瘤胃微生物降解纤维素的研究进展

Orpin 在 1975 年首次证实了瘤胃中带鞭毛的原虫实际上 是厌氧真菌的游动孢子[3] 。国内外学者还从山羊、绵羊、黄 牛、水牛、大象等草食动物的消化道以及粪便中分离出 6 个 属的瘤胃真菌 ,而且所有分离出的瘤胃真菌都具有降解植物 细胞壁中结构性碳水化合物的能力 。瘤胃真菌对纤维素的 降解包括物理降解和酶降解 。 1. 1 物理降解 大多数植物颗粒的表皮上有一层腊质和角 质层。它们都可以阻止微生物对饲料的粘附。研究表明 ,这 层膜含有 18 %～24 %硅 ,它可以增加这层外膜的硬性 ,进一 步阻碍饲料的消化[4] 。研究还表明 ,瘤胃真菌有很强的穿透 能力和降解纤维素的能力 ,能部分降解或者削弱抗性组织 , 穿透牧草角质层屏障 ,因而可以降解无法被细菌和纤毛虫降 解的木质素和纤维素物质。Orpin 等发现 ,瘤胃真菌首先分 离木质化的纤维组织 ,为细菌利用与木质素相结合的纤维物 质创造条件。Akin 等比较了混合细菌和混合真菌在体外减 弱结构性屏障的能力 ,发现真菌培养茎秆比细菌培养明显减 弱了结构性屏障。Wilson 也指出 ,真菌的穿透生长降低了植 物纤维组织的内部张力 ,使其变得疏松而易被瘤胃微生物降 解。虽然细菌是瘤胃中降解纤维素的主要微生物 ,但是真菌 却是首先深入到植物纤维组织内的微生物 ,之后才能被细菌 发酵利用 。
摘要 综述了不同的瘤胃微生物降解纤维素的相对贡献和发酵特征 ,说明纤维素在瘤胃内的降解是在细菌、原虫和真菌的协同作用下 完成的 。
关键词 瘤胃微生物 ; 纤维素降解 ; 研究进展 中图分类号 TQ920. 1 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611(2007) 13 - 03771 - 02
目前许多常用的酶制剂只能作用于非晶体状的底物 ,而 厌氧真菌产生的酶能降解晶体状的、结构复杂的植物组织 , 甚至是植物厚壁组织和维管束组织[6] 。 2 瘤胃细菌及其对纤维素的降解
长期以来由于瘤胃细菌在数量上的绝对优势及其代谢 途径的多样性 ,所以它被认为在植物细胞壁降解过程中发挥 主要作用 。白色瘤胃球菌 、生黄瘤胃球菌和产琥珀酸丝状杆 菌是公认的瘤胃纤维分解菌中的优势菌[7] 。细菌的生长主 要取决于对碳 、能量的利用以及能否成功降解 、发酵饲料 。 细菌能够吸收低分子量的可溶性化合物 ,但饲料主要是由较 大且不易溶解的复杂的大分子组成 (淀粉、蛋白质、纤维素) 。 所以 ,在被细菌代谢利用前 ,这些物质必须被细胞外酶降解 成低分子量的可溶性物质 。
据研究 ,在反刍动物瘤胃内微生物中至少有 30 种以上 的原虫。在生理学上 ,将瘤胃原虫分成纤毛虫纲和鞭毛虫纲 2 个主要亚类。这些原虫都属专性厌氧微生物 ,经口传播 ,接 触感染。原虫对纤维素的降解有正负 2 个方面的作用。一 方面 ,原Baidu Nhomakorabea通过对植物组织的物理性裂解作用 ,促进植物细 胞间的分离 ,使细胞壁破裂成碎片 ,还可以分泌分解纤维素、 半纤维素和果胶的酶类。大量体内、体外试验都已证明 ,纤 毛虫直接参与降解细胞壁多糖的过程。另有研究表明 ,原虫 能够将淀粉和可溶性糖类等碳水化合物转变为支链淀粉贮 藏于原虫体内 ,可以避免由于细菌对淀粉和可溶性糖类的爆 发性发酵而造成的 pH 值剧烈下降[12] ,保证了纤维素降解的 适宜 pH 值。另一方面 ,反刍动物瘤胃内原虫不能利用氨态 氮合成自身蛋白质 ,只能以微生物、饲料中的蛋白质作为其 主要氮源 ,主要依靠对细菌、真菌的吞噬作用合成氨基酸。 原虫对细菌的吞噬作用对细菌数目的影响很大 。在发酵前 期原虫的吞噬作用对纤维素降解可能有不利影响 ,但是到了 发酵末期原虫的吞噬作用有利于饲料保存营养 、减少营养物 质的发酵消耗 。 4 瘤胃细菌、原虫和真菌降解植物细胞壁的相互作用
安徽农业科学 ,Journal of Anhui Agri. Sci. 2007 ,35 (13) :3771 - 3772 ,3799 责任编辑 刘月娟 责任校对 胡先祥
