青霉纤维素酶基因的表达调控与重组表达研究进展*
Advances in Regulation of Cellulase Gene Expression in Filamentous Fungi Penicillium and Recombinant Expression of Penicillium Cellulase Genes
【摘 要】摘要:青霉属菌株可以分泌完整的纤维素酶系，尤其高产β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase，BGL，EC 3.2.1.21)，弥补了工业菌株里氏木霉(Trichoderma reesei)胞外β-葡萄糖苷酶活性低的不足，加上青霉菌株生长速度快等优点，使其产纤维素酶受到越来越多的关注。为了解决以木质纤维素为原料工业生产燃料乙醇所需纤维素酶量大、成本高等难题，深入研究青霉属纤维素酶基因的表达调控和重组表达非常重要。本文就青霉属纤维素酶基因资源、纤维素酶合成调控网络以及纤维素酶基因的重组表达等进行综述与展望。 【期刊名称】广西科学 【年(卷),期】2015(022)001 【总页数】12
【关键词】关键词:青霉 纤维素酶基因资源 纤维素酶合成调控网络 纤维酶基因重组表达
0 引言
现代工业的迅速发展，导致能源消耗不断增加，预示着将来能源需求也随之增大。但是，当今石油和天然气等不可再生化石能源日趋枯竭，还有环境污染和气候变化等问题日愈严重。因此，大规模开发与利用绿色清洁、可再生生物质能源——生物燃料显得日益重要。其中，木质纤维素燃料乙醇是最具有发展前景的生物质能源之一。用微生物将木质纤维素转化为葡萄糖再发酵生产燃料乙
醇，对解决以粮食或糖类物质为原料生产燃料乙醇引起的与人争粮、与粮争地等主要问题具有重大意义[1]。
广西是中国最大的甘蔗、木薯等种植基地，年产量均占全国60%以上，每年产生至少1360万t甘蔗渣和数量可观的木薯废弃物(秸秆、叶子)。目前，广西甘蔗渣和木薯废弃物等木质纤维素主要用作锅炉燃料、制浆造纸和生产绿色包装材料等，存在资源浪费、环境污染等主要问题[2,3]。《广西非粮生物质能源产业优先发展规划大纲(2011-2015年)》明确了非粮生物质能源产业是广西农业新兴优势产业，确定了广西是全国首个推广使用非粮原料乙醇汽油的省区。由于广西拥有廉价的、丰富的木质纤维素资源，用木质纤维素生产燃料乙醇对广西非粮生物质能源产业的发展具有重要意义。迄今，国际上还没有一家工业规模用木质纤维素为原料生产燃料乙醇的企业，最主要的障碍是纤维素酶水解成本太高，占生产工艺总耗值的20%[4]。
微生物是纤维素酶的最主要来源，纤维素酶是一组复合酶的总称，主要包括：内切葡聚糖酶(endoglucanase，EG，EC 3.2.1.4)、外切葡聚糖酶(exoglucanase，又叫纤维二糖水解酶， cellobiohydrolase，CBH，EC 3.2.1.91)和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase，BGL，EC 3.2.1.21)[5]。用于生产纤维素酶的微生物菌株大多是丝状真菌，例如木霉属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)和青霉属(Penicillium)[6,7]。目前，国际上主要用里氏木霉(Trichoderma reesei)突变菌株进行工业生产纤维素酶制剂。尽管木霉属菌株的纤维素酶活性较高，但其分泌的纤维素酶系不够完整， 胞外BGL活性低，通常需要添加额外的BGL才能高效地降解木质纤维素，增加了成本。
研究发现，青霉属能分泌完整的纤维素酶系，可以解决以上矛盾，是目前最有
潜力和里氏木霉相媲美的真菌[7]。但是，传统天然青霉菌株纤维素酶产量以及酶活性还达不到工业生产的要求。因此，详细深入研究青霉属纤维素酶系组成、表达调控等具有重要的理论与应用价值。本文将对青霉属纤维素酶基因资源及其表达调控、以及青霉纤维素酶基因的重组表达的相关研究进展进行综述和分析。
1 青霉纤维素酶基因资源
自然界中，降解木质纤维素的真菌主要集中在丝状真菌木霉属、青霉属和曲霉属。在中国亚热带和热带森林，青霉属和木霉属菌株是优势种群[8]。已报道的分泌纤维素酶的青霉属菌株至少有30种，其中，对草酸青霉(P.oxalicum，POX)和微紫青霉(P.janthinellum，PJA)研究最为详细[9,10]。研究表明，青霉属真菌可以作为里氏木霉的替代菌株，应用在第二代木质纤维素燃料乙醇工业生产上。其优点在于(1)青霉属纤维素酶系含有高BGL酶活，例如：具有相等滤纸酶活力的青霉纤维素酶系，降解木质纤维素产生的葡萄糖是里氏木霉的1.5～3.0倍；(2)青霉属纤维素酶系中糖苷水解酶(glycosyl hydrolase，GH)家族7的CBH1比活高，例如： 在相同蛋白量的条件下，细疣青霉(P.verruculosum) 的CBH1与嗜酸栖热菌(Acidothermus cellulolyticus) EG协同作用对玉米秸秆和微晶纤维素进行水解，其转化率是里氏木霉CBH1与之协同作用的1.3～1.5 倍[7]。 1.1 青霉纤维素酶基因的克隆
已知的青霉纤维素酶基因已超过100个，主要集中在巴西青霉(P.brasilianum，PBR)、变灰青霉(P.canescens，PCA)、产黄青霉(P.chrysogenum，PCH)、皮落青霉(P.crustosum，PCR)、斜卧青霉(P.decumbens，PDE)、指状青霉
青霉纤维素酶基因的表达调控与重组表达研究进展
