【科研进展】卫亚红团队揭示菌株Erwinia billingiae QL-Z3降解木质素的分子机理

近日，天堂岛专线线路一二卫亚红团队揭示了菌株 Erwinia billingiae QL-Z3降解木质素的分子机理。相关论文以 “Lignin bioconversion based on genome mining for ligninolytic genes in  Erwinia billingiae QL-Z3”为题，发表在生物工程与应用微生物领域知名期刊《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。博士研究生赵姝婷为论文第一作者，黄丽丽教授和卫亚红副教授为该论文的通讯作者。

木质素是自然界中含量最丰富的芳香族化合物，与纤维素和半纤维素构成植物骨架的主要成分。木质素的不易降解特性是生物质能源利用的关键瓶颈之一，同时木质素也是木材水解工业和造纸工业的副产物。与化学和物理方法相比，生物降解木质素的过程被认为是环保、经济有效和可持续的。因此，寻找高效的木质素降解菌株越来越被认为是木质纤维素生物质生物预处理的有效方法。

该研究以中国秦岭土壤样品中分离所得木质素降解细菌 Erwinia billingiae QL-Z3为供试菌株，通过优化发现该菌株在以1.5 g/L木质素为唯一碳源时，其木质素降解率为25.24%。全基因组测序结果显示，QL-Z3基因组包含了丰富的木质素降解基因。实时荧光定量PCR结果表明，木质素可显著诱导木质素降解基因的表达；进一步构建了8个敲除突变体和回补菌株，发现基因的破坏显著降低菌株47-69%的木质素降解活性；傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果表明，在基因编码的6种酶的作用下，木质素结构被破坏，大分子苯环结构和基团被打开，化学键断裂。通过液相色谱-质谱（LC-MS）系统分析了EDYP_48、ELAC_205和ESOD_1236丰富的酶代谢产物，推测了木质素的降解途径。通过正交优化，发酵上清液中木质素降解酶LiP、MnP和Lac的活性分别为367.50 U/L、839.50 U/L和219.00 U/L。总之，通过转录组学和代谢组学分析，利用正交优化、qPCR、基因敲除、异源表达等手段，鉴定了木质素降解相关候选基因，分析了酶解产物对木质素降解的影响及其机理，初步明确了其木质素的生物降解途径。菌株QL-Z3降解木质素涉及多种氧化酶，是木质素和木质素纤维素酶的理想来源，是植物细胞壁/生物质水解的良好候选菌株。菌株QL-Z3具有显著的木质素生物转化生物增值潜力，该研究为木质素转化为高价值生物制品提供了新的见解。

另外，研究团队近年来在木质素的微生物降解领域开展了系统的研究，已授权相关发明专利2件：卫亚红等. 一种提高木质素降解菌降解性能的方法. 专利号ZL202310542732.2，授权公告日：2023年7月25日；卫亚红等. 一种欧文氏菌中漆酶基因敲除的方法. 专利号ZL202311287810.5，授权公告日：2023年12月19日。

上述研究得到了陕西省重点研发项目、陕西省农业关键核心技术攻关项目、科技部国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项和咸阳市重大科技创新专项的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1186/s13068-024-02470-z

编辑：黄海瀛

终审：王   存