Расщепление целлюлозы без разрушения лигнина
Гриб Serpula lacrymans, вызывающий сухую гниль, наносит ущерб зданиям по всему миру. Его способность разрушать целлюлозу в древесине стала причиной секвенирования его генома в 2007 году Объединенным институтом генома (DOE JGI) Министерства энергетики США. Цель — выявить ферменты, участвующие в деградации, для улучшения производства целлюлозного биотоплива.
Как сообщено 14 июля в Science Express, международная команда ученых, включая исследователей из DOE JGI, сравнила геном Serpula lacrymans (второго секвенированного гриба бурой гнили) с 10 другими опубликованными грибными геномами. Анализ позволил понять механизм расщепления целлюлозы Serpula и роль грибов бурой гнили в формировании бореальных лесов и глобальном углеродном цикле.
«Это один из тех грибов, которых все знают. У него очень агрессивная форма расщепления целлюлозы», — сказал первый автор исследования Дэн Иствуд из Университета Суонси. Он отметил, что способность грибов разлагать лигноцеллюлозу связана с коэволюцией бореальных лесов и грибов. Предком всех современных дереворазрушающих грибов был гриб белой гнили. Грибы бурой гнили произошли от него позже и, поскольку они обходят лигнин, атакуя гемицеллюлозу и целлюлозу напрямую, считаются более эффективными.
Анализ генома S. lacrymans размером 48.2 млн нуклеотидов позволил сравнить семейства генов, участвующих в механизмах разрушения целлюлозы грибами бурой гнили и разрушения целлюлозы и лигнина грибами белой гнили. Иствуд отметил, что химические процессы у Serpula и Postia placenta (первого секвенированного гриба бурой гнили) различаются. «Мы описываем здесь уточнение набора генов, абсолютно необходимых для расщепления целлюлозы. Частично это связано с тем, что механизм разрушения древесины стал проще, поскольку грибы бурой гнили не расщепляют лигнин».
Старший автор исследования Сара Уоткинсон из Оксфордского университета подчеркнула роль грибов бурой гнили в глобальном углеродном цикле. После разрушения целлюлозы грибами остатки древесины (в основном лигнин) составляют до 30% углерода в почвах хвойных лесов. Хвойные леса — один из крупнейших наземных поглотителей углерода. «Активность бурой гнили очень значима для глобального круговорота углерода».
Наличие генома Serpula открывает множество направлений для исследований. Джонатан Шиллинг из Университета Миннесоты видит его применение в биоэнергетике: «Грибы бурой гнили каким-то образом обошли этап атаки на лигнин, чтобы более эффективно добраться до целлюлозы. Это предполагает повышение эффективности, и нам стоит обратить на это внимание». Наличие второго референсного генома гриба бурой гнили, особенно от столь хорошо изученного вида, расширяет базу знаний о шести различных линиях этих грибов.
Игорь Григорьев, руководитель направления грибной геномики в DOE JGI, отметил, что теперь доступны геномы двух грибов белой и двух грибов бурой гнили, а еще около дюжины — в очереди. Институт секвенировал оба варианта Serpula: вызывающий сухую гниль в зданиях и обитающий в хвойных лесах. Усилия DOE JGI составляют 40% всех грибных геномов, депонированных в публичные базы данных. «Мы приближаемся к точке, где можем сравнивать три экологических стратегии грибов: сапротрофов (включая дереворазрушителей), симбионтов и патогенов, и обнаруживаем, что четких, черно-белых ассоциаций с каждой категорией нет».
Совместный старший автор Франсис Мартин из французского Национального института агрономических исследований (INRA) подчеркнул важность этой работы для понимания эволюции лесных грибов. «Serpula — это "недостающее звено" в континууме "сапротрофизм-мутуализм". И Serpula (бурая гниль), и симбионт Laccaria bicolor (также секвенированный DOE JGI) лишены наиболее агрессивных ферментов, используемых грибами белой гнили для разрушения лигнина. Утрата этого механизма могла позволить предкам бурой гнили перейти к микоризному мутуализму, обеспечивающему привилегированный доступ к углеводам дерева». Это исследование, заключил Мартин, «углубляет наше понимание возникновения этих процессов, особенно в связи со здоровьем и продуктивностью деревьев, которые играют ключевую роль в наземном круговороте углерода, его секвестрации и других биогеохимических циклах, а также для разработки новых стратегий деконструкции биомассы для улучшения биотоплива».