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| 編輯推薦： |
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本书由山东大学微生物技术国家重点实验室，中科院青岛能源所、上海生命科学研究院、天津工业生物技术所等研究单位的专家学者，基于973项目成果，共同编撰的系统专著。书中集中介绍厌氧细菌、好氧细菌、白蚁、瘤胃、堆肥、里氏木霉、青霉、真菌等微生物和系统降解木质纤维素的机制，也提出了木质纤维素降解酶系的改造和高效酶系重构策略。书中内容将为国内研究同行提供创新的思路，共同为提高木质纤维素资源的生物降解效率，实现非粮生物质生物炼制技术的产业化，为人类社会的可持续发展做出贡献。
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| 內容簡介： |
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利用可再生性木质纤维素资源降解转化生产液体燃料和化学品，实现非粮生物质生物炼制技术的产业化，将在解决我国当前资源、环境和农村发展等紧迫问题方面具有重要促进作用。本书基于国家重点基础研究发展计划（973计划）项目成果，系统介绍在长期的自然进化过程中各类微生物及其它系统所形成的多种多样的木质纤维素降解机制，涉及厌氧细菌、好氧细菌、里氏木霉、青霉、粗糙脉孢菌、丝状真菌、白蚁、瘤胃、堆肥、苎麻池和沼气污泥等。本书内容原创度很高，集中介绍作者关于降解机制新研究成果的同时，也阐述利用这些研究成果去设计利用分子改造来提高酶系合成效率的策略。本书可供生物工程、生化工程、生物技术、农业资源利用等领域的研究生和相关研究人员，以及生物能源企业技术人员参考阅读。
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| 關於作者： |
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曲音波，山东大学生物科学学院、微生物技术国家重点实验室、国家糖工程技术研究中心教授，博士生导师。兼任中国微生物学会副理事长、亚洲生物技术联合会咨询委员、《微生物学报》副。长期从事纤维素酶和可再生资源微生物转化技术，先后主持或参加了20余项国家或省部级以上科研项目，973计划项目首席科学家。已在国内外学术期刊上发表论文350余篇。主持或参与编写《木质纤维素降解酶与生物炼制》等著作10余部。先后获得国家科技奖励3项和省部级二等以上奖励8项、国家发明专利11项。筛选到的青霉纤维素酶抗降解物阻遏高产突变株已被用于工业酶制剂生产。提出了新的植物纤维原料（玉米芯）生物炼制技术路线，先后获得山东省技术发明一等奖、国家技术发明二等奖等。利用木糖渣生产纤维素酶和燃料乙醇技术已在山东龙力生物技术公司得到工业应用，使其成为中国获得国家发改委批准建设的纤维素乙醇定点厂。近期，在利用系统生物学技术研究青霉木质纤维素酶系及其合成调控机理、构建调控网络工程菌方面，也取得了重要进展。
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| 目錄：
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1 导论：人类社会的可持续发展与木质纤维素降解酶系的改造
1.1 发展生物质经济，应对人类社会可持续发展面临的严峻挑战 1
1.1.1 以石油为代表的化石能源的供应不可持续，急需开发绿色替代能源 1
1.1.2 减少温室气体排放、控制气候变暖，实现绿色低碳经济转型 3
1.1.3 生物能源与生物炼制产业经济发展的新增长点 4
1.2 木质纤维素生物炼制产业发展面临的机遇和挑战 5
1.2.1 纤维素乙醇技术已开始进入产业化阶段 5
