《Fungal Biology》：Analysis of the lignin-degrading mechanism of Acrophialophora curvata and optimization of the conditions for its straw degradation
编辑推荐：
卢英霞|张海龙|曲红琴|刘家瑞|彭兰|董春波|张彦伟|韩彦峰中国贵州省贵阳市贵州大学生命科学学院真菌资源研究所，生态学系/山区植物资源保护与种质创新重点实验室（教育部），邮编550025摘要木质素在自然界中储量丰富，开发高效的降解方法有助于将其转化为生物燃料和多种芳香化合物。由于
卢英霞|张海龙|曲红琴|刘家瑞|彭兰|董春波|张彦伟|韩彦峰
中国贵州省贵阳市贵州大学生命科学学院真菌资源研究所，生态学系/山区植物资源保护与种质创新重点实验室（教育部），邮编550025
摘要
木质素在自然界中储量丰富，开发高效的降解方法有助于将其转化为生物燃料和多种芳香化合物。由于真菌拥有强大的酶系统，因此成为降解木质纤维素生物质最有前途的生物之一。因此，筛选高效降解木质素的真菌并阐明其降解机制对于木质素的可持续利用具有重要意义。在本研究中，我们优化了Acrophialophora curvata GZUIFR 22.406这种新分离菌株的漆酶生产条件，并利用该菌株进行了秸秆降解实验。为了深入了解其降解机制，我们进行了基因组和转录组分析。该菌株的基因组序列长度为34.24 Mb，编码9151个预测的蛋白质编码基因，其中包括一系列潜在的木质素降解酶。对A. curvata的转录组分析表明，木质素的降解与芳香化合物的代谢途径密切相关。全基因组注释有助于识别与木质素分解相关的候选基因，并推断出木质素衍生芳香中间体的潜在代谢路径。实时定量PCR和酶活性测定进一步表明，A. curvata的木质素降解主要由漆酶及参与芳香化合物降解途径的酶介导。本研究获得的基因组数据为木质素生物降解研究奠定了重要基础。此外，发现的代谢路径及涉及的酶为生物技术应用（包括木质素的价值转化和高价值化学品的生物合成）提供了巨大潜力。
引言
全球每年木质纤维素的产量约为15亿吨，使其成为最丰富的可再生生物质资源之一（Xu等，2014）。其中，秸秆是木质纤维素的重要来源，但在许多国家仍被广泛焚烧或丢弃，导致资源浪费和环境压力。推进生物质的回收和利用被认为是减少作物残余物浪费的有效方式（Kne?evi?等，2013）。在木质纤维素的三个主要成分中，木质素作为可再生芳香化合物的潜在来源受到了广泛关注（Zakzeski等，2010；Wang和Deuss，2023）。然而，木质素的单体组成受植物种类和组织位置的影响，导致单体比例和结构存在显著差异（Rencoret等，2017）。同时，多种键类型的存在使得木质素能够形成复杂而稳定的三维网络，表现出显著的抗降解性（Pauly和Keegstra，2008）。更重要的是，木质素通过与纤维素和半纤维素的共价键和氢键结合形成紧密结构，限制了多糖被水解酶和微生物的作用（Xiao等，2020）。因此，在许多生物转化过程中，提高纤维素和半纤维素的利用效率通常需要先破坏或去除木质素屏障（Jiang等，2019；Ponnusamy等，2019）。木质素的高抗性不仅阻碍了其自身的高价值利用，还间接降低了整体生物质转化效率（Liu等，2023）。因此，阐明木质素的生物降解机制对于绿色生产芳香化合物和高效利用木质纤维素具有重要意义。
目前，木质素转化为低分子量化合物主要采用物理、化学和生物方法（Mood等，2013）。与前两种方法相比，基于酶反应和微生物代谢的生物预处理方法在条件温和、环保性和过程安全性方面具有明显优势，因此受到了广泛关注（Ravindran和Jaiswal，2016）。微生物可以分泌多种木质素降解酶，并通过代谢网络进一步利用木质素衍生的芳香化合物，从而提高木质素的生物转化潜力（Bugg等，2011）。丝状真菌是自然界中木质纤维素降解的主要驱动者，能够产生具有互补催化活性的多种酶系统，包括苷水解酶、多糖裂解酶、碳水化合物酯酶和氧化还原酶（Lundell等，2010；Camille等，2021）。在担子菌和子囊菌中，白腐真菌通常被认为是最具代表性的木质素降解菌。它们通过胞外氧化酶系统选择性降解木质素，并伴随纤维素等成分的协同降解（Novotny等，2009）。其降解过程主要通过针对木质素聚合物中的多种化学键进行氧化切割，特别是对于未缩合的芳香单元（Dinis等，2009；Kirk等，2018）。典型白腐真菌（如Phanerochaete chrysosporium）分泌的关键酶包括木质素过氧化物酶、漆酶和锰过氧化物酶（Mariem和Sami，2016；Rodríguez-Couto，2017）。此外， brown-rot真菌主要降解纤维素，但可能通过脱甲基化等过程改变木质素的化学结构（Hammel，1997）。某些brown-rot真菌（如Neurospora discreta）还可以与酶系统协同作用，利用非酶促Fenton反应产生的活性氧参与木质素的修饰和降解，在针叶林碳循环中发挥重要作用（Wang等，2025）。同时，某些缺乏经典漆酶系统的丝状真菌（如Aspergillus属）仍能代谢木质素单体，并通过替代途径（如β-酮戊二酸途径）将其纳入中央代谢（Li等，2025）。这些研究表明，真菌对木质素的转化既依赖于胞外氧化降解，也可能依赖于细胞内“漏斗状”的芳香中间体代谢。
