同木质纤维素底物上培养真菌，结合GC-MS分析挥发性有机物（VOCs）组成及胞外纤维素酶活性。结果显示，四种真菌基因组大小为37.5–47.3 Mb，降解相关CAZy基因数达376–407个，比对照菌株粗糙脉孢菌多38%–50%，且均富含AA9、GH6/GH7纤维素酶及漆酶等氧化酶基因；共鉴定出26个萜烯合酶基因。Hypoxylon sp. C14A在Avicel上产生的萜烯占VOCs的63%，EC12的内切葡聚糖酶活性最高达450 U/g菌丝体，但均低于粗糙脉孢菌的相应酶活水平。该研究表明这些内生真菌兼具木质纤维素降解和产萜类燃料分子的能力，可作为CBP平台菌株的候选，但酶活与萜烯产量仍需进一步优化。
创新点
首次系统评估内生真菌的CBP潜力；将基因组挖掘与功能表征（VOC谱、纤维素酶活性）相结合，证明其兼具木质纤维素降解和产萜类燃料分子的能力。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Hypoxylon sp. C14A | 木质纤维素降解、萜烯生物合成 | GH5、GH6、GH7、AA9、漆酶、萜烯合酶等 | 内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、漆酶、萜烯合酶 | 催化 | 在Avicel上萜烯占比63%，内切葡聚糖酶活性47 U/g菌丝体 |
| Hypoxylon sp. EC38 | 木质纤维素降解、萜烯生物合成 | GH5、GH6、GH7、AA9、漆酶、萜烯合酶等 | 内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、漆酶、萜烯合酶 | 催化 | 基因组中降解CAZy基因数最多（407个）；在玉米秸秆上内切葡聚糖酶活性46 U/g菌丝体，β-葡萄糖苷酶活性33 U/g菌丝体 |
| Hypoxylon sp. CO27 | 木质纤维素降解、萜烯生物合成 | GH5、GH6、GH7、AA9、漆酶、萜烯合酶等 | 内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、漆酶、萜烯合酶 | 催化 | 柳枝稷上酮类占VOCs 38%，桉树粉上芳香类占31%；Avicel上内切葡聚糖酶活性129 U/g菌丝体 |
| Daldinia eschscholzii EC12 | 木质纤维素降解、萜烯生物合成 | GH5、GH6、GH7、AA9、漆酶、萜烯合酶等 | 内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、漆酶、萜烯合酶 | 催化 | Avicel上内切葡聚糖酶活性最高450 U/g菌丝体，外切葡聚糖酶94.62 U/g菌丝体，β-葡萄糖苷酶753 U/g菌丝体 |
| Neurospora crassa (FGSC #2489) | 木质纤维素降解 | GH5、GH6、GH7等 | 内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 作为对照，其Avicel上内切葡聚糖酶活性1075 U/g菌丝体，β-葡萄糖苷酶活性2486 U/g菌丝体 |
关键发现
- 四种内生真菌基因组大小为37.5–47.3 Mb，含约11,173–12,261个基因
- 降解相关CAZy基因数（GH、PL、CE、AA）为376–407个，比粗糙脉孢菌（271个）多38–50%
- 每个基因组含>26个AA9基因、4–5个GH7和2个GH6纤维素酶基因，以及9–10个漆酶、纤维二糖脱氢酶和过氧化物酶基因
- 共鉴定出26个萜烯合酶基因。VOC分析显示，Hypoxylon sp. C14A在Avicel上萜烯占比达63%，其他菌株在不同底物上产生1–13%烷烃/烯烃、最高38%酮类和31%芳香化合物。酶活方面，Daldinia EC12在Avicel上内切葡聚糖酶活性最高达450 U/g菌丝体，外切葡聚糖酶活性最高94.62 U/g菌丝体，β-葡萄糖苷酶活性最高753 U/g菌丝体
- 而N. crassa在Avicel上内切葡聚糖酶活性高达1075 U/g菌丝体，β-葡萄糖苷酶活性最高2486 U/g菌丝体。酶谱显示主要内切葡聚糖酶分子量在38–49 kDa，EC12另有62–98 kDa的酶。
研究结论
四种内生真菌富含木质纤维素降解酶和萜烯合成酶，能直接降解木质纤维素并产生以单萜和倍半萜为主的“mycodiesel”类VOCs，是开发CBP平台菌株的有前景候选菌株，但酶活和萜烯产量仍需进一步优化。