真菌如何为世界提供营养

像我们大多数人一样，树木不想被活着吃掉。为了防止这种令人毛骨悚然的命运，他们在大约4亿年前开发了极其坚韧的细胞壁。数百万年来，没有任何东西可以分解木质素，这是细胞壁中最强的物质。当一棵树死了之后，它就沉入了它生长的沼泽地。当化石记录开始显示树木在大约3亿年前破裂时，大多数科学家认为这是因为当时无处不在的沼泽正在枯竭。

但克拉克大学的生物学家David Hibbett怀疑这不是全部。研究员詹妮弗罗宾逊的另一种理论引起了他的兴趣。她认为，与其仅仅是生态系统变化相比，其他一些因素起了重要作用 - 一种能够分解木质素的能力。通过能源部(DOE)科学办公室支持的进化生物学研究，Hibbett及其团队证实了她的理论。他们发现，正如她预测，一组真菌称为“白腐真菌”演变为分解木质素大致相同的时间煤炭形成急剧下降的能力。他的研究表明了白腐真菌对地球进化的重要性。

真菌仍然是不可或缺的。自然世界的短期厨师，他们有一个无人问津的工作，使我们其他人可以获得营养。就像烹饪菠菜使其更容易消化一样，一些真菌可以分解植物细胞壁，包括木质素。这使得其他生物更容易使用那些细胞壁中的碳。

美国能源部太平洋西北国家实验室的生物学家斯科特贝克说：“我们都生活在真菌的消化道中。”如果我们没有被腐烂死亡植物材料的真菌包围，那么植物将更难获得它们所需的营养。

为了解真菌在生态系统中的作用并支持生物燃料研究，美国能源部科学办公室支持的科学家正在研究真菌如何进化以分解木材和其他植物。

真菌的特殊技能

真菌面临着艰巨的任务。树木的细胞壁含有木质素，木质素可以阻挡树木并帮助它们抵抗腐烂。如果没有木质素，加利福尼亚州的红杉和亚马逊木棉花将无法在数百英尺的空中翱翔。树木的细胞壁也包括纤维素，这种化合物更容易被消化，但仍难以分解成单糖。

通过与树木共同进化，真菌设法绕过这些防御。真菌是唯一可以分解或显着改变木质素的主要生物。与大多数其他生物相比，它们在分解纤维素方面也要好得多。

事实上，真菌比人和我们开发的机器更好。生物能源工业还不能有效且经济地分解木质素，木质素是将非杨树等非食用植物转化为生物燃料所必需的。大多数当前的工业过程燃烧木质素或用昂贵且低效的化学品处理木质素。了解真菌如何分解木质素和纤维素可以使这些过程更加经济实惠和可持续发展。

追踪真菌家谱

虽然真菌几乎遍布地球上的任何地方，但遗传和蛋白质分析的进步使我们能够看到这些短序厨师如何在他们的厨房中工作。科学家可以在野外采集真菌，并在实验室中分析其基因组成。

通过比较不同类型真菌中的基因以及这些真菌如何在进化上相互关联，科学家们可以追踪真菌随着时间的推移而获得或失去的基因。他们还可以检查个体真菌在任何时候“开启”或“关闭”的基因。

通过鉴定真菌的基因及其产生的蛋白质，科学家可以匹配哪些基因编码哪些蛋白质。许多寻求这样做的项目利用了联合基因组研究所(JGI)和环境分子科学实验室(EMSL)的资源，这两个实验室都是科学办公室的用户设施。

了解腐烂

正如不同的厨师使用不同的技术一样，真菌有多种方法可以分解木质素，纤维素和木材细胞壁的其他部分。

白腐

虽然真菌出现在数百万年前，但被称为白腐病的真菌群是第一种分解木质素的真菌。这个群体仍然是一个主要的参与者，在森林中留下木质片状和漂白的外观。

“白腐是惊人的，”希伯特说。

为了分解木质素，白腐真菌使用强酶，蛋白质加速化学反应。这些酶分解了许多木质素的化学键，将其转化为单糖并将二氧化碳释放到空气中。在任何其他类型的真菌中腐烂木质素仍然更好。

布朗腐烂

与白腐病的强效作用相比，科学界一直认为被称为褐腐真菌的群体很弱。那是因为褐腐真菌不能完全分解木质素。

回顾他在20世纪80年代的大学课程，马萨诸塞大学阿默斯特分校的教授Barry Goodell说：“当时的教师认为这些可怜的小东西是原始的。”

永远不要低估真菌。尽管褐腐真菌仅占分解木材的物种的6%，但它们分解了世界上80%的松树和其他针叶树。正如2009年与JGI合作的科学家发现的那样，棕腐病与白腐病相比并不原始。事实上，褐腐病实际上是从早期的白腐真菌中进化而来的。随着棕色腐烂物种的进化，它们实际上失去了编码木质素破坏酶的基因。

