【摘 要】
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木质素阻碍反刍动物对粗饲料的降解利用,实验室前期研究发现水牛瘤胃微生物具有降解利用木质素的能力,且分离的木质素降解细菌含有漆酶(木质素降解酶)的编码基因。为探索水牛瘤胃微生物降解木质素的潜力以及克隆表达的水牛瘤胃细菌源漆酶的酶学性质,本研究首先采集3头成年瘘管水牛的瘤胃内容物,通过宏基因组测序探索水牛瘤胃降解木质素相关的微生物、酶和通路;并利用实验室前期分离的2株水牛瘤胃源木质素降解细菌假中间苍白
【基金项目】
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“十三五”国家重点研发计划项目“现代奶牛高效安全养殖技术应用与示范”(NO.2018YFD0501605); “湖北省农业科技创新中心畜禽遗传改良及健康养殖技术团队”(NO.2019-620-000-001-30)
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木质素阻碍反刍动物对粗饲料的降解利用,实验室前期研究发现水牛瘤胃微生物具有降解利用木质素的能力,且分离的木质素降解细菌含有漆酶(木质素降解酶)的编码基因。为探索水牛瘤胃微生物降解木质素的潜力以及克隆表达的水牛瘤胃细菌源漆酶的酶学性质,本研究首先采集3头成年瘘管水牛的瘤胃内容物,通过宏基因组测序探索水牛瘤胃降解木质素相关的微生物、酶和通路;并利用实验室前期分离的2株水牛瘤胃源木质素降解细菌假中间苍白杆菌和蜡样芽胞杆菌的全基因组序列,挖掘到5个漆酶基因,以大肠杆菌BL21(DE3)菌株为宿主构建重组表达菌,探究重组漆酶的酶学性质,为水牛瘤胃源木质素降解酶的开发和耐粗饲机理的研究提供科学参数。主要研究结果如下:1、宏基因组学分析结果表明,水牛瘤胃具有丰富的木质素降解细菌、酶和代谢通路,待开发程度较高。(1)水牛瘤胃中与木质素降解相关的微生物主要来自拟杆菌属、普雷沃氏菌属、丁酸弧菌属、纤维杆菌属、真杆菌属等。(2)水牛瘤胃中最丰富的碳水化合物酶是糖苷水解酶,发现了多种木质素降解酶,主要包括漆酶、过氧化物酶、阿魏酸酯酶等。(3)水牛瘤胃中最主要的代谢方式是碳水化合物的代谢和氨基酸的代谢,发现了多条木质素降解相关代谢通路,主要包括木质素分解代谢过程、苯丙氨酸代谢、苯甲酸盐代谢、芳香族化合物代谢过程等。2、水牛瘤胃蜡样芽孢杆菌源的重组漆酶Lac3833能够降解木质素磺酸钠。将假中间苍白杆菌中的2个漆酶(lac01691、lac03031)基因和蜡样芽孢杆菌中的3个漆酶(lac3833、lac1866、lac118)基因分别连接到p ET28a(+)载体并最终转化至BL21(DE3)菌株,构建了5株原核表达菌。克隆表达及酶学性质研究结果表明:(1)通过不同异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)浓度和温度梯度诱导表达的5个重组漆酶,仅Lac01691和Lac3833可溶性好、表达量高。Lac01691的最佳表达条件为16℃和0.4mmol/L IPTG,Lac3833的最佳表达条件为16℃和0.2mmol/L IPTG。Lac01691的咪唑最佳洗脱浓度范围为60mmol/L到180mmol/L,Lac3833为40mmol/L到160mmol/L。(2)Lac3833的酶活性显著高于Lac01691,在2,2-联氮-二-3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸-二铵盐(ABTS)、2,6-二甲氧基苯酚(2,6-DMP)和愈创木酚3种底物下,Lac3833发挥酶活性的最适温度均为40℃。当底物为ABTS和2,6-DMP时,Lac3833在p H4.5时的相对活性最高;当底物为愈创木酚时,Lac3833在p H5.5时的相对活性最高。Lac3833在40℃的稳定性优于45℃,在p H值为5.0的缓冲液中的稳定性优于4.0和4.5,反应24h后对木质素磺酸钠的最高降解率为8.39%。综上所述:(1)宏基因组学分析揭示了水牛瘤胃木质素降解微生物主要来自拟杆菌属、普雷沃氏菌属、丁酸弧菌属等,其中含有漆酶、氧化酶等木质素降解酶的编码基因。(2)以BL21(DE3)菌株为异源宿主表达的水牛瘤胃源蜡样芽孢杆菌漆酶Lac3833,可溶性好,表达量高,具有较好的温度和p H稳定性,能够降解木质素磺酸钠。
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