為了防止這種可怕的命運(yùn),他們開發(fā)了非常艱難的細(xì)胞壁大約4億年前。數(shù)百萬年來,什么也不能打破木質(zhì)素在那些細(xì)胞壁,最強(qiáng)的物質(zhì)。樹死后,它就陷入了沼澤了。當(dāng)化石記錄開始顯示樹分解大約3億年前,大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的無處不在的沼澤干涸。

但是克拉克大學(xué)的生物學(xué)家大衛(wèi)Hibbett懷疑并不是故事的全部。另一個(gè)理論從研究員珍妮弗·羅賓遜好奇他。她認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)變化的,別的東西——發(fā)展發(fā)揮著重要作用降解木質(zhì)素的能力。通過進(jìn)化生物學(xué)研究由美國能源部(DOE)辦公室,Hibbett和他的研究小組證實(shí)了她的理論。他們發(fā)現(xiàn),正如她預(yù)言,一群真菌被稱為“白色腐真菌“進(jìn)化能夠分解木質(zhì)素約煤形成的同時(shí)大大降低了。他的研究白腐真菌是多么重要地球的進(jìn)化。

真菌仍是不可或缺的。自然世界的快餐的廚師,他們有一個(gè)名不見經(jīng)傳的工作讓我們獲取營養(yǎng)。就像烹飪菠菜更易于消化,有些真菌分解植物細(xì)胞壁,包括木質(zhì)素。讓其他生物更容易使用的碳的細(xì)胞壁。

“我們都生活在消化道的真菌,”斯科特·貝克說,能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的生物學(xué)家。如果我們不被真菌植物腐爛死亡,這將是更難植物獲得他們所需要的營養(yǎng)。

理解真菌在生態(tài)系統(tǒng)中扮演的角色和支持生物燃料研究,由美國能源部科學(xué)辦公室支持的科學(xué)家們正在研究如何分解真菌進(jìn)化木和其他植物。

真菌的特殊技能

真菌面臨一個(gè)艱巨的任務(wù)。樹木的細(xì)胞壁含有木質(zhì)素,舉起樹木和幫助他們抵抗腐爛。沒有木質(zhì)素,加州紅杉和亞馬遜木棉不能翱翔數(shù)百英尺到空氣中。樹木的細(xì)胞壁也包括纖維素、類似的化合物,容易被消化,但仍難以分解成簡單的糖.

通過與樹木共贏,真菌設(shè)法繞過這些防御。真菌是唯一的主要生物可以分解或大幅修改木質(zhì)素。他們也更好地比大多數(shù)其他生物分解纖維素。

事實(shí)上,真菌甚至比人和機(jī)器更好我們開發(fā)。生物能源產(chǎn)業(yè)還不能有效、合理分解木質(zhì)素,是需要將非食用植物如楊樹轉(zhuǎn)換為生物燃料。目前大多數(shù)工業(yè)過程把木質(zhì)素或治療昂貴和低效的化學(xué)物質(zhì)。學(xué)習(xí)真菌降解木質(zhì)素和纖維素能使這些過程更負(fù)擔(dān)得起的和可持續(xù)的。

跟蹤真菌家族樹

而真菌生活地球上幾乎無處不在,基因和蛋白質(zhì)分析的進(jìn)步現(xiàn)在讓我們看看這些快餐的廚師在廚房工作。科學(xué)家可以在野外樣真菌的基因組成和分析實(shí)驗(yàn)室。

通過比較基因在不同類型的真菌和這些真菌是如何進(jìn)化相關(guān),科學(xué)家可以跟蹤哪些基因真菌獲得或丟失。他們還可以檢查哪些基因個(gè)體真菌已將“打開”或“關(guān)閉”在任何一個(gè)時(shí)間。

通過確定真菌的基因和蛋白質(zhì)產(chǎn)生,科學(xué)家可以匹配的蛋白質(zhì)的基因代碼。許多項(xiàng)目試圖這樣做水龍頭的資源聯(lián)合基因組研究所(變得)和環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMSL),辦公室科學(xué)用戶設(shè)備。

