近日,上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院陳捷教授團隊在Journal?of?Environmental?Management在線發(fā)表了題為Co-cultivation of T. asperellum GDFS1009 and B. amyloliquefaciens 1841:Strategy to regulate the production of ligno-cellulolytic enzymes for the lignocellulose biomass egradation.該論文揭示了棘孢木霉-解淀粉芽孢桿菌共培養(yǎng)技術(shù)提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)降解的新策略。
玉米、水稻、小麥等農(nóng)作物秸稈如何實現(xiàn)廢棄物資源化高效利用是提高循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重大課題之一。農(nóng)作物秸稈的微生物酶解是其資源化利用的主要技術(shù)途徑,但作物秸稈微生物酶解效率低是秸稈還田和生物燃料工業(yè)化生產(chǎn)的主要難題,其中如何提高作物秸稈木質(zhì)纖維素降解效率是研究的重點。微生物產(chǎn)生的FPAase CMCase pNPCase、?pNPGase和木聚糖酶等是水解木質(zhì)纖維素的主要酶系,其中里氏木霉(Trichoderma reesei)纖維素酶高效生產(chǎn)技術(shù)的研究最為普遍,但通過多種微生物共培養(yǎng)技術(shù)提高木霉木質(zhì)纖維素酶的生產(chǎn)水平尚無人研究。本文首次報導了棘孢木霉(T. asperellum)GDFS1009?和解淀粉芽孢桿菌(Bacillus ?amyloliquefaciens)1841共培養(yǎng)技術(shù)可顯著提高木質(zhì)纖維素酶系產(chǎn)生效率,進而提高了對作物秸稈木質(zhì)纖維的降解水平。本研究首先通過順序接種法(TB2)攻克了兩種微生物共培養(yǎng)過程中平衡生長的難題;與單一培養(yǎng)相比,棘孢木霉-解淀粉芽孢桿菌的共培養(yǎng)(TB2)明顯提高了木霉木質(zhì)纖維素酶系合成調(diào)控因子xyr1、?ace2、ace3、?hap2/3/5 、lae1、?vel1和bgl1 基因轉(zhuǎn)錄表達,進而誘導了木霉木質(zhì)纖維素水解酶基因cbh1, cbh2, egl1, egl2和?bgl1的高效表達。通過響應(yīng)面設(shè)計建立了糖蜜、玉米粉和稻谷糠為主要成分的共生培養(yǎng)基的優(yōu)化模式(T=?0.961+12.922A+8.706B+13.170C-2.8292AA-1.8342BB-1.9805CC-0.2900AB-0.4100AC-0.2925BC:TB=?58.41+35.082A+23.647B+35.731C-7.6805AA-4.9742BB-5.3717CC-0.793AB- 1.110AC-0.803BC),共培養(yǎng)所生產(chǎn)的酶液對玉米、稻草和小麥秸稈降解釋放葡萄糖水平明顯超過單一木霉菌培養(yǎng)液的水平。 總之,通過解淀粉芽孢桿菌通過與棘孢木霉的代謝互作提高了木霉木質(zhì)纖維素酶系統(tǒng)調(diào)控基因表達水平,實現(xiàn)在不同條件下連續(xù)生產(chǎn)纖維素酶和木聚糖酶的目標,為作物秸稈木質(zhì)纖維素高較轉(zhuǎn)化為生物燃料的葡萄糖奠定了基礎(chǔ)。因此,棘孢木霉-解淀粉芽孢桿菌共培養(yǎng)技術(shù)有望發(fā)展成為作物秸稈轉(zhuǎn)化為生物燃料的工業(yè)發(fā)酵新技術(shù)。
上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院博士后Valliappan Karuppiah為論文的第一作者,上海交通大學特聘教授陳捷為論文的通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2017YFD0201108)、國家自然科學基金(No. 31872015;31672072); 上海市科技攻關(guān)項目(No.18391902400)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項基金(CARS-02)等項目的資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113833
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