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上海交大陈捷教授团队揭示基于木霉-芽孢杆菌共培养技术开发作物秸秆高效降解技术新策略

近日,上海交通大学农业与生物学院陈捷教授团队在Journal of Environmental Management在线发表了题为Co-cultivation of T. asperellum GDFS1009 and B. amyloliquefaciens 1841:Strategy to regulate the production of ligno-cellulolytic enzymes for the lignocellulose biomass egradation.该论文揭示了棘孢木霉-解淀粉芽孢杆菌共培养技术提高木质纤维素生物质降解的新策略。

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玉米、水稻、小麦等农作物秸秆如何实现废弃物资源化高效利用是提高循环农业发展水平的重大课题之一。农作物秸秆的微生物酶解是其资源化利用的主要技术途径,但作物秸秆微生物酶解效率低是秸秆还田和生物燃料工业化生产的主要难题,其中如何提高作物秸秆木质纤维素降解效率是研究的重点。微生物产生的FPAase CMCase pNPCase、 pNPGase和木聚糖酶等是水解木质纤维素的主要酶系,其中里氏木霉(Trichoderma reesei)纤维素酶高效生产技术的研究最为普遍,但通过多种微生物共培养技术提高木霉木质纤维素酶的生产水平尚无人研究。本文首次报导了棘孢木霉(T. asperellum)GDFS1009 和解淀粉芽孢杆菌(Bacillus  amyloliquefaciens)1841共培养技术可显著提高木质纤维素酶系产生效率,进而提高了对作物秸秆木质纤维的降解水平。本研究首先通过顺序接种法(TB2)攻克了两种微生物共培养过程中平衡生长的难题;与单一培养相比,棘孢木霉-解淀粉芽孢杆菌的共培养(TB2)明显提高了木霉木质纤维素酶系合成调控因子xyr1、 ace2、ace3、 hap2/3/5 、lae1、 vel1和bgl1 基因转录表达,进而诱导了木霉木质纤维素水解酶基因cbh1, cbh2, egl1, egl2和 bgl1的高效表达。通过响应面设计建立了糖蜜、玉米粉和稻谷糠为主要成分的共生培养基的优化模式(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),共培养所生产的酶液对玉米、稻草和小麦秸秆降解释放葡萄糖水平明显超过单一木霉菌培养液的水平。 总之,通过解淀粉芽孢杆菌通过与棘孢木霉的代谢互作提高了木霉木质纤维素酶系统调控基因表达水平,实现在不同条件下连续生产纤维素酶和木聚糖酶的目标,为作物秸秆木质纤维素高较转化为生物燃料的葡萄糖奠定了基础。因此,棘孢木霉-解淀粉芽孢杆菌共培养技术有望发展成为作物秸秆转化为生物燃料的工业发酵新技术。


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上海交通大学农业与生物学院博士后Valliappan Karuppiah为论文的第一作者,上海交通大学特聘教授陈捷为论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划(2017YFD0201108)、国家自然科学基金(No. 31872015;31672072); 上海市科技攻关项目(No.18391902400)、现代农业产业技术体系专项基金(CARS-02)等项目的资助。

论文链接https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113833

作者:农业与生物学院


       

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