理解腐爛

就像不同的廚師使用不同的技術(shù)、真菌有多種方式來分解木質(zhì)素,纖維素,其他部分木材的細(xì)胞壁。

白腐病

盡管真菌出現(xiàn)數(shù)百萬年前,真菌集團(tuán)被稱為白色腐爛分解木質(zhì)素是第一個(gè)類型。這個(gè)群體仍然是一個(gè)主要玩家,留下木片狀和bleached-looking在森林里。

“白腐病是驚人的,”Hibbett說。

分解木質(zhì)素,白腐真菌使用強(qiáng)酶,蛋白質(zhì),加速化學(xué)反應(yīng)。這些酶分離木質(zhì)素的化學(xué)鍵,將其轉(zhuǎn)化為單糖和釋放二氧化碳到空氣中。白腐病仍在渲染木質(zhì)素比任何其他類型的真菌。

褐腐病

白腐病的強(qiáng)大效果相比,科學(xué)界長期認(rèn)為該集團(tuán)被稱為褐腐病真菌很軟弱。這是因?yàn)楹指≌婢鸁o法完全分解木質(zhì)素。

回憶他的大學(xué)課程在1980年代,Barry Goodell馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特教授說,“當(dāng)時(shí)老師認(rèn)為他們這些可憐的是原始的東西。”

永遠(yuǎn)不要低估一個(gè)真菌。盡管褐腐病真菌只占6%的物種,分解木材,它們分解世界上80%的松樹和其他針葉樹。作為科學(xué)家一起工作變得更在2009年發(fā)現(xiàn),褐腐病不是原始而白腐病。事實(shí)上,褐腐病實(shí)際上是從早期白腐真菌。褐腐病物種進(jìn)化而來,他們實(shí)際上失去了為lignin-destroying酶基因代碼。

像好廚師們適應(yīng)新廚房,進(jìn)化導(dǎo)致褐腐病真菌找到一個(gè)更好的方法。而不是釋放能源密集型酶的蠻力,他們補(bǔ)充酶行動(dòng)更有效率”chelator-mediated芬頓反應(yīng)”(CMF)的過程。這個(gè)過程分解木材細(xì)胞壁產(chǎn)生過氧化氫和其他化學(xué)物質(zhì)。這些化學(xué)物質(zhì)與鐵反應(yīng)自然環(huán)境中的分解木材。而不是完全分解木質(zhì)素,這個(gè)過程修改它足夠的真菌中的其他化學(xué)物質(zhì)細(xì)胞壁.

只有一個(gè)問題發(fā)現(xiàn)。理論上,CMF化學(xué)反應(yīng)如此強(qiáng)烈應(yīng)該分解菌和酶它依賴。說:“它最終將消滅喬納森先令,明尼蘇達(dá)大學(xué)的副教授。

科學(xué)家的主要理論是真菌創(chuàng)造了一個(gè)物理屏障之間的反應(yīng)和酶。為了測試這一想法,先令和他的團(tuán)隊(duì)成長褐腐病真菌在很薄的木頭。當(dāng)他們看到真菌通過木材,他們看到的真菌是分手的過程不是在空間,但在時(shí)間。首先,它表達(dá)基因產(chǎn)生腐蝕反應(yīng)。兩天后,它創(chuàng)建酶表達(dá)基因?？紤]到真菌可以持續(xù)數(shù)年甚至數(shù)十年打破一個(gè)日志,48小時(shí)是曇花一現(xiàn)。

科學(xué)家們?nèi)栽谠噲D找出CMF過程中發(fā)揮多大的作用。先令和志同道合的研究者認(rèn)為酶仍然是一個(gè)主要過程的一部分,而Goodell的研究表明,CMF反應(yīng)做的大部分工作。Goodell的團(tuán)隊(duì)報(bào)告說CMF的反應(yīng)可能會(huì)溶解多達(dá)75%的一塊松木.

