科学家们花了几十年的时间寻找有效且经济地降解植物材料的方法，以便将它们转化为有益于日常生活的有用生物产品。

生物燃料、清洁剂、营养补充剂，甚至塑料都是这项工作的成果。尽管科学家们已经找到了将植物降解到生产一系列产品所需程度的方法，但某些聚合物，例如木质素(植物细胞壁的主要成分)，在不将污染物重新添加到环境中的情况下，仍然难以以经济的方式分解。环境。这些聚合物可以作为废品留下，不再使用。

众所周知，由真菌、切叶蚁和细菌组成的特殊微生物群落能够自然降解植物，将它们转化为周围生物和系统吸收和使用的营养物质和其他成分。但到目前为止，识别该过程所需的所有成分和生化反应仍然是一个重大挑战。

太平洋西北国家实验室 (PNNL) 功能和系统生物学科学组组长 Kristin Burnum-Johnson 和 PNNL 研究人员团队开发了一种称为代谢组信息蛋白质组成像 (MIPI) 的成像方法。这种方法使科学家能够深入分子水平，准确观察哪些基本成分是植物降解过程的一部分，以及发生什么、何时何地使这一过程成为可能的重要生化反应。

使用这种方法，研究小组揭示了重要的代谢物和酶，它们刺激了在降解过程中至关重要的不同生化反应。他们还揭示了系统中常驻细菌的目的，即使该过程更加高效。这些见解可应用于未来的生物燃料和生物产品开发。

PNNL 功能与系统生物学科学组组长克里斯汀·伯纳姆-约翰逊 (Kristin Burnum-Johnson) 在 TEDx 演讲中讲述了她的研究，即切叶蚁如何与一种真菌一起降解难以分解的植物材料的分子复杂性华盛顿州里奇兰。图片来源：TEDx Talks

切叶蚁和真菌之间的共生关系揭示了植物降解成功的关键

在研究中，该团队研究了一种真菌，这种真菌因其与切叶蚁的共生关系而闻名，这种真菌被称为 Leucoagaricus gongylophorus。蚂蚁利用真菌培育真菌花园，降解植物聚合物和其他材料。这种降解过程中剩余的成分被花园中的各种生物体使用和消耗，使所有生物体都能茁壮成长。

蚂蚁通过在专门的地下结构中的新鲜叶子上培养真菌来完成这一过程。这些结构最终成为消耗材料的真菌花园。常驻细菌成员通过产生支持整个花园生态系统的氨基酸和维生素来帮助降解。

“环境系统经过数百万年的发展，已经成为完美的共生系统，”伯纳姆-约翰逊说。“除了观察它们如何自然地完成这些任务之外，我们怎样才能更好地从这些系统中学习呢?”

但这个真菌群落的研究之所以如此困难，是因为它的复杂性。虽然植物、真菌、蚂蚁和细菌都是植物降解过程中的活性成分，但它们都不专注于一项任务或驻留在一个位置。考虑到在分子水平上发生的小规模生化反应，一个极其困难的谜题就出现了。但 PNNL 开发的新 MIPI 成像方法使科学家能够准确地看到整个降解过程中发生的情况。

伯纳姆-约翰逊说：“我们现在拥有工具可以充分理解这些系统的复杂性，并首次将它们作为一个整体进行可视化。”

揭示复杂系统中的重要组成部分

研究小组使用高功率激光对真菌花园 12 微米厚的部分进行了扫描——大约是塑料保鲜膜的宽度。这个过程有助于确定样品中代谢物的位置，这些代谢物是植物降解的残留产物。该技术还有助于确定植物聚合物(如纤维素、木聚糖和木质素)以及特定区域中其他分子的位置和丰度。这些成分的组合位置表明了植物材料被分解的热点。

从那里，研究小组瞄准这些区域来观察酶，这些酶用于启动生命系统中的生化反应。了解这些酶的类型和位置使他们能够确定哪些微生物参与了该过程。

所有这些成分共同帮助确认真菌是系统中植物材料的主要降解者。此外，研究小组确定系统中存在的细菌将先前消化的植物聚合物转化为代谢物，这些代谢物用作系统中的维生素和氨基酸。这些维生素和氨基酸通过加速真菌生长和植物降解而使整个生态系统受益。

伯纳姆-约翰逊表示，如果科学家使用其他更传统的方法对系统中的主要成分(例如代谢物、酶和其他分子)进行批量测量，他们只会得到这些材料的平均值，从而产生更多噪音并掩盖信息。

“它稀释了感兴趣的重要化学反应，通常使这些过程无法检测到，”她说。“为了分析这些真菌群落的复杂环境生态系统，我们需要了解这些精细的相互作用。然后可以将这些结论带回到实验室环境中，并用于制造对我们日常生活很重要的生物燃料和生物产品。”

利用复杂系统的知识进行未来的真菌研究

该论文的主要作者、化学家 Marija Velickovic 表示，她最初对研究真菌花园及其如何降解木质素感兴趣，这是基于该项目的难度。

“真菌花园是最有趣的，因为它们是最复杂的生态系统之一，由多个有效合作的成员组成，”她说。“我真的很想绘制微观层面的活动图，以更好地了解每个成员在这个复杂的生态系统中的作用。”

维利科维奇在实验室中进行了所有动手实验，收集载玻片材料，扫描样本以查看和识别每个切片中的代谢物，并识别木质纤维素降解的热点。

维利科维奇和伯纳姆-约翰逊都表示，他们对球队的成功感到欣喜若狂。

“我们实际上完成了我们设定的目标，”伯纳姆-约翰逊说。“尤其是在科学领域，这是无法保证的。”

该团队计划将其发现用于进一步的研究，并制定具体计划来研究真菌群落如何在干扰和其他扰动中做出反应并保护自己。

“我们现在了解了这些自然系统如何很好地降解植物材料，”伯纳姆-约翰逊说。“通过观察这个层面上的复杂环境系统，我们可以了解它们如何进行该活动，并利用它来制造生物燃料和生物产品。”

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