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木质素（Lignin）是一种丰富的陆地芳香碳生物质，是植物细胞壁中仅次于纤维素的第二大组分，在全球碳循环中占据重要地位。木质素的降解主要由某些微生物（如真菌和细菌）以及它们分泌的酶完成。这些微生物及其编码相关酶的基因受到了广泛关注。

利用微生物及其基因资源进行木质素降解，在生物能源、环境保护和生物材料开发等研究领域具有重要价值，主要包括：

● 解析元素生态循环功能：助力理解微生物 在生态系统木质素降解及碳循环中的作用，完善生态系统功能认知。

● 揭示生物进化适应机制：展现微生物在进化中对不同环境的适应过程，阐明降解木质素微生物/基因的演化。

● 丰富物种认知，开发新资源：发现新的具有木质素降解能力的微生物及基因，拓展微生物多样性认知及生物资源开发。

凌恩生物宏基因组木质素降解功能注释分析策略

凌恩生物结合目前已有的木质素分解代谢宏基因组数据库（LCdb），全面升级宏基因组分析流程，挖掘微生物木质素降解基因，解析木质素降解微生物群落特征。该数据库共包含461,918个基因，450个基因家族。主要包含以下关键的参与木质素降解过程的基因和酶：

1、漆酶（Laccase基因）

漆酶是一种含铜的氧化酶，能够催化木质素分子中的酚类结构单元发生氧化反应，进而导致木质素的分解。多种真菌，特别是白腐真菌，都含有编码漆酶的基因。

2、过氧化氢酶（Peroxidases）基因

锰过氧化物酶（Manganese Peroxidase, MnP） 和 木质素过氧化物酶（Lignin Peroxidase, LiP）：这两种酶也是白腐真菌中的重要成分，能够在氢过氧化物的存在下氧化并破坏木质素。

3、还原性木聚糖酶（Reductive Xylose Enzymes）

一些细菌也能通过独特的酶系统降解木质素，例如某些放线菌会使用还原性木聚糖酶参与这一过程。

4、其他相关酶

包括β-芳基醚酶等，这一些细菌也能通过独特的酶系统降解木质素，例如某些放线菌会使用还原性木聚糖酶参与这一过程。

图 木质素降解基因分类丰度热图

经典案例

标题：基于宏基因组研究，比较水生和陆生生态系统中微生物群木质素降解能力

期刊：Molecular Ecology Resources

影响因子：5.5 

DOI：10.1111/1755-0998.13950

研究背景

木质素作为一种丰富的有机碳，在全球碳循环中起着至关重要的作用。然而，对全球木质素降解微生物群的理解仍然难以捉摸。本研究通过构建LCdb数据库研究了陆地和水生生态系统中微生物群落降解木质素的潜力，分析了功能基因和分类群的分布、相关性及群落组装机制。

主要结果

△LCdb优势显著：涵盖474个基因家族，在覆盖度、准确性和特异性上优于其他公共数据库；

△生态位分化明显：陆地、河口和海洋生态系统中，木质素降解功能性状和分类群的多样性与组成存在差异。陆地微生物群落多样性最高，海洋最低。

△协同效应依生态位而异：功能基因共现网络分析表明，水生生态系统（尤其是河口）网络的节点连接性和复杂性更高。在木质素解聚和芳香化合物降解的子网络中，不同生态系统表现出不同的基因关联模式和协同作用偏好。

△环境因子影响不同：总碳（TC）、纬度、经度和深度等环境因子对微生物群落功能基因的影响强于对分类群的影响。

图 海洋微生物菌群中木质素降解功能基因的分布特征。

图 陆地、河口和海洋群落中木质素降解基因家族的共现网络图。

参考文献

Metagenomic-based discovery and comparison of the lignin degrading potential of microbiomes in aquatic and terrestrial ecosystems via the LCdb database. Molecular Ecology Resources, 2024.