微生物種群間分工協(xié)作在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化中的研究進展

摘要 聯(lián)合生物加工被認為是木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化的最理想形式，雖然通過代謝工程改造可以基于單一菌株實現(xiàn)聯(lián)合生物加工，但過高的代謝壓力導(dǎo)致菌株轉(zhuǎn)化效率并不理想。為了系統(tǒng)認識微生物種間分工和實現(xiàn)聯(lián)合生物加工的理性設(shè)計，本文聚焦于天然木質(zhì)纖維素降解菌群中的種間分工，從底物協(xié)同水解、營養(yǎng)因子交叉喂養(yǎng)和“糖騙子”限制的角度綜述了目前物種間的分工協(xié)作模式，介紹了物種分工在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，以及天然木質(zhì)纖維素菌群中種間分工研究的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向，為聯(lián)合生物加工菌群的構(gòu)建提供設(shè)計原則，推動木質(zhì)纖維素的高效轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞 微生物菌群； 種間分工； 木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化； 聯(lián)合生物加工； 人工菌群

中圖分類號 X172 文獻標識碼 A 文章編號 1000-2421（2024）04-0033-08

在自然界中，微生物多聚集在一起形成微生物群落［1］。相較于獨立存在的微生物，群落中不同物種通過分工協(xié)作，不僅可以實現(xiàn)穩(wěn)定共存，而且在穩(wěn)定性、魯棒性和功能性方面具有明顯優(yōu)勢［2］。當前，大量組學(xué)研究表明天然微生物群落在復(fù)雜底物的轉(zhuǎn)化［3］、動植物健康［4-5］，以及食品的工業(yè)生產(chǎn)中［6-7］發(fā)揮重要功能。受到天然菌群中高效種間分工的啟發(fā)，眾多研究者致力于構(gòu)建人工菌群，以期實現(xiàn)復(fù)雜底物的高效轉(zhuǎn)化［8］。然而，人工菌群的不穩(wěn)定性制約了它們在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，闡明天然菌群中不同物種間的分工協(xié)作，對于設(shè)計、構(gòu)建可控的合成菌群以實現(xiàn)廉價生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化具有重要意義。

木質(zhì)纖維素是地球上儲量最豐富的生物質(zhì)原料，同時也是最復(fù)雜的大分子物質(zhì)［9］。將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇、丁醇等燃料，對于緩解環(huán)境和能源危機具有重要意義［10］。木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化通常包括預(yù)處理、產(chǎn)酶、糖化、發(fā)酵等過程，但這一復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過程也導(dǎo)致了過高的成本，使得生物質(zhì)燃料在市場中缺乏競爭力［11-12］。因此，簡化轉(zhuǎn)化過程、降低轉(zhuǎn)化成本以及提高轉(zhuǎn)化效率是目前木質(zhì)纖維素大規(guī)模轉(zhuǎn)化所面臨的主要問題。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)將產(chǎn)酶、糖化和發(fā)酵過程整合，一步化實現(xiàn)木質(zhì)纖維素向目標產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化可以有效降低成本，提高轉(zhuǎn)化效率，這一過程也被稱為聯(lián)合生物加工（consolidatedbioprocessing，CBP）［13］。目前CBP 的實現(xiàn)主要基于單一菌株和菌群策略。其中單一菌株策略可以利用天然菌株的多糖水解和發(fā)酵能力，也可以通過代謝工程改造在木質(zhì)纖維素降解菌中表達溶劑合成途徑的相關(guān)基因，或者在溶劑合成菌株中表達木質(zhì)纖維素水解相關(guān)的酶類。然而，單一菌株策略往往面臨一些局限，如菌株分泌的酶的種類有限，只能水解木質(zhì)纖維素中的部分組分，難以實現(xiàn)木質(zhì)纖維素的全組分利用。此外，經(jīng)過代謝工程改造后的菌株需要面臨較高的代謝壓力，導(dǎo)致難以獲得理想的轉(zhuǎn)化效率。相比之下，菌群策略是將產(chǎn)酶、發(fā)酵等代謝任務(wù)分配到不同物種中，利用物種間的分工協(xié)作，不僅可以獲得更為豐富的酶系和更廣泛的底物利用范圍，還可以降低單一菌株的代謝壓力，避免復(fù)雜的代謝工程改造，實現(xiàn)木質(zhì)纖維素的高效降解［2，14］。盡管大量研究通過構(gòu)建菌群進行木質(zhì)纖維素的聯(lián)合生物加工，但群落結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性并不理想［15］，這也限制了菌群在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。造成上述問題的主要原因是目前菌群的構(gòu)建主要利用水解菌株為發(fā)酵菌株提供碳源的單向代謝聯(lián)系［16-18］，缺乏對物種間協(xié)同分工的系統(tǒng)設(shè)計。與人工構(gòu)建的菌群相比，天然木質(zhì)纖維素降解菌群具有更為復(fù)雜且精妙的種間分工，這種分工保證了菌群在結(jié)構(gòu)和功能上的穩(wěn)定性。因此，深入解析天然木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的微生物種間分工機制，對于構(gòu)建穩(wěn)定的木質(zhì)纖維素聯(lián)合生物加工菌群具有重要指導(dǎo)作用。本文擬從底物協(xié)同降解、營養(yǎng)因子交叉喂養(yǎng)，以及“糖騙子”抑制等角度綜述天然木質(zhì)纖維素降解菌群中種間分工協(xié)作的研究進展，旨在為聯(lián)合生物加工菌群的構(gòu)建提供理論和技術(shù)依據(jù)，推動生物質(zhì)資源的高效轉(zhuǎn)化。

