真菌世界是如何提供营养物质

为了防止这种可怕的命运,他们开发了非常艰难的细胞壁大约4亿年前。数百万年来,什么也不能打破木质素在那些细胞壁,最强的物质。树死后,它就陷入了沼泽了。当化石记录开始显示树分解大约3亿年前,大多数科学家认为这是因为当时的无处不在的沼泽干涸。

但是克拉克大学的生物学家大卫Hibbett怀疑并不是故事的全部。另一个理论从研究员珍妮弗·罗宾逊好奇他。她认为生态系统变化的,别的东西——发展发挥着重要作用降解木质素的能力。通过进化生物学研究由美国能源部(DOE)办公室,Hibbett和他的研究小组证实了她的理论。他们发现,正如她预言,一群真菌被称为“白色腐真菌“进化能够分解木质素约煤形成的同时大大降低了。他的研究白腐真菌是多么重要地球的进化。

真菌仍是不可或缺的。自然世界的快餐的厨师,他们有一个名不见经传的工作让我们获取营养。就像烹饪菠菜更易于消化,有些真菌分解植物细胞壁,包括木质素。让其他生物更容易使用的碳的细胞壁。

“我们都生活在消化道的真菌,”斯科特·贝克说,能源部西北太平洋国家实验室的生物学家。如果我们不被真菌植物腐烂死亡,这将是更难植物获得他们所需要的营养。

理解真菌在生态系统中扮演的角色和支持生物燃料研究,由美国能源部科学办公室支持的科学家们正在研究如何分解真菌进化木和其他植物。

真菌的特殊技能

真菌面临一个艰巨的任务。树木的细胞壁含有木质素,举起树木和帮助他们抵抗腐烂。没有木质素,加州红杉和亚马逊木棉不能翱翔数百英尺到空气中。树木的细胞壁也包括纤维素、类似的化合物,容易被消化,但仍难以分解成简单的糖.

通过与树木共赢,真菌设法绕过这些防御。真菌是唯一的主要生物可以分解或大幅修改木质素。他们也更好地比大多数其他生物分解纤维素。

事实上,真菌甚至比人和机器更好我们开发。生物能源产业还不能有效、合理分解木质素,是需要将非食用植物如杨树转换为生物燃料。目前大多数工业过程把木质素或治疗昂贵和低效的化学物质。学习真菌降解木质素和纤维素能使这些过程更负担得起的和可持续的。

跟踪真菌家族树

而真菌生活地球上几乎无处不在,基因和蛋白质分析的进步现在让我们看看这些快餐的厨师在厨房工作。科学家可以在野外样真菌的基因组成和分析实验室。

通过比较基因在不同类型的真菌和这些真菌是如何进化相关,科学家可以跟踪哪些基因真菌获得或丢失。他们还可以检查哪些基因个体真菌已将“打开”或“关闭”在任何一个时间。

通过确定真菌的基因和蛋白质产生,科学家可以匹配的蛋白质的基因代码。许多项目试图这样做水龙头的资源联合基因组研究所(变得)和环境分子科学实验室(EMSL),办公室科学用户设备。

理解腐烂

就像不同的厨师使用不同的技术、真菌有多种方式来分解木质素,纤维素,其他部分木材的细胞壁。

白腐病

尽管真菌出现数百万年前,真菌集团被称为白色腐烂分解木质素是第一个类型。这个群体仍然是一个主要玩家,留下木片状和bleached-looking在森林里。

“白腐病是惊人的,”Hibbett说。

分解木质素,白腐真菌使用强酶,蛋白质,加速化学反应。这些酶分离木质素的化学键,将其转化为单糖和释放二氧化碳到空气中。白腐病仍在渲染木质素比任何其他类型的真菌。

褐腐病

白腐病的强大效果相比,科学界长期认为该集团被称为褐腐病真菌很软弱。这是因为褐腐病真菌无法完全分解木质素。

回忆他的大学课程在1980年代,Barry Goodell马萨诸塞大学阿默斯特教授说,“当时老师认为他们这些可怜的是原始的东西。”

永远不要低估一个真菌。尽管褐腐病真菌只占6%的物种,分解木材,它们分解世界上80%的松树和其他针叶树。作为科学家一起工作变得更在2009年发现,褐腐病不是原始而白腐病。事实上,褐腐病实际上是从早期白腐真菌。褐腐病物种进化而来,他们实际上失去了为lignin-destroying酶基因代码。

像好厨师们适应新厨房,进化导致褐腐病真菌找到一个更好的方法。而不是释放能源密集型酶的蛮力,他们补充酶行动更有效率”chelator-mediated芬顿反应”(CMF)的过程。这个过程分解木材细胞壁产生过氧化氢和其他化学物质。这些化学物质与铁反应自然环境中的分解木材。而不是完全分解木质素,这个过程修改它足够的真菌中的其他化学物质细胞壁.