瘤胃微生物降解纤维素的研究进展
王 超 , 刘国道 3 (中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所 , 海南儋州 571737)
作者简介 王超(1982 - ) ,男 ,浙江宁波人 ,硕士研究生 ,研究方向 :牧草 资源开发与利用。3 通讯作者。
收稿日期 2007203215
1. 2 酶降解 植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质 素组成。木聚糖是半纤维素的一种 ,其含量仅次于纤维素。 研究表明 ,瘤胃真菌分泌多种植物细胞壁的酶 ,其中起主要 作用的是木聚糖酶和纤维素酶。Mountfort 研究表明 ,木聚糖 主要存在于真菌培养液中 ,在 pH 5. 5、温度 55 ℃条件下 ,可将 木聚糖分解为木二糖和木糖低聚糖 。木聚糖 、纤维素 、纤维 二糖都能诱导木聚糖酶的产生 ,五碳糖 (如阿拉伯糖) 则会降 低木聚糖酶的活性。Akin 指出 ,高的木聚糖酶活力有利于真 菌在植物细胞壁上的生长 。瘤胃真菌分泌的纤维素是多组 分的酶 ,主要包含 C1 、CX 和β2葡萄糖苷酶 3 种。C1 酶的主要 作用是分解天然的晶体纤维。CX 酶是水解酶 ,作用于可溶 性纤维素衍生物 ,包含 2 个组分。内切β21 ,4 葡萄糖苷酶可 以从纤维素内部切开β21 ,4 糖苷键 ;外切β- 1 ,4 葡萄糖苷酶 则可以从非还原端切下含 1～2 个葡萄糖残基。研究发现 , 真菌对纤维素水解主要分 2 个阶段进行 :准备阶段 ,在 C12酶 的作用下破坏纤维素结构 ;第 2 阶段 ,在 CX2酶的作用下 ,把 β2糖苷比较短的聚酐链水解成可溶性产物[5] 。
菌的协同作用下完成的 。细菌和原虫在降解植物细胞壁过 程中存在协同效应 。虽然原虫可降低瘤胃内细菌和真菌总
数 ,但是纤维分解菌的数量并未减少。Orpin 认为 ,虽然原虫 不是动物生存所必需 ,但原虫的存在可以加快植物纤维的消 化速度[17] 。还有报道认为 ,甲烷菌只有在原虫体内与其形 成共生体 ,才能充分利用原虫代谢产生的氢气和甲酸合成甲 烷[18 - 19] 。由于缺乏对瘤胃微生物间相互作用的深入研究 , 这些理论都有待进一步验证 。
Progress of Studies on Cellulose Degradation by Rumen Microorganism WANG Chao et al (Tropical Crop Genetic Resources Institute , CATAS , Danzhou , Hainan 571737) Abstract The relative contributions and fermentation characteristics of various rumen microorganisms which could decompose the cellulose were dis2
另外 ,有 3 个方面的证据可以表明瘤胃微生物纤维体类
3772
安徽农业科学 2007 年
似物的存在。Lamed 等通过电镜观察和阳离子铁蛋白标记 , 已经在白色瘤胃球菌 、生黄瘤胃球菌和产琥珀酸丝状杆菌上 发现了类似嗜热纤维梭菌的表面突起物[9] ;在瘤胃真菌和瘤 胃球菌的多糖酶基因序列中 ,已经发现了与梭菌纤维体酶相 类似的坞因子重复序列 。这些序列比嗜热纤维梭菌或相关 梭菌的重复坞因子序列要长。Rincon 等研究表明 ,生黄瘤胃 球菌 17 中的 EndB 纤维素酶是一种多域酶 ,含有一个能与该 菌株表面假定为鹰架蛋白发生特异性结合的坞因子 ;在瘤胃 细菌和真菌中 ,已检测到具有纤维分解和木质素分解活性的 高分子量复合物。Bae 等在白色瘤胃球菌 F40 的培养上清液 中分离到一种纤维素酶复合物 ,并且发现包含有大约 10 种 具有内切葡聚糖酶、木聚糖酶活性的蛋白质以及 1 个无催化 活性的蛋白质[10] 。Forsberg 等从产琥珀酸丝状杆菌 S85 的细 胞膜部分和该菌培养液中分离到了具有内切葡聚糖酶活性 的高分子量复合物 ,但是该复合物不能降解可溶性的晶体状 纤维素[11] 。 3 瘤胃原虫及其对纤维素的降解