1 木質(zhì)纖維素降解中的物種分工

木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。纖維素是由葡萄糖單元通過β-1，4 糖苷鍵鏈接形成的直鏈結(jié)構(gòu)［19］。大部分半纖維素的主鏈由木糖通過β-1，4 糖苷鍵鏈接形成，在其主鏈上包含大量阿拉伯糖、半乳糖以及其他單糖形成的側(cè)鏈［20］。相較于纖維素，半纖維素更容易誘導(dǎo)物種間形成復(fù)雜的分工［21］。因此，本部分將重點探討半纖維素降解過程中存在的分工協(xié)作。

1.1 菌群中不同成員間水解模式的分工

物種間水解模式的分工主要分為3 種形式（圖1）。在第1 種形式中（圖1A），菌群中不同物種表達、分泌不同的碳水化合物活性酶，并負責(zé)底物中不同結(jié)構(gòu)的水解。菌株1 分泌木聚糖酶，負責(zé)半纖維素主鏈的水解。菌株2 分泌阿拉伯呋喃糖苷酶，負責(zé)水解通過α-1，2 和α-1，3 鍵與主鏈連接的阿拉伯糖側(cè)鏈。菌株3 則分泌半乳糖苷酶，負責(zé)水解與阿拉伯糖連接的側(cè)鏈。在這種情況下，3 類菌株對于底物的水解存在先后順序。菌株2 對于阿拉伯糖側(cè)鏈的水解依賴于菌株3 對于半乳糖側(cè)鏈的去除，而菌株2 對于阿拉伯糖側(cè)鏈的水解又為菌株1 來源的木聚糖酶提供了更多的作用位點。3 類菌株通過分工協(xié)作可以高效地降解底物。

圖1B 展示了水解菌株間第2 種水解模式的分工。菌群中不同物種基因組中包含了相同碳水化合物活性酶基因，菌株1 基因組中包含了木聚糖酶基因和阿拉伯呋喃糖苷酶基因，菌株2 中包含了阿拉伯呋喃糖苷酶基因和半乳糖苷酶基因，而菌株3 中則包含了木聚糖酶基因和半乳糖苷酶基因。但是由于底物利用的偏好性，處于同一環(huán)境中的3 類菌株分別只表達了木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶及半乳糖苷酶。這種碳水化合物活性酶基因的選擇性表達能夠有效避免菌株間對于營養(yǎng)的競爭。近來，研究者利用6 種多糖混合的底物分析了菌株Bacteroides ovatus 和B.thetaiotaomicron 的底物利用偏好性，發(fā)現(xiàn)單獨培養(yǎng)時，二者對多糖底物的利用偏好幾乎一致，說明二者能夠編碼功能相同的碳水化合物活性酶。然而，當二者共培養(yǎng)時，菌株的底物利用偏好發(fā)生變化，B.ovatus 優(yōu)先利用了其偏好的多糖底物，而B. thetaio?taomicron 只能利用余下的底物進行生長［22］。這種在底物利用上的等級劃分保證了菌群對于底物最大程度的利用，但是造成上述層級利用的機制目前仍有待揭示。

