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作为可再生资源,木质纤维素类生物质分布广泛,储量丰富。这类生物质主要组分是纤维素、半纤维素和木质素,其中纤维素的含量最高。利用微生物发酵生产的纤维素酶将纤维素组分降解为葡萄糖作为微生物细胞培养和发酵的基础原料,生产生物燃料和生物基化学品,不仅能减轻对石油等不可再生资源的依赖,而且生物燃料和生物基化学品还具有环境友好的特点,是经济和社会可持续发展的重大需求。然而,纤维素酶生产成本高导致水解糖的成本高,限制了木质纤维素类生物质资源的开发利用。丝状真菌是自然界中降解木质纤维素的主要微生物,其中里氏木霉(Trichodermareesei)最具有代表性,很多纤维素酶高产菌株都来自里氏木霉。目前对里氏木霉产纤维素酶的研究主要集中在两个方面:一方面是从机理上阐明里氏木霉产酶调控机制,为菌株遗传改造育种提供理论支持;另一方面是对里氏木霉酶系组分及性能进行优化,提高酶系各组分水解纤维素的协同效果。T.reesei Rut-C30曾是纤维素酶生产工业菌株,也是研究最广泛的产纤维素酶模式菌株及目前工业菌株选育的出发菌株。本文研究工作从里氏木霉人工锌指蛋白转录因子突变体文库中筛选获得了高产纤维素酶突变株T.reeseiM1和M2;以孢子接种方式进行摇瓶发酵,突变株M1和M2的纤维素酶活较出发菌株分别提高100.8%和53.2%,且M1突变株外泌蛋白量提高69.1%,M2内切纤维素酶活提高64.2%;对突变株中人工锌指蛋白转录因子序列进行分析,发现人工锌指蛋白转录因子基因片段在染色体中整合位点位于Scaffold 1:TrireRUTC30:4597和TrireRUTC30:67627两个基因间隔区,且与上述两基因启动子或终止子距离较远;RT-qPCR分析结果显示,突变株M1和M2中主要纤维素酶基因转录均上调,且纤维素酶主要正调控转录因子基因xyr1在M1突变株中有明显上调,而纤维素酶抑制转录因子基因ace1在两株突变株中都明显下调。上述研究结果表明人工锌指蛋白对T.reesei Rut-C30纤维素酶活性的影响具有多样性。对突变株M2中人工锌指蛋白转录因子预测靶基因的转录分析发现,基因TrireRUTC30:10530(Trctf1)转录水平明显下调,而敲除基因Trctfl导致菌株在纤维素诱导条件下纤维素酶酶活较出发株提高了 43.8%,而使用组成型强启动子pdcl持续高效表达Trctf1后,突变株的纤维素酶生产受到明显抑制,转录组分析进一步发现敲除菌株中纤维素酶转录激活因子Vib1、Xyr1和Ace3的转录均明显上调,而转录抑制因子Rce1转录量则明显下调。推测转录因子Trctf1在T.resei Rut-C30中对纤维素酶合成起负调控作用。这一研究结果表明人工锌指蛋白转录因子技术可用于靶基因功能鉴定。纤维素酶高产菌M2中人工锌指蛋白转录因子由特异DNA结合域和酵母来源的Ga14激活域组成,而T.rresei中纤维素酶合成主要由与酵母Ga14相似的转录激活因子Xyr1调控。基于此,设计了一个新型人工嵌合转录因子AZFP-M2-Xyr1AD并研究其对T.reesei纤维素酶合成的影响。分别将菌株M2中人工锌指蛋白转录因子AZFP-M2-Gal4和嵌合转录因子AZFP-M2-Xyr1 AD定点插入到T.reesei TU-6菌株xyn3基因位点,构建菌株QS1和QS2。摇瓶发酵结果显示:QS1和QS2纤维素酶滤纸酶活分别较出发株提高39.4%和73.7%。转录分析发现QS1和QS2中编码主要纤维素酶和辅助蛋白的基因转录较出发株均明显上调,而编码主要纤维素酶调控因子基因的转录却有显著差异,揭示上述两个人工转录因子参与调控T.reesei纤维素酶合成的分子机制不同。此外,比较出发株TU-6、QS1和QS2菌株发酵获得的粗酶液对碱预处理后玉米秸秆和菊芋秸秆的酶解效果,发现QS2菌株粗酶液水解后葡萄糖释放量比TU-6粗酶液水解分别提高了97.9%和14.0%,比QS1粗酶液处理分别提高90.2%和8.2%。上述实验结果表明,利用T.reesei内源转录因子Xyr1的激活域所构建的人工转录因子AZFP-M2-Xyr1 AD比酵母来源Gal4激活域构建的人工锌指蛋白转录因子AZFP-M2-Gal4更能有效调控T.reesei纤维素酶生产。里氏木霉中纤维素酶系不全导致各酶比例不均衡,严重影响纤维素组分水解过程协同作用效果。之前更多研究偏向于对酶系进行体外复配,但这无疑造成了成本增加。通过基因工程手段对T.reesei纤维素酶系合成进行改造和优化,不仅可以降低产酶成本也可以减少纤维素降解所需酶量。因此,研究工作将主要内切酶基因egl1定点插入到纤维素酶转录抑制因子ace1基因位点,通过基因工程手段对T.reesei酶系进行优化,构建菌株QS305。实验结果表明:QS305在摇瓶发酵中总纤维素酶和内切酶酶活分别较出发株Rut-C30提高90.0%和132.7%;在5-L发酵罐中发酵108 h,QS305菌株纤维素酶产量可达10.7 FPU/mL,较出发株提高75.4%。此外,QS305所产粗酶液较出发株能有效对碱预处理后玉米秸秆和菊芋秸秆进行降解。本研究工作利用人工锌指蛋白技术对.T reesei Rut-C30中未知的纤维素酶调控因子进行挖掘,为深入理解T.reesei菌株纤维素酶调控机制提供了参考,并通过基因工程手段对酶系合成进行了调控,为进一步优化纤维素组分酶解性能奠定了基础。