Page 42 - 《华中农业大学学报》2024年第4期
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               然木质纤维素降解菌群具有更为复杂且精妙的种间                           多糖混合的底物分析了菌株 Bacteroides ovatus 和 B.
               分工，这种分工保证了菌群在结构和功能上的稳定                           thetaiotaomicron 的底物利用偏好性，发现单独培养
               性。因此，深入解析天然木质纤维素转化系统中的                           时，二者对多糖底物的利用偏好几乎一致，说明二者
               微生物种间分工机制，对于构建稳定的木质纤维素                           能够编码功能相同的碳水化合物活性酶。然而，当
               联合生物加工菌群具有重要指导作用。本文拟从底                           二者共培养时，菌株的底物利用偏好发生变化，B.
               物协同降解、营养因子交叉喂养，以及“糖骗子”抑制                         ovatus 优先利用了其偏好的多糖底物，而 B. thetaio⁃
               等角度综述天然木质纤维素降解菌群中种间分工协                           taomicron 只能利用余下的底物进行生长             ［22］ 。这种
               作的研究进展，旨在为联合生物加工菌群的构建提                           在底物利用上的等级划分保证了菌群对于底物最大
               供理论和技术依据，推动生物质资源的高效转化。                           程度的利用，但是造成上述层级利用的机制目前仍
                                                                有待揭示。
               1 木质纤维素降解中的物种分工
                                                                    在第 3 种种间分工水解中（图 1C），不同物种间
                   木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素                         同样存在功能基因冗余的现象，且在同一生境下，不
               组成。纤维素是由葡萄糖单元通过 β-1，4 糖苷键链                       同物种均分泌了功能冗余的碳水化合物活性酶。菌
               接形成的直链结构        ［19］ 。大部分半纤维素的主链由木               株 1 中分泌了木聚糖酶和阿拉伯呋喃糖苷酶，菌株 2
               糖通过 β-1，4糖苷键链接形成，在其主链上包含大量                       分泌了阿拉伯呋喃糖苷酶和半乳糖苷酶，而菌株 3则
               阿拉伯糖、半乳糖以及其他单糖形成的侧链                    ［20］ 。相   分泌了木聚糖和半乳糖苷酶，但是上述功能冗余的
               较于纤维素，半纤维素更容易诱导物种间形成复杂                           酶却在底物偏好性上存在巨大差异。菌株 1 的木聚
               的分工   ［21］ 。因此，本部分将重点探讨半纤维素降解                    糖酶偏向于水解不含有阿拉伯糖侧链的木聚糖主
               过程中存在的分工协作。                                      链，而菌株 3分泌的木聚糖酶需要识别阿拉伯糖侧链
               1.1 菌群中不同成员间水解模式的分工                              才能切割木聚糖主链。菌株 1 和 2 分泌的阿拉伯呋
                   物种间水解模式的分工主要分为 3 种形式（图                       喃糖苷酶分别水解通过 α-1，2和 α-1，3键与主链连接
               1）。在第 1 种形式中（图 1A），菌群中不同物种表达、 的阿拉伯糖侧链。在这种分工形式下，不同物种利
               分泌不同的碳水化合物活性酶，并负责底物中不同                           用 同 工 酶 间 的 精 细 差 异 完 成 了 生 态 位 的 分 化 。
               结构的水解。菌株 1分泌木聚糖酶，负责半纤维素主                         CAZy 数据库收录了不同家族的碳水化合物活性酶，
               链的水解。菌株 2分泌阿拉伯呋喃糖苷酶，负责水解                         但即使同一家族的酶也可能被划分到不同亚家族，
               通过 α-1，2 和 α-1，3 键与主链连接的阿拉伯糖侧链。 展现出不同的水解模式和活性                               ［23-24］ 。因此，即使根
               菌株 3则分泌半乳糖苷酶，负责水解与阿拉伯糖连接                         据宏基因组测序和序列相似性分析对菌群中碳水化
               的侧链。在这种情况下，3 类菌株对于底物的水解存                         合物活性酶进行家族归类，也很难准确定义蛋白的
               在先后顺序。菌株 2 对于阿拉伯糖侧链的水解依赖                         水解模式，这也阻碍了木质纤维素降解菌群中新型
               于菌株 3 对于半乳糖侧链的去除，而菌株 2 对于阿拉                      分工机制的发现。在后基因组时代，对环境和数据
               伯糖侧链的水解又为菌株 1 来源的木聚糖酶提供了                         库中大量的碳水化合物活性酶进行功能鉴定是挖掘
               更多的作用位点。3 类菌株通过分工协作可以高效                          种间分工协作机制的必要手段             ［25］ 。
               地降解底物。                                           1.2 菌群成员在底物转运中的分工
                   图 1B 展示了水解菌株间第 2 种水解模式的分                         除了底物水解层面的分工，在水解产物转运方
               工。菌群中不同物种基因组中包含了相同碳水化合                           面同样存在分工。以半纤维素为代表的结构性多糖
               物活性酶基因，菌株 1基因组中包含了木聚糖酶基因                         在水解后会产生不同结构的寡糖，这些寡糖在分子
               和阿拉伯呋喃糖苷酶基因，菌株 2中包含了阿拉伯呋                         质量、分支程度和糖单元组成上的差异导致了不同
               喃糖苷酶基因和半乳糖苷酶基因，而菌株 3中则包含                         菌株对不同寡糖的转运偏好性。如图 1D 所示，菌株
               了木聚糖酶基因和半乳糖苷酶基因。但是由于底物                           1 负责转运木糖和直链木寡糖，菌株 2 负责转运含有
               利用的偏好性，处于同一环境中的 3类菌株分别只表                         阿拉伯糖侧链的木寡糖，而菌株 3 则转运由木糖、阿
               达了木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶及半乳糖苷酶。 拉伯糖和半乳糖构成的寡糖，不同菌株通过胞内的
               这种碳水化合物活性酶基因的选择性表达能够有效                           糖苷酶完成对寡糖的水解。此外，由于菌株 2 和 3 不
               避免菌株间对于营养的竞争。近来，研究者利用 6种                         能利用木糖，胞内积累的木糖会被分泌到环境中，被
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