食草昆虫肠道共生系统的比较研究及其生物转化应用

论文摘要

本研究通过比较基因组学分析了几种昆虫的肠道共生微生物系统进化关系，同时发掘新的具有高效催化效率的酶以促进现有纤维素酶系在生物能源炼制中的纤维素转化效率。在本研究中，我们对蝗虫(Acrididae sp.)和切根虫(Agrotis sp.)两种昆虫的肠道共生微生物进行了宏基因组测序，并与已发表的白蚁(Nasutitermes sp.)肠道共生微生物宏基因组进行了比较分析，结果表明这三种以不同类型食物为食的昆虫在肠道共生微生物的种类分布和构成上具有非常明显的差异。功能注释分析表明，蝗虫和切根虫具有更丰富的碳水化合物代谢相关基因。代谢途径重组分析（metabolic pathway reconstruction）表明，虽然白蚁具有丰富的与木质纤维素降解相关的糖苷水解酶，而切根虫却除了具有丰富的糖苷水解酶外还具有更丰富的磷酸转移酶系统。另外，因为白蚁主要以营养相对贫瘠的木质纤维为主要食物，白蚁的肠道共生微生物中具有更丰富的固氮相关基因。这些研究结果表明，昆虫在进化过程中逐渐形成了具有不同微生物种类的分布与构成，不同代谢途径和不同基因表达水平的肠道共生微生物来适应自身食物消化系统。为了进一步开发昆虫肠道共生系统在生物能源上的应用，我们从昆虫肠道共生系统中克隆并表达了包括2个纤维素外切酶，2个木聚糖酶和2个糖苷水解酶43家族酶（GH43）在内的木质纤维素降解酶。在GH43对稀硫酸处理过的柳枝稷（switchgrass）进行纤维素水解过程中发现，GH43能够显著的促进商业纤维素酶的降解效率从而降低纤维素酶的用量。这些研究为昆虫肠道共生系统在生物能源上的进一步开发与利用提供了新的思路与资源。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 昆虫肠道共生微生物
• 1.2 研究内容与实验流程
• 2 蝗虫与切根虫肠道共生微生物宏基因组测序及物种构成分析
• 2.1 实验材料与方法
• 2.1.1 宏基因组 DNA 的提取
• 2.1.2 文库的构建和宏基因组的测序
• 2.1.3 序列组装
• 2.1.4 将数据上传到 IMG/M 并进行功能注释
• 2.1.5 16S rRNA 分析
• 2.1.6 宏基因组组装序列分析
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 宏基因组测序
• 2.2.2 基因编码序列（GCS）分析
• 2.2.3 16S rRNA 分析
• 2.3 本章小结
• 3 三种昆虫肠道共生微生物的代谢功能比较分析
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 COG 与 KEGG 分析
• 3.1.2 D-score 计算
• 3.1.3 D-rank 计算方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 三种昆虫肠道共生微生物代谢功能的 COG 和 KEGG 分析
• 3.2.2 在代谢水平上对三种昆虫肠道共生微生物的代谢网络重建分析
• 3.3 本章小结
• 4 昆虫肠道共生微生物酶的克隆、表达及在生物质转化中的应用
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 酶基因的克隆
• 4.1.2 酶基因的表达
• 4.1.3 酶的分离纯化
• 4.1.4 不同条件下酶活的测定
• 4.1.5 柳枝稷的稀硫酸预处理
• 4.1.6 酸处理后柳枝稷的酶解
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 序列组装准确性的印证及相关酶基因的克隆与表达
• 4.2.2 酶的基本特性研究
• 4.2.3 昆虫肠道木质纤维素降解酶在生物炼制中的应用
• 4.3 本章总结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献