反刍动物的瘤胃是一种独特的消化发酵罐[1] ,其中栖息 着各种微生物 ,包括瘤胃细菌、厌氧真菌和瘤胃原虫 ,还有少 数噬菌体。经过长期的适应和选择 ,微生物与宿主、微生物 与微生物处于一种相互依赖 、相互制约的动态平衡系统中 。 一方面 ,宿主动物为微生物提供生长环境 ,瘤胃中饲料及其 代谢产物为微生物提供生长所需的各种养分 ;另一方面 ,瘤 胃微生物降解宿主不能消化的物质 ,如纤维素 ,半纤维素等 , 为宿主提供能量和养分[2] 。所以 ,反刍动物可以将低质量的 饲料转变成高质量的蛋白 ,并能利用非反刍动物所不能利用 的高纤维饲料。通过瘤胃微生物的发酵 ,反刍动物能消化植 物细胞壁的纤维素等多糖物质 ,其消化是通过瘤胃微生物对 纤维物质的粘附和酶类的水解作用来实现的 。 1 瘤胃真菌及其对纤维素的降解
cussed. It indicated that the digestion of cellulose in the rumen was conducted by the interaction of the bacteria , protozoa and fungi . Key words Rumen microorganism ; Cellulose degradation ; Progress of studies
5 展望 (1) 对瘤胃微生物不同区系降解植物细胞壁的相对贡献
和发酵特征的研究表明 ,瘤胃细菌、原虫和真菌中缺失了其 中任何一个都将大大地降低对植物细胞壁的降解能力 。经
过长期的适应和选择 ,微生物和宿主之间、微生物和微生物 之间处于一种相互依赖 、相互制约的动态平衡系统中[20] 。
试验肯定了全部驱除原虫对反刍动物营养物质代谢的积极
作用 ,但随着研究的不断深入 ,原虫的正面效应也得到了进 一步肯定 。
在瘤胃细菌 、原虫和真菌降解植物细胞壁的相互作用方 面的研究还很少。据高魏等报道 ,单培养时原虫的甲烷产气 量和降解率相对较高 ,而细菌和真菌的甲烷产气量和降解率 则很低[16] 。这说明原虫有独立降解纤维素的能力 ,但是效 率并不高 ;细菌或真菌在瘤胃提供适宜条件后才能发挥其潜 在能力 ,因此瘤胃微生物对纤维素的降解不是单纯的加权 , 而是存在非常复杂的相互作用。在混合培养试验中 ,全瘤胃 液的甲烷产气量和降解率都最高 ,其次是细菌和原虫混合培 养组 。这说明植物细胞壁在瘤胃内降解是在细菌 、原虫和真
反刍动物瘤胃内的细菌 、原虫和真菌形成一种复杂的共 生系统。植物细胞壁结构性碳水化合物 (如纤维素) 在厌氧 条件下被微生物降解 ,并最终为宿主提供所需的能量[13] 。 反刍动物瘤胃内的细菌 、原虫和真菌都参与植物细胞壁的降 解。若不考虑整个瘤胃生态中微生物间复杂的相互作用 ,瘤 胃细菌在纤维素消化中占主导地位 ,因为细菌在数量上占优 势 ,并且具有多种代谢途径[14] 。瘤胃真菌在降解大颗粒 、大 片段植物纤维过程中起着重要的作用 。由于瘤胃真菌能产 生一系列具有高活性的降解酶 ,并且厌氧真菌优先附着在植 物细胞壁上 ,因此在降解植物细胞壁方面瘤胃真菌比其他微 生物具有更大的优势[15] 。但是整个瘤胃微生物中真菌数量 较少 ,其纤维素分解总效力有待进一步研究。国际上对瘤胃 中原虫作用的研究存在较大的分歧 。焦点主要集中在全部 驱除原虫和全部保留原虫的比较研究上 。虽然过去大部分
多年来对于纤维素的降解 ,人们一直认为是由多种微生 物游离酶协同完成的 。这种观点对于许多纤维降解微生物 是正确的 ,尤其是好氧微生物 ,但是最近从许多厌氧微生物 中分离到了纤维素降解酶复合物 ———纤维体。它可以将各 种参与纤维素降解的酶整合在一起 ,并将微生物与纤维素底 物连接起来 ,进而实现对纤维素的高效降解[8] 。