白腐真菌变色栓菌对木质素化学特性独特的杂交杨树的转录组响应：解锁生物预处理新奥秘

为解决木质纤维素转化难题，研究人员探究变色栓菌对转基因杂交杨树转录组响应，发现其能特异性应答，具重要意义。

　　

研究背景：生物预处理的 “拦路虎” 与新探索

在生物燃料和生物产品的生产领域，木质纤维素（一种由木质素、纤维素和半纤维素组成的复杂聚合物）是极具潜力的原料。然而，其细胞壁结构复杂，木质素化学性质稳定，如同坚固的 “堡垒”，阻碍了生物燃料和生物产品的高效生产。传统的物理、化学或物理化学预处理方法，虽能打破这层阻碍，但成本高昂且会对环境造成负面影响。

于是，生物预处理策略应运而生，其中白腐真菌（如变色栓菌 Trametes versicolor）凭借其独特的分解木质纤维素的能力，成为研究热点。不过，目前仍不清楚这些真菌能否感知木质纤维素化学性质的细微变化，也不确定它们对不同原料是否具有通用性。为了攻克这些难题，来自美国东伊利诺伊大学等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Fungal Biology and Biotechnology》杂志上。

研究方法：多技术联用揭秘真菌 “反应密码”

研究人员为了探究变色栓菌对不同木质素组成的杨树的转录组响应，运用了多种关键技术。首先，获取野生型和转基因杂交杨树（Populus tremula × alba）的木材，这些转基因杨树具有不同的木质素表型，包括高丁香基（S）木质素（HS）、低丁香基且高愈创木基（G）木质素（LSHG）和低丁香基且含羟基 - G 木质素（LSX）。

接着，对变色栓菌进行培养和接种。将培养好的真菌接种到杨树的木材切片上，在适宜条件下培养 3 周。之后，提取真菌的 RNA 并进行测序分析，通过 RNA 测序（RNA - Seq）和实时荧光定量 PCR（qPCR）技术，研究人员能够准确分析变色栓菌在不同木材上生长时的基因表达变化，从而揭示其对不同木质素组成的响应机制。

研究结果：真菌的 “个性化” 转录组反应

1. 整体表达模式差异显著：研究人员通过热图和主坐标分析（PCoA）发现，变色栓菌在不同木质素表型的木材上生长时，基因表达模式存在明显差异。热图显示，真菌在具有相似木质素表型的木材上，基因表达模式具有一致性；PCoA 分析则清晰地将不同木材表型区分开来，表明变色栓菌能够对木材木质素组成的变化做出特异性的转录组响应。
2. 差异表达基因分析：进一步的差异表达分析表明，与野生型木材相比，变色栓菌在转基因木材上生长时，有大量基因的表达发生显著变化。其中，在 LSX 木材上生长时，差异表达基因数量最多。例如，与野生型相比，在 LSX 木材上生长的变色栓菌有 50 个基因上调，48 个基因下调。而 HS 和 LSHG 表型的木材上，上调的基因数量分别仅为 13 个和 1 个。
3. 木质纤维素降解酶基因表达改变：研究还发现，许多与木质纤维素降解相关的酶基因表达发生变化。如木质素过氧化物酶（LiP）家族中的 LiP3、LiP10 和 LiP12 在 LSX 木材上表达显著下调，这可能与 LSX 木材中异常高含量的羟基 - G 木质素有关。与之相反，细胞色素 P450 的转录本在 LSX 木材上表达上调，它在木质素降解过程中发挥重要作用。此外，参与纤维素和半纤维素降解的酶基因表达也发生改变，如内切 β - 1,4 - 葡聚糖酶（endo-β - 1,4 - glucanase）在 LSX 木材上表达下调，而一些糖苷水解酶表达上调，这表明真菌在分解 LSX 木材时，可能改变了对纤维素和半纤维素的降解策略。
4. 大量未知功能的假设蛋白：研究中还发现，差异表达的转录本中有近 46% 是假设蛋白（功能未知的预测蛋白）。这些假设蛋白在变色栓菌对杂交杨树的生长响应中可能发挥重要作用，但由于功能未明确，限制了对真菌生化响应机制的深入理解。

研究结论与意义：开启生物预处理新篇章

本研究表明，变色栓菌对具有相同遗传背景但木质素修饰的杂交杨树具有独特的转录组响应。在不同类型的改性木材中，LSX 木材引发的转录组响应最为独特，这主要归因于其高含量的羟基 - 愈创木基木质素以及木材结构和物理性质的潜在变化。虽然目前还不清楚观察到的转录组变化是由于木质纤维素的化学组成，还是解构阶段的影响，但未来的时间进程实验有望进一步揭示这一问题。

该研究成果对于利用白腐真菌进行木质纤维素加工的工业过程具有重要意义。它为生物预处理策略提供了理论依据，有助于优化生物燃料和生物产品的生产工艺，尤其是在处理转基因或化学组成不一致的原料时，能够更好地发挥白腐真菌的作用，提高生产效率，降低成本，推动相关产业的可持续发展。