無論哪種方式,CMF生物煉制過程提供了很大的潛力。使用褐腐病真菌預(yù)處理可以允許行業(yè)使用更少的昂貴,能源密集型的酶。

并不是所有的真菌獨(dú)立。許多類型與動(dòng)物生活在共生,真菌和動(dòng)物相互依賴的基本服務(wù)。

與瘤胃的伙伴關(guān)系

吃草的牛和其他動(dòng)物依靠腸道真菌和其他微生物幫助分解木質(zhì)素,纖維素,和其他材料在木材的細(xì)胞壁。而真菌只有8%的腸道微生物,他們打破50%的生物量。

找出哪些酶腸道真菌生產(chǎn)、米歇爾·奧馬利和她的團(tuán)隊(duì)在加州大學(xué)圣芭芭拉了好幾種腸道真菌木質(zhì)纖維素。然后他們簡單的糖。真菌“吃”的單糖,他們停止分解細(xì)胞壁的努力工作,像選擇外賣,而不是在家里做飯。

根據(jù)食物來源,真菌“關(guān)閉”某些基因和轉(zhuǎn)移酶生產(chǎn)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),這些真菌產(chǎn)酶數(shù)百高于真菌用于工業(yè)。他們還發(fā)現(xiàn),酶一起工作比目前工業(yè)過程更加有效。

在酶”,是一個(gè)巨大的多樣性,我們從未見過,”O ' malley說。

奧馬利的最近的研究表明,行業(yè)可以生產(chǎn)生物燃料更有效連接組腸道菌產(chǎn)生的酶類似.

白蟻是真菌的農(nóng)民

一些真菌工作以外的動(dòng)物的內(nèi)臟,比如那些與白蟻合作。熱帶白蟻更有效地分解木材比動(dòng)物吃草或樹葉,兩者都是更容易消化。年輕白蟻第一混合真菌孢子和木頭在自己的胃,然后在保護(hù)室糞便。45天后真菌分解,年長的白蟻吃這個(gè)組合。最后,木材幾乎完全消化。

”的培養(yǎng)真菌對食品(白蟻)是地球上最引人注目的形式的共生關(guān)系,”卡梅倫Currie表示,麥迪遜市威斯康辛大學(xué)的教授和研究人員與美國能源部的大湖生物能源研究中心。

科學(xué)家認(rèn)為,大多數(shù)的分解發(fā)生在腸道,打折的工作年輕的白蟻。但李積,麥迪遜,威斯康辛大學(xué)的生物學(xué)家想知道年輕的昆蟲應(yīng)該得到更多的信貸。他發(fā)現(xiàn)年輕工人的勇氣打破木質(zhì)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產(chǎn)。因?yàn)檎婢桶紫伳c道微生物群與進(jìn)化最近,這一發(fā)現(xiàn)可能打開門新的創(chuàng)新。

從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)樓

白蟻從森林地板,真菌分解可以提供新的工具對生物燃料的生產(chǎn)。工業(yè)路線之一是直接產(chǎn)生真菌和相關(guān)的微生物群的酶和其他化學(xué)物質(zhì)。分析termite-fungi系統(tǒng)時(shí),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)數(shù)以百計(jì)的獨(dú)特的酶。

“我們試圖深入研究基因發(fā)現(xiàn)一些超級(jí)酶進(jìn)入行業(yè)水平,”李說。

更有前途的路線可能會(huì)對公司編碼這些酶的基因轉(zhuǎn)移到生物,他們已經(jīng)可以培養(yǎng)酵母和大腸桿菌。更激進(jìn),但潛在的富有成效的途徑是行業(yè)模仿自然真菌社區(qū)。

數(shù)百萬年,真菌卻像快餐的廚師來分解木材和其他植物。新認(rèn)識(shí)的能力,科學(xué)家們正在幫助我們理解他們是多么重要,地球的過去和未來。