褐腐真菌松生拟层孔菌对木材的缺氧腐蚀

研究简介：森林作为地球生态系统的重要组成部分，其微生物群落对碳循环起着关键作用。真菌作为主要的木质素纤维素分解者，对森林生态系统中的碳储存和循环至关重要。以往的研究主要集中在有氧条件下的木材降解机制，而对于缺氧环境下的木材降解了解甚少。本研究旨在填补这一知识空白，探索真菌在缺氧条件下的木材降解能力。研究团队从丹麦的斯滕肖尔特森林中采集了不同腐烂阶段的云杉木材样本，并使用针式氧气传感器测量了木材内部的氧气浓度。通过蛋白质组学分析，研究团队鉴定了参与木材降解的真菌及其分泌的酶类。此外研究团队在实验室中模拟了自然环境中的氧气梯度，通过固态培养技术观察松生拟层孔菌在有氧和无氧条件下的生长和木材降解能力，并利用13C固体核磁共振技术分析了木材细胞壁成分的变化。本研究深入探讨了褐腐真菌松生拟层孔菌（Fomitopsis pinicola）在缺氧条件下对木材的降解机制。研究人员通过在自然环境中对木材样本进行实地采样，并结合实验室的体外实验，揭示了松生拟层孔菌在完全缺氧环境下依然能够生长并分解木材的现象，这一发现挑战了传统认知，即这类真菌仅在有氧条件下才能有效降解木材。本研究不仅增进了我们对自然环境中木质素纤维素降解机制的理解，还为开发基于生物的厌氧过程提供了新的思路。这些发现对于理解森林生态系统中碳循环的复杂性具有重要意义，并可能为开发新的生物技术应用，如生物燃料生产和生物降解材料的开发。

Unisense微电极研究系统的应用

Unisense微电极被用于测量木材内部的氧气浓度梯度，以探究褐腐真菌松生拟层孔菌（Fomitopsis pinicola）在缺氧条件下的生长和木材降解能力。使用Unisense微电极测量了不同腐烂阶段的云杉木材内部的氧气浓度。这些木材样本采集自丹麦的斯滕肖尔特森林，通过针式氧气传感器，研究人员能够穿透木材表面，测量从外部到内部的氧气浓度变化，验证真菌在缺氧条件下的生长。

实验结果

通过在北方森林中对腐烂的软木进行的全面研究，揭示了褐腐真菌Fomitopsis pinicola能够在缺氧条件下生长并降解木材。研究发现，在无氧条件下，该真菌分泌了一整套糖苷水解酶和碳水化合物酯酶，能够降解软木中的木聚糖和甘露聚糖。固体核磁共振光谱学证实了在无氧培养过程中，这两种半纤维素含量显著减少，并且真菌合成了自身的细胞壁多糖，如β-1,3-葡聚糖和几丁质。这些发现为褐腐真菌基因组中保留植物细胞壁降解酶（PCWDEs）提供了功能性的解释。实验结果显示，松生拟层孔菌能够在完全缺氧的条件下生长，并且能够有效地降解木材中的植物细胞壁多糖。在缺氧条件下，该真菌分泌了一系列植物细胞壁活性酶，这些酶能够降解木材中的纤维素、半纤维素和果胶。通过蛋白质组学分析，研究团队发现，在缺氧条件下，松生拟层孔菌分泌的酶类与有氧条件下的分泌物存在显著差异，特别是在缺氧条件下，真菌分泌了更多种类的糖苷水解酶和碳水化合物酯酶。

图1、对不同木材深度处的真菌及其酶的代谢组学鉴定。a)实验设计总结。所有蛋白质提取均与样本平行进行，每个样本有三个独立重复。图片使用Inkscape绘制。b)不同腐烂年龄的Picea abies木材中的O₂浓度。测量在40毫米深度之前停止，无法进一步穿透木材。3年腐烂的木材不够松软，无法让氧气探测器穿透。c)从样本中提取的真菌蛋白的分类归属。d)样本中分泌的碳水化合物活性酶（CAZymes）的普遍性。

图2、对不同木材深度处的真菌及其酶的代谢组学鉴定。a)模拟真菌在从树干表面到内部（从有氧到缺氧）的整个径向梯度的固态培养设置，允许非侵入式测量顶部（蓝色贴片）和底部（白色贴片）的O₂浓度。b)在顶部（蓝色）和柱底（白色）测量的O₂浓度，分别代表空气-木材界面和柱底的O₂浓度。c)在有氧和缺氧条件下，松木上的Fomitopsis pinicola的固态培养。

图3、富松木在缺氧条件下腐烂的固体核磁共振13c。a）76–91和58–68 ppm区域的30 ms CP-PDSD¹³C NMR谱的叠加，显示了xylan Xn4-Xn5和mannan M4-M6的交叉峰。b）左侧为82–92和58–70 ppm区域的30 ms CP-PDSD¹³C NMR谱，右侧为52–70和98–110 ppm区域。

图4、常氧和缺氧条件下pinicola Fomitopsis的蛋白质组学分析。a）在有氧（蓝色）和缺氧（黑色）条件下差异产生的真菌蛋白，按倍数变化排序，并显示在相应条件下的相对丰度（%NSAF）。NSAF：归一化光谱丰度因子，GH：糖苷水解酶，DUF：未知功能域。b）在缺氧条件下差异分泌的CAZyme家族及其在纤维素、半纤维素和果胶中的目标键。

图5、图解模型说明了在缺氧条件下，平孔拟南芥在木材中的渗透。展示了褐腐真菌如何在缺氧条件下穿透木材。研究数据表明，从有氧条件下的芬顿化学介导的木材降解转变为缺氧条件下的PCWDE（植物细胞壁降解酶）驱动的水解分解。与褐腐真菌的分阶段降解机制一致。

结论与展望

本研究通过在北方森林中对腐烂的软木进行的全面研究，揭示了褐腐真菌Fomitopsis pinicola能够在缺氧条件下生长并降解木材。研究发现，在无氧条件下，该真菌分泌了一整套糖苷水解酶和碳水化合物酯酶，能够降解软木中的木聚糖和甘露聚糖。固体核磁共振光谱学证实了在无氧培养过程中，这两种半纤维素含量显著减少，并且真菌合成了自身的细胞壁多糖，如β-1,3-葡聚糖和几丁质。这些发现为褐腐真菌基因组中保留植物细胞壁降解酶（PCWDEs）提供了功能性的解释。研究还提出了一个机制，解释了真菌如何在氧气有限或缺失的木材区域中穿透和定殖。在腐朽的初期阶段，植物多糖的分解是通过芬顿化学和有限的PCWDEs的结合来实现的。随着腐朽的进行，真菌的生长继续深入基质，直到达到一个“临界”的氧气浓度，这会减缓并最终停止芬顿化学介导的腐朽。在木材的更深处，PCWDEs成为植物多糖分解的主要贡献者。Unisense微电极在本研究中发挥了关键作用，通过精确测量木材内部的氧气浓度梯度，为研究松生拟层孔菌在缺氧条件下的生长和降解能力提供了重要数据支持。这些测量结果不仅帮助研究人员更好地理解了真菌在自然环境中的适应性，还为后续的实验设计和分析提供了科学依据