只有一个问题发现。理论上,CMF化学反应如此强烈应该分解菌和酶它依赖。说:“它最终将消灭乔纳森先令,明尼苏达大学的副教授。

科学家的主要理论是真菌创造了一个物理屏障之间的反应和酶。为了测试这一想法,先令和他的团队成长褐腐病真菌在很薄的木头。当他们看到真菌通过木材,他们看到的真菌是分手的过程不是在空间,但在时间。首先,它表达基因产生腐蚀反应。两天后,它创建酶表达基因。考虑到真菌可以持续数年甚至数十年打破一个日志,48小时是昙花一现。

科学家们仍在试图找出CMF过程中发挥多大的作用。先令和志同道合的研究者认为酶仍然是一个主要过程的一部分,而Goodell的研究表明,CMF反应做的大部分工作。Goodell的团队报告说CMF的反应可能会溶解多达75%的一块松木.

无论哪种方式,CMF生物炼制过程提供了很大的潜力。使用褐腐病真菌预处理可以允许行业使用更少的昂贵,能源密集型的酶。

并不是所有的真菌独立。许多类型与动物生活在共生,真菌和动物相互依赖的基本服务。

与瘤胃的伙伴关系

吃草的牛和其他动物依靠肠道真菌和其他微生物帮助分解木质素,纤维素,和其他材料在木材的细胞壁。而真菌只有8%的肠道微生物,他们打破50%的生物量。

找出哪些酶肠道真菌生产、米歇尔·奥马利和她的团队在加州大学圣芭芭拉了好几种肠道真菌木质纤维素。然后他们简单的糖。真菌“吃”的单糖,他们停止分解细胞壁的努力工作,像选择外卖,而不是在家里做饭。

根据食物来源,真菌“关闭”某些基因和转移酶生产。科学家发现,这些真菌产酶数百高于真菌用于工业。他们还发现,酶一起工作比目前工业过程更加有效。

在酶”,是一个巨大的多样性,我们从未见过,”O ' malley说。

奥马利的最近的研究表明,行业可以生产生物燃料更有效连接组肠道菌产生的酶类似.

白蚁是真菌的农民

一些真菌工作以外的动物的内脏,比如那些与白蚁合作。热带白蚁更有效地分解木材比动物吃草或树叶,两者都是更容易消化。年轻白蚁第一混合真菌孢子和木头在自己的胃,然后在保护室粪便。45天后真菌分解,年长的白蚁吃这个组合。最后,木材几乎完全消化。

”的培养真菌对食品(白蚁)是地球上最引人注目的形式的共生关系,”卡梅伦Currie表示,麦迪逊市威斯康辛大学的教授和研究人员与美国能源部的大湖生物能源研究中心。

科学家认为,大多数的分解发生在肠道,打折的工作年轻的白蚁。但李积,麦迪逊,威斯康辛大学的生物学家想知道年轻的昆虫应该得到更多的信贷。他发现年轻工人的勇气打破木质素。此外,涉及的真菌白色或不使用任何典型的酶褐腐病真菌生产。因为真菌和白蚁肠道微生物群与进化最近,这一发现可能打开门新的创新。

从实验室到生产楼

白蚁从森林地板,真菌分解可以提供新的工具对生物燃料的生产。工业路线之一是直接产生真菌和相关的微生物群的酶和其他化学物质。分析termite-fungi系统时,科学家发现数以百计的独特的酶。

“我们试图深入研究基因发现一些超级酶进入行业水平,”李说。

更有前途的路线可能会对公司编码这些酶的基因转移到生物,他们已经可以培养酵母和大肠杆菌。更激进,但潜在的富有成效的途径是行业模仿自然真菌社区。

数百万年,真菌却像快餐的厨师来分解木材和其他植物。新认识的能力,科学家们正在帮助我们理解他们是多么重要,地球的过去和未来。