木质纤维素是自然界最丰富的可再生资源，因其复杂的组成成分和结构而很难被降解。反刍动物瘤胃是已知高效降解木质纤维素的系统之一，因为其中生活着复杂的微生物菌群，它们能够分泌各种木质纤维素降解酶。本研究的目的是，进一步认识牦牛瘤胃纤维素酶的特征及其基因的调控机理，并试图获得降解木质纤维素的酶基因。因此我们从已构建的牦牛瘤胃元基因组BAC文库筛选纤维素酶基因，并在已培养的牦牛瘤胃纤维素降解细菌Cellulosilyticum ruminicola H1中鉴定了木质纤维素降解的关键酶基因并研究了其可能的调控机理。研究结果如下：　　 ⑴通过酶活筛选，从牦牛瘤胃元基因组BAC表达文库中筛选到大量具有纤维素酶等活性克隆，并获得了纤维素酶基因簇。说明牦牛瘤胃含有丰富的纤维素酶基因。　　 ⑵在瘤胃细菌Cellulosilyticum ruminicola H1中鉴定了木质纤维素降解的一类重要酶-阿魏酸酯酶(Fae)。阿魏酸酯酶是一类羧酸酯酶，专一水解植物细胞壁中阿魏酸与多糖形成的酯键，可松散植物细胞壁。菌株H1含有三个阿魏酸酯酶，分别命名为FaeⅠ、FaeⅡ和FaeⅢ。这三个蛋白质均具有酯酶-脂肪酶家族结构域，但结构域的组成各不相同。FaeⅠ含有一个Ricin糖结合域和一个碳水化合物结合域CBM，并且其N端预测有信号肽序列；FaeⅢ的C端含有一个未知功能域。系统学分析显示细菌的Fae形成两簇，因而定义为Ⅰ型和Ⅱ型。其中FaeⅠ和FaeⅡ属于Ⅰ型，FaeⅢ属于Ⅱ型；Ⅰ型细菌酯酶大多为分泌型的双结构域蛋白。酶学分析显示FaeⅠ、FaeⅡ和FaeⅢ的最适酶反应温度在40℃左右，最适pH分别为6.0-7.0、8.0和9.0，并且分别在pH3.O-10.0、pH3.0-9.0和pH5.0-10.0维持较高的酶活性。FaeⅠ对天然纤维素有较高的牦牛瘤胃木质纤维素降解酶的筛选、表征及其基因调控研究酶活性，FaeⅢ对化学合成的阿魏酸甲酯等小分子模式底物具有高的亲和力和酶活，而FaeⅡ对两种底物都有较强活性。CBM赋予FaeⅠ结合纤维素的能力并促进其对玉米芯的降解。这是首次发现在一株菌中存在三种性质各异的阿魏酸酯酶。　　 ⑶菌株H1三个阿魏酸酯酶之间可能存在协同作用，FaeⅠ催化玉米芯产生HPLC12.7 min的特异产物峰，而FaeⅡ对HPLC2.75 min的底物有很强的酶解活性。虽然目前还不知这些物质的结构，但这表明FaeⅠ和FaeⅡ对底物的选择具有互补性。此外阿魏酸酯酶与半纤维素酶间也存在协同作用，胞外的阿魏酸酯酶FaeⅠ和FaeⅡ可促进木聚糖酶的酶活，而细胞质中的FaeⅢ不能促进该酶活。因此推测三个阿魏酸酯酶协同降解天然底物方式如下：分泌于胞外的细菌Ⅰ型阿魏酸酯酶首先松散天然纤维素结构，将纤维素暴露出来，随后大分子底物被(半)纤维素酶降解成小分子酚酸-糖酯；Ⅱ型的胞内阿魏酸酯酶对小分子底物具有高亲和力，可迅速降解被转运进细胞的底物。　　 ⑷三种阿魏酸酯酶基因的表达受不同糖的诱导。果胶对三个酯酶基因均有诱导作用，其中对faeⅠ的诱导最显著；木糖和木聚糖也诱导faeⅠ基因的表达；而阿魏酸或香豆酸对三个基因均无诱导作用。细菌阿魏酸酯酶基因受木糖诱导的现象是首次报导，可能是木糖通过木糖调节子XylR，并与faeⅠ启动子pfl相互作用而实现调节。推测模式如下：木糖不存在时，木糖调节子XylR结合到faeⅠ的启动子区域，抑制faeⅠ的转录；当木糖存在时，它结合XylR引起其构象改变，从而从faeⅠ的启动子上脱落，开启faeⅠ的转录。