1.2.2 木质纤维素生物炼制产业发展仍面临巨大挑战 8
1.3 木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题 11
1.3.1 木质纤维素类生物质的抗降解屏障 12
1.3.2 微生物木质纤维素降解酶系组成的复杂性和多样性 15
1.3.3 微生物木质纤维素降解酶系合成的调节与控制 31
1.3.4 木质纤维素降解真菌的组学研究 38
1.4 纤维降解酶的分子改造与高效降解酶系的构建 40
1.4.1 纤维素酶家族及其催化结构域分子改造 40
1.4.2 纤维降解酶系组成的改造 45
1.4.3 人工构建高效纤维素降解复合酶体系 46
参考文献 46
2 厌氧细菌纤维素降解多酶复合体的解析及重构
2.1 高温厌氧纤维素降解细菌及其降解酶系统 53
2.1.1 高温厌氧纤维素降解细菌的多样性 53
2.1.2 高温厌氧细菌纤维素降解酶系的多样性 54
2.1.3 多模块糖苷水解酶热适应性机制 56
2.1.4 糖苷水解酶底物选择性机制 58
2.2 纤维小体的表达调控 59
2.2.1 纤维小体基因在基因组中的分布规律 59
2.2.2 热纤梭菌纤维素降解相关酶系的表达调控 61
2.2.3 解纤维梭菌纤维素降解相关酶系的表达调控 62
2.2.4 纤维小体cip-cel基因簇的进化规律 63
2.3 纤维小体的解析、体外重构和性能改良 65
2.3.1 纤维小体模块单元的结构特征 65
2.3.2 人工纤维小体构建及体外功能分析 69
2.3.3 产纤维小体梭菌的基因工程改造 71
2.3.4 纤维小体的体内功能分析及改良 74
2.4 纤维小体及产纤维小体梭菌在生物燃气中的应用 76
2.4.1 生物燃气的重要性 76
2.4.2 秸秆高效转化生物燃气的意义与瓶颈 77
2.4.3 纤维素降解菌强化同步糖化产气研究现状 77
2.4.4 产氢微生物群落结构解析 79
2.4.5 秸秆高效转化生物氢烷工艺探索与中试实践 81
2.5 展望 84
参考文献 85
3 好氧细菌降解纤维素的机制
3.1 褐色热裂孢菌的纤维素降解酶体系 95
3.2 哈氏噬纤维菌与纤维素降解 97
3.2.1 哈氏噬纤维菌纤维素酶的性质 98
3.2.2 哈氏噬纤维菌的糖转运相关蛋白 99
3.3 滑动细菌的运动及分泌相关蛋白 100
3.4 预测的第三种纤维素降解机制模型 104
参考文献 104
4 天然木质纤维素生物复合降解系统解析
4.1 白蚁木质纤维素降解系统 108
4.1.1 白蚁及其肠道消化系统 108
4.1.2 低等白蚁的木质纤维素降解系统 111
4.1.3 高等白蚁的木质纤维素降解系统 112
4.2 瘤胃纤维素降解微生物的元基因组学和元转录组学研究 114
4.2.1 瘤胃木质纤维素降解过程及其降解菌 115
4.2.2 瘤胃木质纤维素降解的元基因组学研究 116
4.2.3 瘤胃木质纤维素降解的元转录组学研究 120
4.3 堆肥微生物区系的动态变化和元蛋白组分析 121
4.3.1 堆肥微生物区系 122
4.3.2 堆肥微生物区系的动态变化 123
4.3.3 堆肥群落的功能分析 126
4.4 苎麻池元基因组文库构建和功能基因筛选 126
4.4.1 碱性苎麻池微生物多样性分析 127
4.4.2 碱性苎麻池Fosmid文库的构建 127
4.4.3 Fosmid文库中生物质降解酶的筛选 127
4.5 沼气污泥元基因组文库构建和功能基因筛选 129
4.5.1 厌氧沼气发酵系统 129
4.5.2 沼气厌氧发酵系统的群落结构解析 130
4.5.3 沼气污泥的元基因组分析 131
4.5.4 沼液元基因组Fosmid文库的构建和功能筛选 133
4.5.5 木质纤维素酶基因的获取、表达和功能分析 134
参考文献 137
5 里氏木霉纤维素降解酶系的合成调控与分子改造