在第3 種種間分工水解中（圖1C），不同物種間同樣存在功能基因冗余的現(xiàn)象，且在同一生境下，不同物種均分泌了功能冗余的碳水化合物活性酶。菌株1 中分泌了木聚糖酶和阿拉伯呋喃糖苷酶，菌株2分泌了阿拉伯呋喃糖苷酶和半乳糖苷酶，而菌株3 則分泌了木聚糖和半乳糖苷酶，但是上述功能冗余的酶卻在底物偏好性上存在巨大差異。菌株1 的木聚糖酶偏向于水解不含有阿拉伯糖側(cè)鏈的木聚糖主鏈，而菌株3 分泌的木聚糖酶需要識別阿拉伯糖側(cè)鏈才能切割木聚糖主鏈。菌株1 和2 分泌的阿拉伯呋喃糖苷酶分別水解通過α-1，2 和α-1，3 鍵與主鏈連接的阿拉伯糖側(cè)鏈。在這種分工形式下，不同物種利用同工酶間的精細差異完成了生態(tài)位的分化。CAZy 數(shù)據(jù)庫收錄了不同家族的碳水化合物活性酶，但即使同一家族的酶也可能被劃分到不同亞家族，展現(xiàn)出不同的水解模式和活性［23-24］。因此，即使根據(jù)宏基因組測序和序列相似性分析對菌群中碳水化合物活性酶進行家族歸類，也很難準確定義蛋白的水解模式，這也阻礙了木質(zhì)纖維素降解菌群中新型分工機制的發(fā)現(xiàn)。在后基因組時代，對環(huán)境和數(shù)據(jù)庫中大量的碳水化合物活性酶進行功能鑒定是挖掘種間分工協(xié)作機制的必要手段［25］。

1.2 菌群成員在底物轉(zhuǎn)運中的分工

除了底物水解層面的分工，在水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)運方面同樣存在分工。以半纖維素為代表的結(jié)構(gòu)性多糖在水解后會產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的寡糖，這些寡糖在分子質(zhì)量、分支程度和糖單元組成上的差異導(dǎo)致了不同菌株對不同寡糖的轉(zhuǎn)運偏好性。如圖1D 所示，菌株1 負責(zé)轉(zhuǎn)運木糖和直鏈木寡糖，菌株2 負責(zé)轉(zhuǎn)運含有阿拉伯糖側(cè)鏈的木寡糖，而菌株3 則轉(zhuǎn)運由木糖、阿拉伯糖和半乳糖構(gòu)成的寡糖，不同菌株通過胞內(nèi)的糖苷酶完成對寡糖的水解。此外，由于菌株2 和3 不能利用木糖，胞內(nèi)積累的木糖會被分泌到環(huán)境中，被菌株1 利用。這種在轉(zhuǎn)運上的差異也是菌群中形成高效分工的關(guān)鍵。目前類似的機制已在腸道菌群中發(fā)現(xiàn)。通過分析來源于11 個屬的13 株益生菌對低聚半乳糖的利用，研究人員發(fā)現(xiàn)不同菌株對聚合度較高的低聚半乳糖的轉(zhuǎn)運存在差異，雙歧桿菌能夠更好地轉(zhuǎn)運聚合度較高的寡糖。對菌株的基因組進行分析，發(fā)現(xiàn)造成這種差異的主要原因是菌株間轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的不同［26］。

2 營養(yǎng)因子間的交叉喂養(yǎng)

