解码关键CAZyme基因与转录因子：通过发酵实现抑菌性木质纤维素生物质高值化利用的分子机制

本研究针对木质纤维素生物质利用效率低、抑菌机制不明确的问题，通过多组学与机器学习技术解析了Bacillus amyloliquefaciens发酵菊花茎秆抑制Ralstonia solanacearum的关键CAZyme基因（GT1和PL1）及其调控因子（GlnR和RpoE），为生物发酵技术优化提供了分子靶点与理论框架。

　　

木质纤维素作为可再生资源，其高值化利用一直是农业和生物技术领域的难题。传统处理方式效率低下，且难以释放其中具有抑菌活性的天然产物。更棘手的是，负责降解木质纤维素的碳水化合物活性酶（CAZyme）基因家族庞大，其调控机制复杂，而转录因子（TFs）的鉴定又费时费力。这些问题严重制约了木质纤维素资源的开发应用。

针对这一系列挑战，南京农业大学有机肥与土壤修复国家重点实验室的研究团队开展了一项创新研究。他们选择菊花茎秆和花生茎秆作为发酵底物，利用益生菌Bacillus amyloliquefaciens T-5进行固态发酵，通过多组学分析和机器学习模型，成功鉴定了两个关键CAZyme基因及其调控因子，相关成果发表在《Bioresource Technology》上。

研究采用了动态转录组测序、CAZyme基因注释（dbCAN平台）、基因集富集分析（GSEA）、时间序列聚类（DTW算法）、基因调控网络推断（dynGENIE3模型）以及深度学习预测（DeepTFactor模型）等关键技术方法。其中，样本来源于南京农业大学菊花种质资源库和泰州研究院提供的成熟期植株茎秆。

研究结果显示，发酵6-7天的菊花茎秆水提物（WSEs）对病原菌R. solanacearum抑制率高达94.4%。通过CAZyme注释和富集分析发现，糖基转移酶（GT）和多糖裂解酶（PL）基因集显著富集，其中GT1家族基因（IAU66_RS10225）和PL1家族基因（IAU66_RS19075）与抑菌率显著相关。

在基因调控网络分析中，GT1和PL1基因表现出最高的出度中心性（0.46），能调控36个关键差异表达基因（DEGs），涉及次级代谢产物合成、氨基酸代谢等通路。通过深度学习模型预测，研究人员锁定GlnR作为GT1的潜在激活因子，而σ因子RpoE通过调控HrpX间接激活PL1的表达。

这项研究的重要意义在于：首次系统解析了木质纤维素发酵过程中CAZyme基因的调控网络，建立了从关键酶基因鉴定到转录因子预测的计算生物学框架。特别是发现RpoE这一非典型转录因子对PL1的间接调控机制，为发酵工艺优化提供了新靶点。虽然研究在实验验证环节存在局限，但其整合多组学与机器学习的方法为类似研究提供了范本，对开发生物农药和功能性肥料具有重要参考价值。

研究结论强调，GT1和PL1基因是菊花茎秆发酵产抑菌物质的关键分子开关，其调控因子GlnR和RpoE的发现为定向改造菌株提供了理论依据。该成果不仅推进了木质纤维素资源的高值化利用，也为农业废弃物转化抑菌制剂奠定了分子基础。