广东饲料第２１卷第５期２０１２年５月　

瘤胃厌氧真菌对粗饲料的降解机制研究进展　

陈洁　

（浙江省饲料监察所，浙江杭州３１００２０）　

［中图分类号】Ｓ８５２．６　【文献标识码】Ａ　［文章编￣］１ｏｏ５—８６１３（２０１２）０５—００３６—０３　

【摘要】：瘤胃厌氧真菌利用其特有的假根系统，优先附着于粗饲料的木质化组织，同时分泌大量的高活性纤维降解酶，裂　解植物木质化组织，从而有利于瘤胃细菌对粗饲料的附着和降解。本文对厌氧真菌对粗饲料的附着和侵袭及其分泌的纤维降　解酶进行了综述。　【关键词】：厌氧真菌；粗饲料；纤维降解酶　

１９７５年，英国人Ｏｒｐｉｎ首次证实了山羊瘤胃中　

厌氧真菌的存在。随后，厌氧真菌又从一系列草食　动物的瘤胃和粪便中分离。但是，因为瘤胃中厌氧　

真菌的数量相对细菌而言很少，因而起初并未受到　人们的重视。１９７７年，Ｏｒｐｉｎ首次发现瘤胃厌氧真　

菌能与植物纤维紧密结合，且能利用植物纤维中同　位素标记的Ｃ１４。随后有学者利用扫描电镜观察绵　

羊和牛瘤胃内容物中的植物片段，发现厌氧真菌能　大量附着于植物片段的表面，由此推断厌氧真菌可　

能对植物纤维的降解具有一定的作用。此后，大量　的研究表明，厌氧真菌能优先附着并穿透植物的厚　壁组织和脉管组织这类通常难以降解的组织，提示　

厌氧真菌在植物组织的降解中具有独特的作用，迄　

今研究表明，厌氧真菌能降解许多作物的植物纤　维，如小麦秸、稻草秸、玉米秸、大豆壳以及一些温　带和热带牧草。目前比较一致的观点是，厌氧真菌　

通过丰富的假根系统机械性的穿透植物细胞壁，同　时分泌大量的纤维降解酶降解植物纤维。　

１瘤胃厌氧真菌对植物纤维的侵袭　瘤胃厌氧真菌孢子囊能在动物进食后３０ｍｉｎ　

内释放游动孢子。游动孢子对可溶性碳水化合物表　现出化学趋化性，能游向并附着于能扩散出可溶性　

碳水化合物的受损植物组织。Ｏｒｐｉｎ等（１９７８）发　

【收稿日￣Ｊ］２０１２—０４—０３　【作者简介】陈洁，硕士，畜牧师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｊｓｌｓｙ＠１２６．ｃｏｒｎ。　［基金项目】浙江省农业厅项目（浙农计发［２０１０］１３４号）。　