在木質(zhì)纖維素降解菌群中，降解菌除了通過協(xié)同降解為非降解菌提供碳源，也能為非降解菌提供氨基酸、維生素等營養(yǎng)因子（圖2A）。Jiang 等［27］對木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化菌群進行研究時，發(fā)現(xiàn)菌群中木質(zhì)纖維素降解菌Trichoderma asperellum 可以為乳酸菌Lactobacillus paracasei 提供色氨酸、酪氨酸和谷氨酰胺；利用上述種間分工，構(gòu)建了包含T. asperellum 和L. paracasei 的人工菌群，成功實現(xiàn)了由纖維素（avicel）向乳酸的高效轉(zhuǎn)化。然而，對于降解菌來說，同時提供碳源和營養(yǎng)因子會造成過高的代謝壓力，從而導(dǎo)致菌株在菌群中豐度降低，最終引發(fā)系統(tǒng)崩潰。相較于上述情況，由非降解菌提供營養(yǎng)因子能夠使菌群物種間形成更為明確的代謝分工（圖2B）。在對蜜蜂腸道菌群進行研究時，研究人員發(fā)現(xiàn)Bifidobac?teria 和Gilliamella 通過降解花粉中的半纖維素為非降解菌株提供碳源，非降解菌通過為上述菌株提供氨基酸來建立代謝反饋［28］。類似的機制在哺乳動物腸道菌群中已被普遍報道，菌群中降解菌株通過水解膳食纖維為整個腸道菌群提供碳源，一些非降解菌在利用上述水解產(chǎn)物的同時向外分泌氨基酸。這種代謝上的相互制約對于穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，一旦抑制非降解菌的氨基酸合成能力，降解菌在菌群中的豐度也會隨之降低，從而導(dǎo)致整個菌群系統(tǒng)的崩潰［29-30］。雖然降解菌和非降解菌間建立互惠的代謝反饋對于菌群系統(tǒng)至關(guān)重要，但是目前這種代謝分工在包括厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、堆肥環(huán)境等木質(zhì)纖維素降解生境的研究中卻未得到廣泛重視，在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化菌群的構(gòu)建中也未得到充分應(yīng)用，這也是導(dǎo)致人工菌群結(jié)構(gòu)和功能失衡的重要因素。

3 木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化菌群中“糖騙子”的控制

在木質(zhì)纖維素降解菌群中，參與底物降解的菌株通常被稱為“貢獻者”，“貢獻者”通過分工水解底物向環(huán)境中釋放單糖或寡糖，這些能被菌群中其他成員直接利用的碳源也被稱為“公共貨物”。除此之外，菌群中不參與底物降解的菌株則被稱為“糖騙子”，“糖騙子”對菌群中“公共貨物”的剝奪會造成“貢獻者”在菌群中的投資沒法得到相應(yīng)的回報。因此，在木質(zhì)纖維素降解菌群中限制“糖騙子”的豐度是維持菌群高效功能的關(guān)鍵［31］。目前，木質(zhì)纖維素降解菌群中“貢獻者”和“糖騙子”的豐度在理論上遵循“投資與回報原則”，即“糖騙子”主要利用木質(zhì)纖維素中含量較低的糖類（如果糖、半乳糖），而“貢獻者”則主要利用木質(zhì)纖維素中的主要糖類（如葡萄糖、木糖）［32］。但上述原則僅限于理論，在實際研究中并未得到證實，而且維持“投資與回報原則”的微生物學(xué)機制仍有待揭示。在人工菌群的構(gòu)建中，利用水解菌株為發(fā)酵菌株提供碳源，從而完成木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化是常用策略。在該過程中，發(fā)酵菌株通常扮演“糖騙子”的角色，發(fā)酵菌株對碳源的過度利用無疑會造成降解菌株可用碳源的減少，進而導(dǎo)致其豐度降低、系統(tǒng)崩潰。針對人工菌群構(gòu)建中的這一問題，Wen 等［33］依據(jù)菌株間轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的差異提供了一種解決方案，分別以Clostridium cellulovorans 和C. beijerinckii 為水解菌株和發(fā)酵菌株構(gòu)建菌群，并進行了一系列代謝改造。在C. cellulovorans 中，敲除了乙酸激酶和乳酸脫氫酶，過表達丁酸激酶，強化菌株利用葡萄糖合成丁酸的能力；在C. beijerinckii 中，強化了菌株利用木糖和丁酸的能力，確保菌株能夠合成丁醇。在該系統(tǒng)中C. cellulovorans 水解堿處理的玉米芯，產(chǎn)生葡萄糖和木糖，葡萄糖被自身利用，而木糖則被C. beijerinckii 利用，避免了菌株間對碳源的競爭；溶劑最終產(chǎn)量能夠達到22.1 g/L，其中丙酮4.25g/L，丁醇11.5 g/L，乙醇6.37 g/L。然而，天然高效木質(zhì)纖維素降解菌群中是否存在其他限制“糖騙子”豐度的機制仍有待進一步挖掘，在人工菌群構(gòu)建中的應(yīng)用仍有待深入驗證。

