Synergetic effect of fungal pretreatment and lignin modification on delignification and saccharification: a case study of a natural lignin mutant in mulberry
- 作者
- James Paul T. Madigal, Masami Terasaki, Masatsugu Takada, Shinya Kajita
- 单位
- Department of Biological Sciences, College of Arts and Sciences, Mariano Marcos State University; Graduate School of Bio-Applications and Systems Engineering, Tokyo University of Agriculture and Technology
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels and Bioproducts（2025）
- DOI
- 10.1186/s13068-025-02611-y
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素生物炼制中，预处理和木质素结构是顽固性的主要瓶颈；是否将真菌预处理与木质素修饰（特别是CAD缺失）结合能提高脱木质素和糖化效率尚不清楚。
研究策略
利用桑树天然CAD突变体（cad/cad纯合子）与杂合子（CAD/cad）木材，比较三种白腐菌（Phanerochaete chrysosporium, Ceriporiopsis subvermispora, Trametes versicolor）预处理后的脱木质素、化学成分变化及酶解糖化效率。
核心内容
该研究以桑树天然肉桂醇脱氢酶（CAD）基因突变体为对象，探讨CAD功能缺失与白腐菌预处理对脱木质素和酶解糖化的协同效应。纯合子（cad/cad）木材Klason木质素含量为22.2%，显著低于杂合子的24.9%，S/G比也由1.39降至0.91，表明木质素结构发生明显改变。比较三种白腐菌预处理效果后发现，选择性脱木质素真菌Ceriporiopsis subvermispora对CAD缺陷木素降解增强最显著，纯合子脱木质素效率达27.6%，高于杂合子的23.3%，选择性指数由3.7提升至6.5。经该菌预处理后，纯合子木材酶解葡萄糖得率最高，糖化效率达78%，远超Trametes versicolor处理的53%。同时，真菌处理使纯合子硫代酸解二聚体总量降低23–54%，高于杂合子的5–43%，证实结构改变提升了木质素对真菌降解的敏感性。研究表明CAD缺失与选择性脱木质素真菌预处理存在正向协同，可有效提升木质纤维素生物炼制效率。
创新点
['首次评估CAD基因功能缺失与真菌预处理组合对脱木质素及糖化的协同效应', '使用天然桑树CAD突变体，证明木素结构改变（含肉桂醛β-O-4结构）对真菌降解敏感性的影响', '揭示了选择性脱木质素真菌（C. subvermispora）对CAD缺陷木素的降解显著增强']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 桑树（Morus spp.） | 木质素生物合成 | CAD1 | 肉桂醇脱氢酶 (CAD) | 催化 | CAD1基因功能缺失导致木质素结构改变（含肉桂醛β-O-4结构），纯合子表现为红心材 |
| Phanerochaete chrysosporium | 木质素降解 | — | 木质素过氧化物酶等 | 催化 | 白腐菌，同时降解纤维素和木质素，脱木质素效率最高 |
| Ceriporiopsis subvermispora | 木质素降解 | — | 漆酶、锰过氧化物酶等 | 催化 | 选择性脱木质素白腐菌，对CAD缺陷木素降解显著增强 |
| Trametes versicolor | 木质素降解 | — | 漆酶等 | 催化 | 白腐菌，脱木质素能力较低，糖化效果较差 |
关键发现
- ['纯合子（cad/cad）木材的Klason木质素含量为22.2%，显著低于杂合子（24.9%）
- 酸溶木质素低17%', '纯合子S/G比为0.91，显著低于杂合子的1.39
- 硫代酸解单体总量低14%（1505.2 vs 1762.5 μmol/g木质素）', 'C. subvermispora预处理后纯合子脱木质素效率为27.6%，显著高于杂合子的23.3%（P=0.003）', 'C. subvermispora处理的选择性指数（SI）在杂合子和纯合子分别为3.7和6.5，表明选择性脱木质素效果显著', '纯合子木材经C. subvermispora预处理后葡萄糖得率最高，糖化效率达78%（以纤维素为基准），显著高于TV预处理（53%）', '纯合子木质素分子量（Mw）下降幅度在P. chrysosporium预处理后为35%，杂合子为27%', '硫代酸解二聚体总量在真菌预处理后纯合子降低23-54%，高于杂合子的5-43%']
研究结论
CAD缺陷促进了真菌预处理中的脱木质素和后续酶解糖化，尤其与选择性脱木质素真菌C. subvermispora联用时效果最佳，可提高木材生物炼制效率；但系统条件仍需优化。