・３６・　现Ｎｅｏｅａｌｌｉｍａｓｔｉｘ的游动孢子具有四个碳水化合物　

化学受体，即葡萄糖受体、蔗糖受体、甘露糖受体和　山梨醇受体。游动孢子到达植物片段表面后，能通　

过阿米巴运动找到合适的位点附着、出芽，附着的　主要位点是植物细胞气孔、受损表面或切缘末端。　

游动孢子通过纤丝或非纤丝物质附着于植物组织，　此过程非常迅速，通常在１５　３０　ｍｉｎ内完成。附着　

于植物片段上后，游动孢子开始出芽，首先以一根　芽管穿透植物组织，然后芽管迅速伸长、分枝，形成　

网状假根结构侵袭周围组织。　真菌在侵袭植物组织的过程中，对木质化组织　具有优先性。饲料中的木质素是一类芳香族化合物　

构成的非晶体高分子聚合物，能与纤维素和半纤维　素之间以共价键相连，形成难以降解的纤维素／半　

纤维素，木质素聚合体。体内研究发现，厌氧真菌　游动孢子主要附着于植物的脉管组织。体外研究发　

现，以牧草为底物体外发酵６　ｈ后，真菌能大量附　着于牧草的厚壁组织，并通过假根穿透植物细胞　壁，对于相对容易降解的植物外周组织仅有少量降　

解（Ａｋｉｎ等，１９８３）。国内孙云章等（２００５）发现，厌氧　真菌对底物的附着与其木质素含量有一定相关性，　

在一定范围内，木质素含量高的底物有利于厌氧真　菌在底物表面上的附着。例如，黑麦草叶、黑麦草　

茎、稻草秸的木质素含量依次升高，附着于其表面　的真菌数量亦顺次升高。因此，这提示厌氧真菌在　

粗饲料降解过程中的作用可能不是大量降解底物，　而是通过其丰富的假根系统裂解植物木质化组织。

　广东饲料第２１卷第５期２０１２年５月　

这种裂解作用能降低植物的物理张力，使大片段植　物颗粒降解成小片段，为数量众多的瘤胃细菌及其　

丰富的酶系提供更多的作用位点。但是，由于研究　方法的限制，有关真菌对不同物理化学结构的粗纤　

维的附着和降解的研究很少，有待进一步的研究。　目前，厌氧真菌在植物纤维的降解中的作用　

已经得到肯定，但有关瘤胃厌氧真菌和瘤胃细菌　在纤维降解中的确切作用尚有许多争议。Ａｋｉｎ等　

（１９８７）报道，经过约２４　ｈ的体外培养，大部分薄壁　组织和植物韧皮部组织被厌氧真菌降解，厚壁组　

织上亦有大量真菌附着，木质化组织细胞腔中充　满真菌假根。尽管大量的木质化组织未完全降解，　

但是真菌假根的机械性的穿透作用确实可破坏细　胞壁的结构，降低植物纤维组织的内部张力，使其　变得松软而易被瘤胃微生物降解。瘤胃细菌虽然　

对细胞壁也有一定的降解作用，但对植物厚壁组　织的降解却非常有限。作者由此提出，厌氧真菌是　

植物厚壁组织的主要降解菌。最近Ｌｅｅ等（２０００）采　用体外发酵法，也得到类似的结论。孙云章等　

（２００７）研究了瘤胃厌氧真菌和细菌对木质素含量　不同底物的附着和降解。结果表明，附着于植物片　

段的真菌孢子囊在发酵的４８　ｈ达到高峰，此后迅　速降低，且瘤胃真菌对木质素含量不同底物的降　解作用均显著低于瘤胃厌氧细菌菌。提示厌氧真　

菌在瘤胃中的主要作用可能在于前期通过其丰富　的假根系统和分泌的高活性酶，裂解植物木质化　

组织，降低植物的物理张力，从而有利于瘤胃微生　物对底物的附着和降解，而瘤胃细菌是主要的植　

物纤维降解微生物。事实上，孙云章等体外发酵试　验证实，瘤胃厌氧真菌与细菌对木质素含量不同　底物的发酵特性具有很大差异，厌氧真菌对木质　

素含量不同底物的降解率相似，而细菌对不同底　物的降解率随底物木质素含量的上升显著下降。　

２厌氧真菌产生的纤维降解酶　迄今，人们发现瘤胃厌氧真菌能分泌多种纤维　

降解酶，其中主要有纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶　和酯酶等１３种酶，这些酶在植物纤维的降解中起　着重要的作用。　

２．１纤维素酶　纤维素是自然界存在最广泛的生物聚合物，然　

而目前仅少数真菌，如Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ　ｓｐｐ．和瘤胃厌氧　真菌产生的纤维素酶能将其降解。一般说来，厌氧　真菌通过一系列酶的协同作用，将纤维素降解为葡　