4 種間分工協(xié)作在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

考慮到真菌在木質(zhì)纖維素降解上的出色能力，以真菌為水解菌株，并銜接發(fā)酵菌株已成為人工菌群構(gòu)建的策略之一。一般而言，真菌對木質(zhì)纖維素的降解往往發(fā)生在好氧條件下，而乙醇等生物燃料的發(fā)酵則需要厭氧條件。為了同時滿足二者對生態(tài)位的需求，研究人員設(shè)計出一種多物種生物膜反應(yīng)器。在該系統(tǒng)中，真菌附著于硅膠膜上，氧氣通過硅膠膜向系統(tǒng)內(nèi)傳遞時被真菌消耗，從而為系統(tǒng)中的厭氧菌提供厭氧環(huán)境。利用這一系統(tǒng)，Brethauer等［12］構(gòu)建了由T. reesei 和Saccharomyces cerevisiae組成的人工菌群，以稀酸預(yù)處理的小麥秸稈為底物時，該系統(tǒng)的乙醇產(chǎn)量達到9.8 g/L。在此基礎(chǔ)上，Shahab 等［16］對該系統(tǒng)進一步優(yōu)化，在T. reesei 后面銜接兼性厭氧菌Lactobacillus pentosus。L. pentosus一方面繼續(xù)消耗未被T. reesei 消耗的氧氣，為后續(xù)短鏈脂肪酸發(fā)酵菌株提供厭氧環(huán)境；另一方面將T. re?esei 水解產(chǎn)生的葡萄糖、木糖及寡糖轉(zhuǎn)化為乳酸，乳酸進一步被厭氧菌C. tyrobutyricum、Veillonella cri?ceti和Megasphaera elsdenii 轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸。在該系統(tǒng)中，1.102 t 的山毛櫸木可以轉(zhuǎn)化成196 kg 的丁酸。這種將木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)生的多種可溶性糖轉(zhuǎn)化為乳酸的形式可以保證下游脂肪酸發(fā)酵菌株碳源利用的高效性。

此外，在不依賴于物理屏障的情況下，好氧菌和厭氧菌之間也能自發(fā)形成各自不同的生態(tài)位。以Clostridium 為例，作為具有工業(yè)應(yīng)用潛力的溶劑合成菌屬，Bacillus 來源的菌株常被用來與Clostridium 共培養(yǎng)，為后者提供厭氧環(huán)境。然而，Bacillus 卻無法與Clostridium 穩(wěn)定共存，從而導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)崩塌［34-35］。因此，在人工菌群構(gòu)建時需要不同菌群成員對非生物參數(shù)（如氧濃度、pH和溫度）具有重疊的耐受范圍。

5 天然木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化菌群中種間分工研究的挑戰(zhàn)與展望

雖然天然木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化菌群（如厭氧消化菌群）已經(jīng)為人類社會的發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。然而，由于復(fù)雜的物種組成和互作網(wǎng)絡(luò)，這些天然菌群被視為“黑匣子”，導(dǎo)致對天然菌群中種間分工的研究仍然困難重重。利用木質(zhì)纖維素材料進行多次傳代富集可以從復(fù)雜的天然菌群中獲得具有特定功能的穩(wěn)定菌群，富集后的菌群不僅可以部分保留天然菌群中的種間協(xié)作關(guān)系，而且更易于調(diào)控［8］。因此，對天然菌群進行富集已成為研究菌群中物種分工協(xié)作的有效形式。在前期研究中，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤微生物學(xué)重點實驗室利用秸稈從堆肥環(huán)境中富集得到了一個高效木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化菌群EMSD5［36］。該菌群能夠高效轉(zhuǎn)化玉米芯和玉米秸稈等木質(zhì)纖維素底物合成異丙醇。初步研究發(fā)現(xiàn)該菌群中好氧菌可以通過消耗氧氣為厭氧菌提供適宜的生境，而厭氧菌之間則通過底物的協(xié)同轉(zhuǎn)化完成對異丙醇的合成［37］（圖3）。對該菌群的進一步研究將有望挖掘更為精妙的種間分工機制，為人工菌群的構(gòu)建提供理論依據(jù)。

