Page 41 - 《华中农业大学学报》2024年第4期
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第43卷 第4期                          华  中   农   业  大   学  学   报                        Vol.43    No.4
               2024年    7月                   Journal  of  Huazhong  Agricultural  University    July 2024，33~40

               刘亮，杨金水，黄娅茹，等.微生物种群间分工协作在木质纤维素转化中的研究进展［J］.华中农业大学学报，2024，43（4）：33⁃40.
               DOI：10.13300/j.cnki.hnlkxb.2024.04.005

                    微生物种群间分工协作在木质纤维素转化中的研究进展


                                   刘亮，杨金水，黄娅茹，姜婷婷，余启军，袁红莉


                     中国农业大学生物学院/畜禽生物育种全国重点实验室/农业农村部土壤微生物学重点实验室，北京 100193

                       摘要  联合生物加工被认为是木质纤维素转化的最理想形式，虽然通过代谢工程改造可以基于单一菌株实
                   现联合生物加工，但过高的代谢压力导致菌株转化效率并不理想。为了系统认识微生物种间分工和实现联合生
                   物加工的理性设计，本文聚焦于天然木质纤维素降解菌群中的种间分工，从底物协同水解、营养因子交叉喂养和
                  “糖骗子”限制的角度综述了目前物种间的分工协作模式，介绍了物种分工在木质纤维素转化中的应用，以及天
                   然木质纤维素菌群中种间分工研究的挑战和未来发展方向，为联合生物加工菌群的构建提供设计原则，推动木
                   质纤维素的高效转化。
                       关键词  微生物菌群； 种间分工； 木质纤维素转化； 联合生物加工； 人工菌群
                       中图分类号  X172                       文献标识码     A              文章编号  1000-2421（2024）04-0033-08

                   在自然界中，微生物多聚集在一起形成微生物                         向目标产物的转化可以有效降低成本，提高转化效
                   ［1］
               群落 。相较于独立存在的微生物，群落中不同物种                          率，这一过程也被称为联合生物加工（consolidated
                                                                                 ［13］
               通过分工协作，不仅可以实现稳定共存，而且在稳定                          bioprocessing，CBP） 。目前 CBP 的实现主要基于
                                                 ［2］
               性、鲁棒性和功能性方面具有明显优势 。当前，大                          单一菌株和菌群策略。其中单一菌株策略可以利用
               量组学研究表明天然微生物群落在复杂底物的转                            天然菌株的多糖水解和发酵能力，也可以通过代谢
                 ［3］
               化 、动植物健康       ［4-5］ ，以及食品的工业生产中        ［6-7］ 发  工程改造在木质纤维素降解菌中表达溶剂合成途径
               挥重要功能。受到天然菌群中高效种间分工的启                            的相关基因，或者在溶剂合成菌株中表达木质纤维
               发，众多研究者致力于构建人工菌群，以期实现复杂                          素水解相关的酶类。然而，单一菌株策略往往面临
               底物的高效转化        ［8］ 。然而，人工菌群的不稳定性制                一些局限，如菌株分泌的酶的种类有限，只能水解木
               约了它们在工业生产中的应用。因此，阐明天然菌                           质纤维素中的部分组分，难以实现木质纤维素的全
               群中不同物种间的分工协作，对于设计、构建可控                           组分利用。此外，经过代谢工程改造后的菌株需要
               的合成菌群以实现廉价生物质的高效转化具有重                            面临较高的代谢压力，导致难以获得理想的转化效
               要意义。                                             率。相比之下，菌群策略是将产酶、发酵等代谢任务
                   木质纤维素是地球上储量最丰富的生物质原                          分配到不同物种中，利用物种间的分工协作，不仅可
                                            ［9］
               料，同时也是最复杂的大分子物质 。将木质纤维素                          以获得更为丰富的酶系和更广泛的底物利用范围，
               转化为乙醇、丁醇等燃料，对于缓解环境和能源危机                          还可以降低单一菌株的代谢压力，避免复杂的代谢
               具有重要意义      ［10］ 。木质纤维素的转化通常包括预处                 工程改造，实现木质纤维素的高效降解                ［2，14］ 。尽管大
               理、产酶、糖化、发酵等过程，但这一复杂的转化过程                         量研究通过构建菌群进行木质纤维素的联合生物加
               也导致了过高的成本，使得生物质燃料在市场中缺                           工，但群落结构和功能的稳定性并不理想                 ［15］ ，这也限
               乏竞争力    ［11-12］ 。因此，简化转化过程、降低转化成本                制了菌群在实际生产中的应用。造成上述问题的主
               以及提高转化效率是目前木质纤维素大规模转化所                           要原因是目前菌群的构建主要利用水解菌株为发酵
               面临的主要问题。随着研究的深入，研究者发现将                           菌株提供碳源的单向代谢联系              ［16-18］ ，缺乏对物种间
               产酶、糖化和发酵过程整合，一步化实现木质纤维素                          协同分工的系统设计。与人工构建的菌群相比，天

               收稿日期：2024 ⁃ 05 ⁃ 31
               基金项目：畜禽生物育种全国重点实验室开放课题（2024SKLAB6-7）
               刘亮，E-mail： liuliang@cau.edu.cn
               通信作者： 袁红莉，E-mail： hlyuan@cau.edu.cn
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