萄糖。此过程至少需要三种酶的参与，即内切　ＪＢ一１，４葡聚糖酶、外切／３—１，４葡聚糖酶和　一葡　

萄糖苷酶。前两种酶将纤维素降解为纤维二糖，然　后在／３一葡萄糖苷酶的作用下，纤维二糖被降解为　

葡萄糖。　大量的研究显示，厌氧真菌纤维素酶活力受底　

物的影响，以纤维素、晶体纤维素、剑麻纤维、麦秸　

替代葡萄糖作为碳源时，厌氧真菌胞外纤维素酶活　均显著升高，提示结构多糖对厌氧真菌纤维素酶的　产生具有诱导效应。但是，结构多糖对厌氧真菌纤　

维素酶的诱导效应是如何实现的呢？纤维素酶为什　么部分为自身合成，部分为诱导产生？Ｘｕｅ等　

（１９９２）成功地在大肠杆菌中构建了Ｎ．ｐａｔｒｉｃｉａｒｕｍ　的ｃＤＮＡ文库，发现厌氧真菌基因组中编码纤维素　

酶的基因有两种。第一种是编码对晶体纤维素、非　晶体纤维素（ＣｅｌＡ）及羧甲基纤维素（ｃｅｌＢ，ｃｅｌＣ）有　

较强降解活力纤维素酶的多拷贝基因。ＣｅｌＡ编码　

一个纤维二糖水解酶，ｃｅｌＢ和ｃｅｌＣ分别编码一个　

内切葡聚糖酶，且它们的表达受纤维素的诱导。另　

一种是编码一个多功能多糖降解酶的单拷贝基因　（ｃｅｌＤ），此基因包含三个催化区，每个催化区的表　

达产物均具有内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和木　聚糖酶活性，且具有与纤维素结合的能力。编码多　