隨著測序技術(shù)的快速發(fā)展，對菌群進行宏基因組測序、Binning 拼接和宏轉(zhuǎn)錄組分析可以在一定程度上解析天然木質(zhì)纖維素降解菌群中的物種分工與協(xié)作［38-41］。目前單細胞測序已被廣泛應(yīng)用于哺乳動物單細胞的轉(zhuǎn)錄組分析［14］，但由于RNA 含量低和缺乏去腺苷酸化mRNA，單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在原核細胞研究中的應(yīng)用面臨極大挑戰(zhàn)［42］。未來單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在原核生物系統(tǒng)研究中的不斷成熟將有助于更深入地理解微生物群落中微生物基因表達、代謝功能和種間分工。此外，結(jié)合基因組全尺度建模（genome scale models，GSMs）和流平衡分析（flux balance analysis，F(xiàn)BA）可以很好地預(yù)測單一微生物的代謝通量［43-44］，而且在由雙菌構(gòu)成的人工菌群中也有很好的應(yīng)用［45］。通過對模型的構(gòu)建和不斷優(yōu)化，以及菌群中不同物種高精度基因組的生成，將有望通過GSMs 和FBA 對復(fù)雜菌群中的種間代謝交流進行預(yù)測和分析。盡管組學(xué)技術(shù)和計算機建模技術(shù)取得了飛速進步，但天然木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化菌群中種間協(xié)作關(guān)系的研究仍受限于菌株的分離培養(yǎng)。目前，自然界中大多數(shù)菌種難以直接分離，因此，即便我們能夠深入解析天然菌群中的種間互作關(guān)系，如何分離這些互作菌株，并基于此構(gòu)建高效、穩(wěn)定、可控的人工菌群，仍然是一條充滿挑戰(zhàn)的長路。

參考文獻References

［1］ KOST C，PATIL K R，F(xiàn)RIEDMAN J，et al．Metabolic exchanges

are ubiquitous in natural microbial communities［J］．

Nature microbiology，2023，8（12）：2244-2252．

［2］ QIAN X J，CHEN L，SUI Y，et al． Biotechnological poten‐

tial and applications of microbial consortia［J/OL］． Biotechnology

advances，2020，40：107500［2024-05-31］． https：//

doi.org/10.1016/j.biotechadv.2019.107500.

［3］ YU K，YI S，LI B，et al．An integrated meta-omics approach

reveals substrates involved in synergistic interactions in a bisphenol

A （BPA）-degrading microbial community［J/OL］．

Microbiome，2019，7（1）：16［2024-05-31］．https：//doi.org/

10.1186/s40168-019-0634-5.

［4］ HACQUARD S，GARRIDO-OTER R，GONZáLEZ A，et

al．Microbiota and host nutrition across plant and animal Kingdoms

［J］．Cell host amp; microbe，2015，17（5）：603-616．

［5］ TRIVEDI P，LEACH J E，TRINGE S G，et al．Plant-microbiome

interactions：from community assembly to plant health

［J］．Nature reviews microbiology，2020，18（11）：607-621．

［6］ BLASCHE S，KIM Y，MARS R A T，et al．Metabolic cooperation

and spatiotemporal niche partitioning in a kefir microbial

community［J］．Nature microbiology，2021，6（2）：196-208．

［7］ SUN H，CHAI L J，F(xiàn)ANG G Y，et al．Metabolite-based mutualistic

interaction between two novel clostridial species from pit

mud enhances butyrate and caproate production［J/OL］．Applied

and environmental microbiology，2022，88（13）：e0048422

［2024-05-31］．https：//doi.org/10.1128/aem.00484-22.

［8］ PENG X N，GILMORE S P，O’MALLEY M A．Microbial

communities for bioprocessing：lessons learned from nature

［J］． Current opinion in chemical engineering，2016，14：

103-109．

［9］ PAUL S，DUTTA A．Challenges and opportunities of lignocellulosic

biomass for anaerobic digestion［J］．Resources，conservation

and recycling，2018，130：164-174．

［10］ ROBERTSON G P，HAMILTON S K，BARHAM B L，et

al．Cellulosic biofuel contributions to a sustainable energy future：

choices and outcomes［J/OL］． Science，2017，356

（6345）：eaal2324［2024-05-31］．http：//dx.doi.org/10.1126/

science.aal2324.

［11］ LIU Y J，LI B，F(xiàn)ENG Y G，et al．Consolidated bio-saccharification：

leading lignocellulose bioconversion into the real world

［J/OL］． Biotechnology advances，2020，40：107535［2024-

05-31］．https：//doi.org/10.1016/j.biotechadv.2020.107535.

［12］ BRETHAUER S，STUDER M H．Consolidated bioprocessing

of lignocellulose by a microbial consortium［J］．Energy amp;

environmental science，2014，7（4）：1446-1453．

［13］ SINGHANIA R R，PATEL A K，SINGH A，et al．Consolidated

bioprocessing of lignocellulosic biomass：technological

advances and challenges［J/OL］． Bioresource technology，

2022，354：127153［2024-05-31］．https：//doi.org/10.1016/j.

biortech.2022.127153.