现有研究主要集中在中温或嗜冷真菌（如大多数白腐真菌）上，而对具有更高耐热性的耐热/耐温真菌关注较少（Jia等，2022）。在堆肥等高温环境中，中温真菌往往难以长期生存，导致温度升高时木质素降解速率下降（Wang等，2016）。因此，筛选和鉴定能在高温条件下保持木质素转化活性的天然耐热/耐温真菌具有重要的理论价值和应用潜力。在自然界中，能够耐受超过40°C温度的真菌通常分为两类：耐热真菌和耐温真菌。后者的一般生长最低温度低于20°C，最高生长温度接近50°C（Cooney和Emerson，1964；Mouchacca，1997）。Acrophialophora属广泛分布于温带和热带土壤环境中（Al-Mohsen等，2000），包括具有木质纤维素降解潜力的耐温真菌（Peng等，2023），这表明其在农业、环境保护和生物技术中有广泛应用前景（Han等，2010）。例如，耐温菌株Acrophialophora nainiana在以木质纤维素或木聚糖为碳源培养时表现出显著的木聚糖酶活性（Medeiros等，2000）。然而，Acrophialophora菌株在木质素转化中的分子机制尚不清楚，关键的降解相关基因和转录响应尚未得到系统鉴定。
本研究对 newly 描述并从土壤中分离和分类的Acrophialophora curvata GZUIFR 22.406菌株进行了从头全基因组测序。在优化的发酵条件下，该菌株表现出強的秸秆降解能力。随后通过多组学分析鉴定潜在的木质素降解酶，并揭示了先前未报道的木质素转化途径。这些发现有助于我们更好地理解耐温丝状真菌在木质素转化中的策略。
段落片段
菌株和培养条件
A. curvata GZUIFR 22.406菌株是由我们实验室在云南西双版纳采集的土壤样本中分离和鉴定的（Peng等，2023）。该菌株保存在贵州大学真菌资源研究所（GZAC）的菌种库中。保存在4°C下的菌株被接种到直径9厘米的Petri dish中，培养基为含20毫升马铃薯葡萄糖琼脂（PDA），然后倒置放置在40°C的黑暗环境中培养直至
A. curvata GZUIFR 22.406的发酵优化
在显色培养基上，菌落周围出现明显的红棕色氧化带（图S1），表明该菌株能产生漆酶。同时，测定了在PDA液体培养基和酶诱导培养基中培养的A. curvata的漆酶活性。当A. curvata在PDA液体培养基中培养时，培养上清液中未观察到漆酶活性；而在
讨论
木质纤维素是世界上最丰富的可再生资源之一。木质素的生物转化过程不会产生污染且能耗较低（Asina等，2016）。木质素降解酶，也称为木质素氧化酶，主要包括漆酶和过氧化物酶（木质素过氧化物酶、多功能过氧化物酶、锰过氧化物酶）（Iandolo等，2011）。漆酶最早于1883年在Rhus verniciflua中被发现，是一种典型的木质素降解酶（Janusz等，2020）。
结论
本研究证明，新菌株A. curvata通过苯甲酸降解途径降解秸秆中的木质素，这是芳香化合物代谢网络的一个分支。同时，RT-qPCR和酶活性测定进一步确定了参与这一过程的多个关键酶，包括水杨酸羟化酶（K00480）、乙醇脱氢酶（NADP+）（K00002）、苯甲酸4-单加氧酶（K07824）、2-羧基-2,5-二氢-5-氧呋喃-2-乙酸羧化酶
CRediT作者贡献声明
卢英霞：撰写——初稿，数据整理。张海龙：方法学。曲红琴：软件。刘家瑞：方法学。彭兰：软件。董春波：方法学。张彦伟：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、资金获取。韩彦峰：撰写——审稿与编辑、可视化、项目管理、资金获取、数据整理。
资助
本项目得到了贵州省“****”[Qian Ke He [2020] 6005]、国家自然科学基金 [编号32160007、32060011]、贵州省研究生研究基金（2024YJSKYJJ048）、贵州大学的创新与创业培训项目（gzuxc2023097）以及贵州大学的“SRT”项目（2023SRT472）和贵州省生物学一流学科建设计划（GNYL [2017]009）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