就像好厨师适应新厨房一样，进化导致褐腐真菌找到更好的方法。他们不是单独释放能量密集型酶的蛮力，而是通过更有效的“螯合剂介导的芬顿反应”(CMF)过程补充酶的作用。该过程通过产生过氧化氢和其他化学物质来破坏木质细胞壁。这些化学物质在环境中自然地与铁反应以分解木材。这个过程不是完全分解木质素，而是将其改造得足以使真菌到达细胞壁中的其他化学物质。

这个发现只有一个问题。从理论上讲，CMF的化学反应非常强烈，它应该分解真菌和它所依赖的酶。明尼苏达大学(University of Minnesota)副教授乔纳森•席林(Jonathan Schilling)表示，“它最终会自行消失”。

科学家的主要理论是，真菌在反应和酶之间形成了物理屏障。为了测试这个想法，席林和他的团队在非常薄的木头上种了一种褐腐病菌。当他们看着真菌在木头上行进时，他们看到真菌正在破坏这个过程而不是在太空中，而是在时间上。首先，它表达了产生腐蚀反应的基因。两天后，它表达了产生酶的基因。考虑到真菌可能需要数年甚至数十年来分解日志，48小时是一个短暂的时间。

科学家们仍在试图弄清楚CMF过程扮演的角色。席林和志同道合的研究人员认为酶仍然是这一过程的主要部分，而古德尔的研究表明，CMF反应完成了大部分工作。Goodell的研究小组报告说，CMF反应可以使一块松木的液化率高达75%。

无论哪种方式，CMF过程为生物精炼厂提供了巨大的潜力。使用褐腐真菌的预处理可以使工业使用更少的昂贵，能量密集的酶。

并非所有真菌都是独立的。许多类型与动物共生，因为真菌和动物相互依赖，提供基本服务。

与Rumens合作

吃草的奶牛和其他动物依靠肠道真菌和其他微生物帮助分解木材细胞壁中的木质素，纤维素和其他物质。虽然真菌仅占肠道微生物的8%，但它们分解了50%的生物量。

为了确定肠道真菌产生的酶，Michelle O'Malley和她在加州大学圣巴巴拉分校的团队在木质纤维素上种植了几种肠道真菌。然后他们喂他们简单的糖。由于真菌“吃”了简单的糖，他们停止了打破细胞壁的艰苦工作，比如选择外卖而不是在家做饭。

根据食物来源，真菌“关闭”某些基因并改变它们产生的酶。科学家们发现，这些真菌产生的酶比工业上使用的真菌多出数百种。他们还发现，酶一起工作比目前的工业过程更有效。

“这是我们从未见过的酶的巨大差异，”奥马利说。

O'Malley最近的研究表明，通过连接肠道真菌产生的酶组，工业可以更有效地生产生物燃料。

白蚁为真菌农民

有些真菌在动物肠道外工作，就像那些与白蚁搭配的真菌一样。与吃草或叶子的动物相比，热带白蚁在分解木材方面更有效，两者都更容易消化。年轻的白蚁首先将真菌孢子与木材混合在一起，然后将它们放在受保护的室内。经过45天的真菌分解后，较老的白蚁会吃这种混合物。到最后，木材几乎被完全消化。

“用于食物的真菌培养[通过白蚁]是地球上最显着的共生形式之一，”威斯康星大学麦迪逊分校教授，美国能源部大湖生物能源研究中心研究员Cameron Currie说。

科学家们认为，大部分分解发生在肠道外，对年轻白蚁的工作不予理睬。但威斯康星大学麦迪逊分校的生物学家李鸿基想知道，年幼的昆虫是否应得到更多的信任。他发现年轻工人的胆量会破坏木质素的大部分。此外，所涉及的真菌不使用任何典型的白色或棕色腐真菌产生的酶。由于与白蚁相关的真菌和肠道微生物群最近已经进化，这一发现可能为新的创新打开了大门。

从实验室到制造车间

从森林地面到白蚁丘，真菌分解可为生物燃料生产提供新工具。一种途径是工业直接生产真菌和相关的微生物群的酶和其他化学品。当他们分析白蚁 - 真菌系统时，科学家发现了数百种独特的酶。

“我们正试图挖掘基因，发现一些超级酶进入行业水平，”李说。

更有希望的途径可能是公司将编码这些酶的基因转移到它们已经培养的生物体中，如酵母或大肠杆菌。一个更加激进但可能富有成效的途径是工业界模仿天然真菌群落。

数百万年来，真菌已经成为短期厨师，以打破木材和其他植物。通过对他们能力的新认识，科学家们正在帮助我们理解他们对地球过去和未来的重要性。