功能多糖降解酶的ＣｅｌＤ能自身表达，不受培养基　中纤维素的影响，这就解释了厌氧真菌部分木聚糖　

酶和纤维素酶能自身合成。　２．２半纤维素酶　半纤维素是植物细胞壁的主要组成成分，其　主要由一种或数种单糖聚合的短链多糖组成，其　

中木聚糖是植物半纤维素的主要成分之一。木聚　糖是具有高度分枝的杂糖，其主链主要由／３一　

（１，４）糖苷键连接的Ｄ型吡喃呋糖组成，侧链多为　乙酰基、阿拉伯糖残基及葡萄糖残基组成。厌氧真　菌产生的木聚糖酶包括／３一木聚糖酶、Ｂ一木糖苷　

酶和木二糖酶。一般情况下，木聚糖首先在ＪＢ一木　聚糖酶作用下降解为小分子片段，然后在／３一木　

糖苷酶和木二糖酶作用下水解成为木糖分子。虽　然目前尚未发现有外切木聚糖酶，但是Ｎ．ｆｒｏｎｔａｌｉｓ　

产生的木糖苷酶具有部分外切木聚糖酶活性。研　究表明，厌氧真菌分泌的木聚糖酶的最适ｐＨ为　

５．５—６．０，最适温度为５Ｏ℃（朱崇淼等，２００４）。厌氧　

・　３７　・

　广东饲料第２ｌ卷第５期２０１２年５月　

真菌木聚糖酶活力受底物和自身浓度的影响，当以　各种可溶性糖为底物时，木聚糖酶活力很低，而当　

以半纤维素为底物时，活力显著升高，因此木聚糖　

酶也可能部分为自身合成，部分为诱导产生。　２．３酯酶　

植物细胞壁中常见的酚酸有Ｐ一香豆酸和阿魏　酸，酚酸通过羧基和酚基与木质素或半纤维素反应　

形成酯键和醚键。因此，酚酸在木质素及半纤维素　问起着相互交联的作用，使木质素和半纤维素紧密　结合，抵抗瘤胃微生物的降解。研究表明，单中心和　

多中心厌氧真菌均可产生酯酶，包括乙酰木聚糖酯　酶、阿魏酸酯酶和Ｐ一香豆酸酯酶。而现有理论认　

为，酯酶可打开酯键和醚键，使植物细胞壁中的木　

质素／半纤维素复合体解离，暴露出半纤维素和木　质素，有利于植物纤维的进一步降解。研究表明，厌　氧真菌在木质素／半纤维素解离中起着重要的作　

用，瘤胃厌氧真菌可优先附着并降解木质化纤维组　织，从而有利于其他酶对半纤维素的进一步作用。　

Ｐ一香豆酸和阿魏酸酯酶均已从Ｎｅｏｃａｌｌｉｍａｓｔｉｘ　ＭＣ一２发酵上清液中分离、纯化。Ｐ一香豆酸酯酶为　

二聚体，分子量为１１　ｋＤａ，最适ｐＨ值为７．２，两种　阿魏酸酯酶分子量分别为６９　ｋＤａ和２４　ｋＤａ。香豆　

酸酯酶作用于粉碎的植物组织可产生香豆酸基，木　聚糖酶的存在可提高香豆酸酯酶的活性，可能是因　

为木聚糖酶切割其中的木聚糖，为香豆酸酯酶提供　更多作用位点的缘故。　

２．４果肢　酶　果胶是一种亲水性植物胶，广泛存在于高等植　物的根、茎、叶和果的细胞壁中。果胶是以Ｄ一半乳　

糖醛酸和Ｌ一鼠李糖为主链，以Ｄ一阿拉伯糖、Ｄ一　木糖、Ｄ一甘露糖和Ｄ一半乳糖组成的低聚糖为支链　

的杂多糖。尽管Ｎ．ｆｒｏｎｔａｌｉｓ和Ｎ．ｐａｔｒｉｃｉａｒｕｍ发酵上　清液中有少量的果胶酶存在，但以果胶或其降解产　

物，Ｄ一半乳糖醛酸和多聚半乳糖醛酸作为唯一碳　源，几乎所有的厌氧真菌均不能生长（Ｏｒｐｉｎｃ等，　１９９７）。但是，Ｋｏｐｅｃｎｙ等（１９９５）研究发现，Ｎ．　

￣ｏｎｔＭｉｓ的澳大利亚株的发酵上清液具有果胶降解　活性，而起作用的正是一种内切果胶降解酶。　

与植物细胞壁中的酚酸类似，果胶能与木质素　和半纤维素形成酯键和醚键，在植物细胞壁的木质　

素与半纤维素问起着交联作用。厌氧真菌产生果胶　

酶可降解果胶，导致木质素与半纤维素之间的紧密　

・３８・　结合断开，以达到对植物组织中可利用碳水化合物　

的充分利用。　２．５纤维素体　大量研究显示，瘤胃微生物与其他纤维降解微　生物一样，能分泌一个多功能的、高分子量的多酶　

复合体——纤维素体（ｃｅｌｌｕｌｏｓｏｍｅ），在微生物对纤　

维素的黏附和降解过程中起重要作用。瘤胃真菌对　粗饲料的附着和降解可能也有纤维素体的参与。瘤　胃真菌的纤维素体大小与细菌的纤维素体相似，且　

包括多个多肽。研究表明，瘤胃真菌纤维素体相连　的酶既包括催化区，也包括一个，或两到三个与细　

菌无同源性，由４０个富含半胱氨酸的保守多肽组　成的非催化坞因子结构域（Ｎｏｎ—ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ｄｏｃｋｒｉｎ　

ｄｏｍａｉｎ，ＮＣＤＤ）。Ｗｏｏｄ等（１９９５）报道，瘤胃真菌　Ｎｅｏｃａｌｌｉｍａｓｔｉｘ　ｆｒｏｎｔａｌｉｓ产生一个结合并降解纤维素　

的多酶复合体（７５０ｋＤａ～ｌＯ００ｋＤ￣，具有内切葡聚糖　酶和外切葡聚糖酶活性。与之相似，Ｐｉｒｏｍｙｃｅｓ菌　８０％的纤维素酶、木聚糖酶和甘露聚糖酶活性与一　

个与纤维素相连的复合物相关。Ｐｉｒｏｍｙｃｅｓ　Ｅ２菌株　可产生包含１０多种内切葡聚糖酶活性的多酶复合　

体。研究显示，细菌纤维素体降解晶体纤维素的产　物为纤维二糖，而瘤胃真菌的降解产物全为葡萄　

糖，提示真菌纤维素体含有Ｂ一葡糖苷酶，在随后　的试验中证实了编码真菌纤维素体Ｂ一葡糖苷酶　基因的存在。　

３结论与展望　瘤胃中厌氧真菌的数量较少，但厌氧真菌利用　

其特有的假根系统，优先附着与粗饲料的木质化组　织，同时分泌大量的高活性纤维降解酶，裂解植物　

木质化组织，从而有利于其他瘤胃微生物对底物的　附着和降解。但是，由于研究方法的限制，有关真菌　对不同物理化学结构的粗纤维的附着和降解机制　

的研究还不够深入，有待今后进一步的研究。此外，　厌氧真菌在粗纤维降解过程中能产生大量高活性　

纤维降解酶也逐渐引起人们的关注，厌氧真菌产生　的木聚糖酶活性高于国内黑曲霉所产木聚糖酶活　

力，是工业纤维素酶和饲料酶制剂的良好来源。但　是由于厌氧真菌发酵需要厌氧环境，限制了其在生　

产中的应用。随着生物技术的日益发展，厌氧真菌　纤维降解酶的工业开发有望实现，并在动物生产中　发挥重要作用。　

参考文献：（略）