植物来源的寡糖具有益生、抗肿瘤、抗炎症等许多生物活性,受到人们广泛的关注。以农业废弃物为原料利用糖苷水解酶生产高附加值寡糖等功能糖,既可以提高农副产品加工业副产物的综合利用率,减少了废弃物的产生又使得高附加值功能糖的回收成为可能,具有巨大的经济和生态效益。由于糖苷水解酶的底物专一性和原料木聚糖的异质性,需要针对不同结构的底物复配降解酶,从而达到“定制”高附加值功能糖的目的。本研究基于功能组学的分析方法综合研究了Aspergillu.s niger An76木聚糖降解酶系的组成特点和降解特异性,并探讨了降解不同类型木聚糖底物以及得到特定寡糖的最小最优的酶系组合。取得如下研究成果:1、利用比较基因组学对31种真菌的木质纤维素降解特性进行了分析,发现不同纤维素降解真菌对纤维素的降解作用与其生态位相关基于比较基因组学技术分析了 31种不同株系的丝状真菌、植物致病菌、人类病原菌及酵母菌的木质纤维素降解相关基因的组成及数量,发现真菌的木质纤维素降解酶基因的家族分布及活性种类与微生物的生态位关系密切。其中黑曲霉(Aspergillus niger)的碳水化合物降解酶基因数量仅次于烟曲霉,具有完整的半纤维素降解酶系,分析显示工业中应用最广泛的A.niger An76有28个木聚糖降解相关酶基因。2、基于功能组学研究了外部环境对A.niger An76分泌酶系组分的影响,发现A.niger An76不同胞外酶的分泌时序具有温度依赖性并遵循葡萄糖效应研究发现,A.niger An76糖苷水解酶的分泌受到温度、胞外碳源等因素的影响,可诱导产生具有差异的胞外糖苷水解酶谱。A.niger An76在35℃时在固体平板上生长最好.但是在30℃时其胞外寡糖含量、分泌的胞外蛋白最最大。研究证明培养温度可影响不同组分胞外水解酶的分泌先后次序,特别是3种木聚糖同工酶在不同培养温度时,其分泌时序和表达量显示出明显差异。在25-35℃范围内,An_XynB的分泌不受温度影响,低温25℃时An_XynC分泌滞后,高温35℃时An_XynA分泌滞后,而高温和低温均影响Egl的分泌。在单一碳源培养过程中,发现甘油不诱导糖苷水解酶的分泌,而在有葡萄糖存在时,菌体只有在胞外葡萄糖耗尽时才会向胞外分泌木聚糖酶和内切纤维素酶,表明当胞外葡萄糖的浓度很低或耗尽时,葡萄糖的碳源阻遏抑制效应将被解除,菌体才会分泌糖苷水解酶水解胞外难以利用的聚糖。3、从基因组和蛋白质组角度探究了A.niger An76木聚糖降解酶系的表达特点,发现木聚糖酶系各组分的产生具有诱导差异性对A.niger An76木聚糖降解酶基因进行了生物信息学预测,可知A.niger An76木聚糖降解酶系基因在染色体上的位置比较集中。结合9种碳源培养下蛋白质组的检测验证,初步确定了A.niger An7 基因组中发挥重要功能的几类木聚糖降解酶。发现该菌中木聚糖降解酶系中的酶组分主要来自9个GH家族,2个CE家族,多为诱导型分泌蛋白,可能存在基因共表达现象。在单一碳源诱导表达过程中发现,木聚糖主链降解酶组分在木聚糖类底物上的表达量高于其它底物,但是木聚糖侧链降解酶的诱导具有碳源偏好性。4、建立了A.niger An76的木聚糖降解酶库,表征了各酶组分的性质并阐述了其降解机理对A niger An76的8个木聚糖降解酶系组分的基因进行了克隆表达,分离纯化了重组蛋白,测定了各酶组分的酶学性质。GH10家族木聚糖酶(An_XynC)活性中心的裂隙比GH11家族的木聚糖酶更开放,可以降解取代基更复杂的底物,产生更小片段的取代型木寡糖。3个GH11家族的木聚糖酶中,An_XynB酶活力最高,三者对寡糖的降解模式有差异,An_XynA和An_XynB能降解大片段寡糖(木五糖以上)而An_XynD则不降解。An XlnB在结构上与An_AxhA相似,可以水解木聚糖和阿拉伯聚糖底物,有α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶/β-木糖苷酶双活性。An_XlnD为单一活性的β-木糖苷酶,当底物为短链木寡糖或取代型木寡糖时,其降解效率要高于An_XlnB。α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶An_AbfB和An_AxhA都有水解阿拉伯呋喃糖苷之间α-1,5糖苷键的能力,但是水解效率低。二者对底物的偏好性有所差异,An_AbfB可以水解α-1.2或α-1.3糖苷键连接的单取代阿拉伯糖侧链,对短链取代型木寡糖和pNPAf活性高;An_AxhA水解双取代基中的一个阿拉伯糖侧链,不能结合取代型寡糖,同时可能兼有α-木糖苷酶活性。5、探讨了针对不同结构的木聚糖底物、不同目的产物的最佳酶系的“定制”与“复配”,为构建降解天然木质纤维素复合酶系的细胞工厂奠定了基础研究中针对不同底物、不同目对降解酶系进行人工复配,并探讨不同组分的协同效应与机制。协同水解研究表明,水解模式上的互补能够产生良好的协同效应,α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶与β-1,4内切木聚糖、β-木糖苷酶之间有良好的协同作用。侧链降解酶是木聚糖降解过程中的限速瓶颈,先添加侧链降解酶可促进木聚糖酶解反应的进行,但是木聚糖底物的侧链取代度和取代基差别很大,单一侧链降解酶往往不能满足去侧链的要求,本文对于不同取代度的木聚糖底物的降解给出了不同的协同组合及协同顺序。