Enzymatic plant cell wall degradation by the white rot fungus Dichomitus squalens

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2332-9
Title: Enzymatic plant cell wall degradation by the white rot fungus Dichomitus squalens
Author: Rytioja, Johanna
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Division of Microbiology and Biotechnology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae - URN:ISSN:2342-5431
Abstract: Basidiomycete white rot fungi are wood-rotting species and their impact to the global carbon cycle is significant. White rot fungi are capable of degrading all the polymeric cell wall components of the plant biomass from polysaccharides, cellulose, hemicelluloses and pectin, to the aromatic heteropolymer lignin. This is due to their ability to produce diverse set of extracellular enzymes that degrade or modify the plant cell wall concomitantly releasing carbon. Research on plant-biomass-degrading fungi has concentrated on isolation and characterization of enzymes especially from the ascomycete fungi for biotechnological applications, such as bioenergy, food processing and waste treatment. More recently genomic studies have opened the reservoir of the plant-biomass-degrading potential of basidiomycete fungi including wood-rotting, litter-decomposing, plant-pathogenic and ectomycorrhizal species. Dichomitus squalens is a white-rot fungus, which colonises softwood and is able to efficiently degrade lignin and cellulose. Previously, intensive studies on white rot fungi have been focused on lignin degradation by oxidative enzymes. The aim of this study was to analyse the potential of the plant-cell-wall-modifying enzymes of D. squalens. Plant biomass degradation by D. squalens was studied at different levels from gene expression to enzyme production. The focus was to dissect the overall degradation of plant biomass polymers, especially cellulose degrading enzymes of D. squalens. The cellulose degradation by D. squalens was studied at the transcript level during growth on spruce wood sticks and in microcrystalline cellulose-containing liquid medium. Selected cellulases and oxidoreductases, which putatively act on cellulose were expressed simultaneously on spruce, the natural substrate of the fungus, and microcrystalline cellulose in time- and substrate-dependent manner. To clarify the adaptation of D. squalens to different plant biomass, the transcriptome and secretome of the fungus were studied in different wood and non-woody substrates. The study confirmed that lignin degradation occurs at the initial stage of growth and D. squalens has retained the diverse enzyme set both for the degradation of wood and non-woody plant biomass. The cellobiohydrolases (CBHs) and cellobiose dehydrogenase of D. squalens were biochemically characterized. In hydrolysis of different plant-derived biomasses, CBHs released reducing sugars alone and in combination with oxidative laccase enzyme. The study shows that D. squalens encodes a complete enzymatic repertoire for plant biomass degradation. In addition, the data emphasise the role of oxidoreductases in the white rot fungal degradation of cellulose and other plant cell wall polymers. Results suggest that white rot fungal plant cell wall converting enzymes are promising candidates in the biotechnological applications using plant biomass.Valkolahosienet ovat puuta lahottavia kantasieniä, joilla on huomattava merkitys maapallon hiilen kierrossa. Ne hajottavat tehokkaasti kasvisoluseinää, joka koostuu pääosin hiilihydraattipolymeereistä eli selluloosasta, hemiselluloosista ja pektiinistä sekä aromaattisesta ligniinipolymeeristä. Tuottamiensa solunulkoisten entsyymien avulla valkolahosienet muokkaavat ja hajottavat näitä yhdisteitä ja siten vapauttavat hiiltä. Kasvibiomassaa hajottavilla entsyymeillä on lukuisia sovelluskohteita esimerkiksi polttoaine-, elintarvike- ja jätteenkäsittelyteollisuudessa. Tähänastinen tutkimus on kohdistunut lähinnä kotelosienten tuottamien entsyymien eristämiseen ja karakterisointiin sekä niiden bioteknologiseen hyödyntämiseen. Viimeisen kymmenen vuoden aikana genomitieto on osoittanut, että myös puuta lahottavien valkolahosienten sekä muiden kasvibiomassaa muokkaavien kantasienten lignoselluloosaa hajottavien entsyymien kirjo on laaja. Onkin todennäköistä, että näillä entsyymeillä on teollisesti kiinnostavia uusia katalyyttisiä ominaisuuksia. Valkolahosienten tutkimuksen pääkohteena ovat perinteisesti olleet ligniiniä hapettavat entsyymit. Tässä työssä täydennettiin kokonaiskuvaa valkolahosienten kasvibiomassan entsymaattisesta hajotuksesta selvittämällä myös kasvisoluseinän hiilihydraattipolymeerien, erityisesti selluloosan, hajotusta. Työn malliorganismiksi valittiin Dichomitus squalens -salokääpä, joka on havupuulla kasvava ja tehokkaasti selluloosaa ja ligniiniä hajottava valkolahosieni. Salokäävän selluloosan hajotuskykyä selvitettiin seuraamalla valikoitujen, solunulkoisia entsyymejä koodaavien geenien ilmentymistä sienen kasvaessa luonnollisella kasvualustallaan, kuusella, ja mikrokiteisellä selluloosalla. Tutkimuksessa havaittiin, että sieni ilmensi kasvunsa aikana yhtäaikaisesti geenejä, jotka koodaavat sellulaaseja ja hiilihydraattipolymeerejä hapetus-pelkistysreaktioilla hajottavia entsyymejä. Lisäksi sienen kasvun vaihe ja kasvualustan hiilen lähde vaikuttivat näiden geenien ilmentymiseen. D. squalens -sienen sopeutumista puu- ja ruohovartisten kasvibiomassojen hajotukseen selvitettiin tutkimalla sienen transkriptomeja ja eksoproteomeja erilaisilta lignoselluloosaa sisältäviltä kasvualustoilta. Nämä analyysit osoittivat, että salokääpä tuotti ligniinin hajottamiseen tarvittavia entsyymejä kasvun alkuvaiheessa, jonka jälkeen sieni eritti hiilihydraattipolymeerejä pilkkovia entsyymejä. Lisäksi työssä tuotettiin ja karakterisoitiin salokäävän mielenkiintoisimmat sellobiohydrolaasi- (CBH) ja sellobioosidehydrogenaasi-entsyymit. Kasviperäisten biomassojen hydrolyysikokeissa salokäävän CBH:t hajottivat selluloosaa pelkistäviksi sokereiksi sekä yksin että yhdessä hapettavan lakkaasientsyymin kanssa. Tässä työssä havaittiin, että D. squalens -sienellä on kattavat entsymaattiset mekanismit erilaisten kasvibiomassojen hajotukseen. Lisäksi tulokset osoittivat, että valkolahosienten tuottamilla hapettavilla entsyymeillä on olennainen rooli selluloosan ja muiden kasvisoluseinän polymeerien pilkkomisessa. Tutkimuksen mukaan valkolahosienten kasvisoluseinää hajottavat entsyymit ovat lupaavia katalyyttejä bioteknologisiin sovelluksiin.
URI: URN:ISBN:978-951-51-2332-9
http://hdl.handle.net/10138/165045
Date: 2016-08-26
Subject: biotekniikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
enzymati.pdf 8.403Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record