白蚁属于昆虫纲等翅目，是自然界中最为典型的木质纤维素利用体系之一，对自然生态系统尤其是热带和亚热带地区生物质转化循环发挥重要的作用。在能源危机与环境污染日益严重的今天，对白蚁及其共生系统共生机制的解析和借鉴，必将为木质纤维素到生物乙醇的高效转化提供新的思路。目前全世界共有白蚁种类2700多种，分属七科，包括低等白蚁和高等白蚁。研究表明，二者对于木质纤维素的高效降解与转化均与其共生微生物密不可分。低等白蚁包含六个科，以木食性为主，主要依靠自身及肠道内原虫实现纤维素的降解。高等白蚁体内无原虫共生，仅由白蚁科构成，但其种类包含了所有白蚁种类的四分之三。且与低等白蚁相比，高等白蚁的食性呈现多样化，分为食土高等白蚁，食木高等白蚁和培菌高等白蚁。不同食性的高等白蚁在长期的进化中，与不同的微生物类群形成了不同的共生系统及多样化的木质纤维素降解机制。因此，本论文分别从高等培菌白蚁和高等食木白蚁中选择代表性种类，以不依赖于传统分离培养的元基因组技术对其肠道微生物的共生作用进行解析，并对其纤维素酶功能基因进行挖掘。具体来说包含以下内容:　　首先，在处理白蚁肠道样品的过程中，我们首次建立了以胰蛋白酶解离法结合差速离心法提取白蚁肠道元基因组大片段DNA的方法，有效降低了来自白蚁基因组DNA的污染，也为同行开展其它元基因组学研究可能遇到的真核污染问题提供了有效的解决方案。同时，针对某些白蚁肠道菌生物量低，DNA量有限，难以直接满足测序及建库需求的问题，首次将MDA(multiple displacement amplification)技术应用于足量白蚁肠道元基因组DNA的制备及以此为基础的Fosmid文库的构建和活性筛选中。该技术为从其它生物量低的环境样品进行文库构建和功能筛选提供了借鉴。　　在此基础上，对于高等培菌白蚁，由于其能够特异性地在巢内培养一种担子菌，故构成一个白蚁—体外真菌—肠道细菌的三方共生体系。然而对于该体系共生关系的探究一直集中在对其体外真菌共生作用的研究上，而对其肠道微生物的共生作用则鲜有研究和报道，因此本课题以培菌白蚁肠道菌为切入点，以我国云南土白蚁为研究对象，对其肠道微生物群落元基因组文库进行大规模454测序，解析了其群落结构和代谢潜能，包括对植物胞壁短链及侧链的降解、芳香族中间化合物的代谢及真菌胞壁多糖的降解。以上结果表明，一方面，在培菌白蚁蚁巢真菌将长链木质纤维素部分降解后，肠道微生物具有进一步降解植物胞壁短糖链及利用木质素衍生物的代谢潜能;另一方面，肠道菌具有消化、利用共生真菌生物质的代谢潜能。该研究结果为培菌白蚁肠道菌与蚁巢真菌协作共同完成木质纤维素的降解及培菌白蚁培养、取食共生真菌为自身补充营养的生物学行为提供了基因水平证据。在此基础上，对一种培菌白蚁肠道菌的元基因组进行了Fosmid文库的构建和纤维素酶功能基因的表型筛选，从一万克隆中共获得了一个木聚糖酶和12个β-葡萄糖苷酶，进一步验证了培菌白蚁肠道菌在降解纤维素短链上具有明显代谢潜能。　　对于高等食木白蚁，前人通过对一种象白蚁肠道菌进行元基因组测序发现其肠道菌基因组中蕴含大量糖基水解酶基因由此确立了高等食木白蚁肠道微生物对纤维素的降解具有主导作用，但关于肠道微生物如何有效调控、利用其所蕴含的批量降解酶基因实现纤维素的高效降解尚未可知。本文以与其不同亚科的短角球白蚁为研究对象，对其肠道菌进行基于Fosmid文库筛选和测序的功能元基因组学分析，从5万文库克隆中筛选到464个（半）纤维素酶的阳性克隆。通过对其中173个阳性克隆进行高通量测序、拼接，获得611个平均长度7.65 kb的与纤维素降解相关的contig。通过基因注释和预测，共获得近200个（半）纤维素酶新基因（最大相似性29～72％），发现其中大量功能基因及其转运子以操纵子或基因簇形式存在，反应了白蚁肠道菌对木质纤维素降解通路基因具有潜在的高效转录调控和利用机制。同时，多种纤维二糖代谢酶也被发现，包括典型的β-葡萄糖苷酶及非典型但更能为细胞代谢节约能量的纤维二糖磷酸化酶及6-P-β-葡萄糖苷酶，表明白蚁肠道菌通过多种通路及时消除肠道微环境中的纤维二糖以降低其对纤维素降解上游酶系的底物抑制作用。此外，通过与同行的密切合作，一个来自包含四个木聚糖酶基因簇的含有全新Big domain的木聚糖酶的三维结构也已得到解析，为Bigdomain在GH中的作用提供参考。本研究在探究高等食木白蚁肠道菌高效降解木质纤维素机理的同时，获得大量具有潜在工业应用价值的纤维素酶新颖基因，也为进一步研究其进化机理以及分析纤维素酶结构与功能的关系提供丰富的研究素材。