［14］ LILLINGTON S P，LEGGIERI P A，HEOM K A，et al．

Nature’s recyclers：anaerobic microbial communities drive

crude biomass deconstruction［J］．Current opinion in biotechnology，

2020，62：38-47．

［15］ GILMORE S P，LANKIEWICZ T S，WILKEN S E，et al．

Top-down enrichment guides in formation of synthetic microbial

consortia for biomass degradation［J］．ACS synthetic biology，

2019，8（9）：2174-2185．

［16］ SHAHAB R L，BRETHAUER S，DAVEY M P，et al． A

heterogeneous microbial consortium producing short-chain fatty

acids from lignocellulose［J/OL］． Science，2020，369

（6507）：eabb1214［2024-05-31］． https：//doi. org/10.1126/

science.abb1214.

［17］ ZUROFF T R，XIQUES S B，CURTIS W R． Consortiamediated

bioprocessing of cellulose to ethanol with a symbiotic

Clostridium phytofermentans/yeast co-culture［J/OL］． Biotechnology

for biofuels，2013，6（1）：59［2024-05-31］ ．

https：//doi.org/10.1186/1754-6834-6-59.

［18］ PARK E Y，NARUSE K，KATO T． One-pot bioethanol

production from cellulose by co-culture of Acremonium cellulolyticus

and Saccharomyces cerevisiae［J/OL］．Biotechnology

for biofuels，2012，5（1）：64［2024-05-31］． https：//doi.

org/10.1186/1754-6834-5-64.

［19］ BROWN R M Jr，SAXENA I M． Cellulose biosynthesis：a

model for understanding the assembly of biopolymers［J］．

Plant physiology and biochemistry，2000，38（1/2）：57-67．

［20］ SMITH P J，WANG H T，YORK W S，et al．Designer biomass

for next-generation biorefineries：leveraging recent insights

into xylan structure and biosynthesis［J/OL］．Biotechnology

for biofuels，2017，10：286［2024-05-31］．https：//doi.

org/10.1186/s13068-017-0973-z.

［21］ LINDEMANN S R．A piece of the pie：engineering microbiomes

by exploiting division of labor in complex polysaccharide

consumption［J］． Current opinion in chemical engineering，

2020，30：96-102．

［22］ TUNCIL Y E，XIAO Y，PORTER N T，et al． Reciprocal

prioritization to dietary glycans by gut bacteria in a competitive

environment promotes stable coexistence［J/OL］． mBio，

2017，8（5）：e01068-17［2024-05-31］. https：//doi. org/

10.1128/mbio.01068-17．

［23］ MEWIS K，LENFANT N，LOMBARD V，et al． Dividing

the large glycoside hydrolase family 43 into subfamilies：a motivation

for detailed enzyme characterization［J］． Applied and

environmental microbiology，2016，82（6）：1686-1692．

［24］ ASPEBORG H，COUTINHO P M，WANG Y，et al．Evolution，

substrate specificity and subfamily classification of glycoside

hydrolase family 5 （GH5）［J/OL］． BMC evolutionary

biology，2012，12：186［2024-05-31］． http：//www. biomedcentral.

com/1471-2148/12/186.

