褐腐真菌松生擬層孔菌對木材的缺氧腐蝕

研究簡介：森林作為地球生態系統的重要組成部分，其微生物群落對碳循環起著關鍵作用。真菌作為主要的木質素纖維素分解者，對森林生態系統中的碳儲存和循環至關重要。以往的研究主要集中在有氧條件下的木材降解機制，而對于缺氧環境下的木材降解了解甚少。本研究旨在填補這一知識空白，探索真菌在缺氧條件下的木材降解能力。研究團隊從丹麥的斯滕肖爾特森林中采集了不同腐爛階段的云杉木材樣本，并使用針式氧氣傳感器測量了木材內部的氧氣濃度。通過蛋白質組學分析，研究團隊鑒定了參與木材降解的真菌及其分泌的酶類。此外研究團隊在實驗室中模擬了自然環境中的氧氣梯度，通過固態培養技術觀察松生擬層孔菌在有氧和無氧條件下的生長和木材降解能力，并利用13C固體核磁共振技術分析了木材細胞壁成分的變化。本研究深入探討了褐腐真菌松生擬層孔菌（Fomitopsis pinicola）在缺氧條件下對木材的降解機制。研究人員通過在自然環境中對木材樣本進行實地采樣，并結合實驗室的體外實驗，揭示了松生擬層孔菌在完全缺氧環境下依然能夠生長并分解木材的現象，這一發現挑戰了傳統認知，即這類真菌僅在有氧條件下才能有效降解木材。本研究不僅增進了我們對自然環境中木質素纖維素降解機制的理解，還為開發基于生物的厭氧過程提供了新的思路。這些發現對于理解森林生態系統中碳循環的復雜性具有重要意義，并可能為開發新的生物技術應用，如生物燃料生產和生物降解材料的開發。

Unisense微電極研究系統的應用

Unisense微電極被用于測量木材內部的氧氣濃度梯度，以探究褐腐真菌松生擬層孔菌（Fomitopsis pinicola）在缺氧條件下的生長和木材降解能力。使用Unisense微電極測量了不同腐爛階段的云杉木材內部的氧氣濃度。這些木材樣本采集自丹麥的斯滕肖爾特森林，通過針式氧氣傳感器，研究人員能夠穿透木材表面，測量從外部到內部的氧氣濃度變化，驗證真菌在缺氧條件下的生長。

實驗結果

通過在北方森林中對腐爛的軟木進行的全面研究，揭示了褐腐真菌Fomitopsis pinicola能夠在缺氧條件下生長并降解木材。研究發現，在無氧條件下，該真菌分泌了一整套糖苷水解酶和碳水化合物酯酶，能夠降解軟木中的木聚糖和甘露聚糖。固體核磁共振光譜學證實了在無氧培養過程中，這兩種半纖維素含量顯著減少，并且真菌合成了自身的細胞壁多糖，如β-1,3-葡聚糖和幾丁質。這些發現為褐腐真菌基因組中保留植物細胞壁降解酶（PCWDEs）提供了功能性的解釋。實驗結果顯示，松生擬層孔菌能夠在完全缺氧的條件下生長，并且能夠有效地降解木材中的植物細胞壁多糖。在缺氧條件下，該真菌分泌了一系列植物細胞壁活性酶，這些酶能夠降解木材中的纖維素、半纖維素和果膠。通過蛋白質組學分析，研究團隊發現，在缺氧條件下，松生擬層孔菌分泌的酶類與有氧條件下的分泌物存在顯著差異，特別是在缺氧條件下，真菌分泌了更多種類的糖苷水解酶和碳水化合物酯酶。

圖1、對不同木材深度處的真菌及其酶的代謝組學鑒定。a)實驗設計總結。所有蛋白質提取均與樣本平行進行，每個樣本有三個獨立重復。圖片使用Inkscape繪制。b)不同腐爛年齡的Picea abies木材中的O?濃度。測量在40毫米深度之前停止，無法進一步穿透木材。3年腐爛的木材不夠松軟，無法讓氧氣探測器穿透。c)從樣本中提取的真菌蛋白的分類歸屬。d)樣本中分泌的碳水化合物活性酶（CAZymes）的普遍性。

圖2、對不同木材深度處的真菌及其酶的代謝組學鑒定。a)模擬真菌在從樹干表面到內部（從有氧到缺氧）的整個徑向梯度的固態培養設置，允許非侵入式測量頂部（藍色貼片）和底部（白色貼片）的O?濃度。b)在頂部（藍色）和柱底（白色）測量的O?濃度，分別代表空氣-木材界面和柱底的O?濃度。c)在有氧和缺氧條件下，松木上的Fomitopsis pinicola的固態培養。

圖3、富松木在缺氧條件下腐爛的固體核磁共振13c。a）76–91和58–68 ppm區域的30 ms CP-PDSD13C NMR譜的疊加，顯示了xylan Xn4-Xn5和mannan M4-M6的交叉峰。b）左側為82–92和58–70 ppm區域的30 ms CP-PDSD13C NMR譜，右側為52–70和98–110 ppm區域。

圖4、常氧和缺氧條件下pinicola Fomitopsis的蛋白質組學分析。a）在有氧（藍色）和缺氧（黑色）條件下差異產生的真菌蛋白，按倍數變化排序，并顯示在相應條件下的相對豐度（%NSAF）。NSAF：歸一化光譜豐度因子，GH：糖苷水解酶，DUF：未知功能域。b）在缺氧條件下差異分泌的CAZyme家族及其在纖維素、半纖維素和果膠中的目標鍵。

圖5、圖解模型說明了在缺氧條件下，平孔擬南芥在木材中的滲透。展示了褐腐真菌如何在缺氧條件下穿透木材。研究數據表明，從有氧條件下的芬頓化學介導的木材降解轉變為缺氧條件下的PCWDE（植物細胞壁降解酶）驅動的水解分解。與褐腐真菌的分階段降解機制一致。

結論與展望

本研究通過在北方森林中對腐爛的軟木進行的全面研究，揭示了褐腐真菌Fomitopsis pinicola能夠在缺氧條件下生長并降解木材。研究發現，在無氧條件下，該真菌分泌了一整套糖苷水解酶和碳水化合物酯酶，能夠降解軟木中的木聚糖和甘露聚糖。固體核磁共振光譜學證實了在無氧培養過程中，這兩種半纖維素含量顯著減少，并且真菌合成了自身的細胞壁多糖，如β-1,3-葡聚糖和幾丁質。這些發現為褐腐真菌基因組中保留植物細胞壁降解酶（PCWDEs）提供了功能性的解釋。研究還提出了一個機制，解釋了真菌如何在氧氣有限或缺失的木材區域中穿透和定殖。在腐朽的初期階段，植物多糖的分解是通過芬頓化學和有限的PCWDEs的結合來實現的。隨著腐朽的進行，真菌的生長繼續深入基質，直到達到一個“臨界”的氧氣濃度，這會減緩并最終停止芬頓化學介導的腐朽。在木材的更深處，PCWDEs成為植物多糖分解的主要貢獻者。Unisense微電極在本研究中發揮了關鍵作用，通過精確測量木材內部的氧氣濃度梯度，為研究松生擬層孔菌在缺氧條件下的生長和降解能力提供了重要數據支持。這些測量結果不僅幫助研究人員更好地理解了真菌在自然環境中的適應性，還為后續的實驗設計和分析提供了科學依據