［25］ HELBERT W，POULET L，DROUILLARD S，et al． Discovery

of novel carbohydrate-active enzymes through the rational

exploration of the protein sequences space［J］． PNAS，

2019，116（13）：6063-6068．

［26］ B?GER M，VAN LEEUWEN S S，LAMMERTS VAN

BUEREN A，et al． Structural identity of galactooligosaccharide

molecules selectively utilized by single cultures of probiotic

bacterial strains［J］．Journal of agricultural and food chemistry，

2019，67（50）：13969-13977．

［27］ JIANG Y J，LIU Y S，YANG X Y，et al．Compartmentalization

of a synergistic fungal-bacterial consortium to boost lactic

acid conversion from lignocellulose via consolidated bioprocessing

［J］．Green chemistry，2023，25（5）：2011-2020．

［28］ ZHENG H，PERREAU J，POWELL J E，et al． Division of

labor in honey bee gut microbiota for plant polysaccharide digestion

［J］．PNAS，2019，116（51）：25909-25916．

［29］ ZENGLER K，ZARAMELA L S．The social network of microorganisms：

how auxotrophies shape complex communities

［J］．Nature reviews microbiology，2018，16：383-390．

［30］ RAKOFF-NAHOUM S，F(xiàn)OSTER K R，COMSTOCK L E．

The evolution of cooperation within the gut microbiota［J］．

Nature，2016，533（7602）：255-259．

［31］ SMITH P，SCHUSTER M．Public goods and cheating in microbes

［J］．Current biology，2019，29（11）：R442-R447．

［32］ JIMéNEZ D J，DINI-ANDREOTE F，DEANGELIS K M，

et al．Ecological insights into the dynamics of plant biomassdegrading

microbial consortia［J］． Trends in microbiology，

2017，25（10）：788-796．

［33］ WEN Z Q，MINTON N P，ZHANG Y，et al．Enhanced solvent

production by metabolic engineering of a twin-clostridial

consortium［J］．Metabolic engineering，2017，39：38-48．

［34］ WU P F，WANG G Y，WANG G H，et al．Butanol production

under microaerobic conditions with a symbiotic system of

Clostridium acetobutylicum and Bacillus cereus［J/OL］．Microbial

cell factories，2016，15：8［2024-05-31］．https：//doi.

org/10.1186/s12934-016-0412-z.

［35］ MAI S，WANG G Y，WU P F，et al． Interactions between

Bacillus cereus CGMCC 1.895 and Clostridium beijerinckii

NCIMB 8052 in coculture for butanol production under nonanaerobic

conditions［J］．Biotechnology and applied biochemistry，

2017，64（5）：719-726．

［36］ LV Z W，YANG J S，YUAN H L． Production，purification

and characterization of an alkaliphilic endo- β -1，4-xylanase

from a microbial community EMSD5［J］．Enzyme and microbial

technology，2008，43（4/5）：343-348．

［37］ LIU L，YANG J S，YANG Y，et al．Consolidated bioprocessing

performance of bacterial consortium EMSD5 on hemicellulose

for isopropanol production［J/OL］．Bioresource technology，

2019，292：121965［2024-05-31］． https：//doi. org/

10.1016/j.biortech.2019.121965.

［38］ JIA Y Y，NG S K，LU H Y，et al．Genome-centric metatranscriptomes

and ecological roles of the active microbial populations

during cellulosic biomass anaerobic digestion［J/OL］．

Biotechnology for biofuels，2018，11：117［2024-05-31］．

https：//doi.org/10.1186/s13068-018-1121-0.

［39］ VANWONTERGHEM I，JENSEN P D，RABAEY K，et al．

Genome-centric resolution of microbial diversity，metabolism

and interactions in anaerobic digestion［J］．Environmental microbiology，

2016，18（9）：3144-3158．

［40］ SOLDEN L M，NAAS A E，ROUX S，et al． Interspecies

cross-feeding orchestrates carbon degradation in the rumen

ecosystem［J］． Nature microbiology，2018，3（11）：1274-

1284．

［41］ PENG X F，WILKEN S E，LANKIEWICZ T S，et al．Genomic

and functional analyses of fungal and bacterial consortia

that enable lignocellulose breakdown in goat gut microbiomes

［J］．Nature microbiology，2021，6（4）：499-511．

［42］ ZHANG Y，GAO J X，HUANG Y Y，et al．Recent developments

in single-cell RNA-seq of microorganisms［J］． Biophysical

journal，2018，115（2）：173-180．

［43］ ROBERTS S B，GOWEN C M，BROOKS J P，et al． Genome-

scale metabolic analysis of Clostridium thermocellum

for bioethanol production［J/OL］． BMC systems biology，

2010，4：31［2024-05-31］． https：//doi. org/10.1186/1752-

0509-4-31．

［44］ MILNE C B，EDDY J A，RAJU R，et al．Metabolic network

reconstruction and genome-scale model of butanol-producing

strain Clostridium beijerinckii NCIMB 8052［J/OL］． BMC

systems biology，2011，5：130［2024-05-31］． https：//doi.

org/10.1186/1752-0509-5-130.

［45］ SALIMI F，ZHUANG K，MAHADEVAN R． Genomescale

metabolic modeling of a clostridial co-culture for consolidated

bioprocessing［J］． Biotechnology journal，2010，5（7）：

726-738．

（責(zé)任編輯：葛曉霞）