5.1 诱导里氏木霉纤维素酶表达的外界因子及其作用方式 143
5.2 里氏木霉-葡萄糖苷酶的种类及其功能研究 144
5.2.1 里氏木霉-葡萄糖苷酶的种类 144
5.2.2 里氏木霉-葡萄糖苷酶在纤维素酶诱导表达过程中的作用 145
5.3 与里氏木霉纤维素酶表达相关的转录因子 147
5.3.1 ACEⅡ 148
5.3.2 Xyr1 148
5.3.3 Cre1 149
5.3.4 ACEⅠ 150
5.3.5 Hap2 151
5.4 调控水解酶表达的信号途径（信息高速公路） 152
5.4.1 环腺苷酸cAMP信号转导途径 152
5.4.2 G蛋白信号转导途径 152
5.4.3 MAPK信号转导途径 153
5.4.4 钙离子信号转导途径 153
5.5 里氏木霉糖转运蛋白在纤维素酶诱导合成中的作用 154
5.6 从组学的角度解析影响里氏木霉纤维素酶产量的关键因素 157
5.7 里氏木霉纤维素酶生物合成研究的新视点：表观遗传修饰 159
参考文献 160
6 青霉木质纤维素降解酶系及其合成调控
6.1 草酸青霉的菌株选育和产酶特征 165
6.1.1 草酸青霉的菌株选育 166
6.1.2 草酸青霉主要纤维降解酶的结构和性质 168
6.1.3 纤维素酶的翻译后修饰及其作用 176
6.1.4 草酸青霉木质纤维素降解酶系合成的调控 178
6.2 草酸青霉基因组学、转录组学和蛋白分泌组学研究 182
6.2.1 草酸青霉的基因组和蛋白质组 182
6.2.2 野生株与高产纤维素酶突变株的比较基因组学研究 191
6.2.3 草酸青霉转录组学和分泌组学分析 195
6.3 草酸青霉纤维素酶合成调控中诱导信号的产生和传递 200
6.3.1 草酸青霉纤维寡糖转运蛋白参与诱导物的转运 201
6.3.2 草酸青霉的-葡萄糖苷酶及其在纤维素酶系中的作用 205
6.3.3 胞内-葡萄糖苷酶参与纤维素酶系的诱导合成 209
6.4 纤维素降解酶系表达调控网络中的信号传递 212
6.4.1 G蛋白信号通路与纤维素酶合成调控的关系 212
6.4.2 酪蛋白激酶2对纤维素酶和淀粉酶合成的正向调控作用 214
6.5 草酸青霉纤维降解酶系合成调控涉及的转录因子 215
6.5.1 草酸青霉转录因子基因缺失突变体库的构建和筛选 216
6.5.2 CreA对纤维素酶表达的调控 219
6.5.3 ClrB对纤维素酶表达的调控 220
6.5.4 XlnR对纤维素酶表达的调控 223
6.5.5 转录因子对-葡萄糖苷酶基因表达的调控 223
6.6 草酸青霉纤维降解酶系合成调控网络的解析与重构 225
6.6.1 CreA和ClrB调控纤维素酶基因表达的协同配合 226
6.6.2 纤维素酶与淀粉酶表达的耦联调控 230
6.6.3 转录因子调控纤维素酶基因表达的剂量效应 234
6.6.4 胞内Bgl2与转录因子在表达调控中的累加效应 236
6.6.5 调控网络改造对木质纤维素降解酶系组成的影响 242
参考文献 245
7 真菌纤维降解酶系合成、分泌及动态酶谱分析
7.1 粗糙脉胞菌纤维素降解酶系的合成与分泌机理 251
7.1.1 木质纤维素酶系的诱导 251
7.1.2 纤维素酶系表达的转录调控 256
7.1.3 内质网应激和纤维素酶合成分泌分子机理研究 258
7.2 丝状真菌酶谱时序分析及胞外蛋白质组比较研究 263
7.2.1 糖苷水解酶动态酶谱方法的建立 264
7.2.2 黑曲霉、里氏木霉及草酸青霉酶谱时序分析 265
7.2.3 三类真菌胞外分泌蛋白质组学的差异比较 267
参考文献 270
8 木质纤维素降解酶系的改造和高效酶系重构
8.1 底盘生物遗传操作系统的构建和改造 275
8.1.1 底盘生物遗传操作方法 275
8.1.2 底盘生物遗传转化系统的选择标记 278
8.1.3 底盘生物遗传操作的改造优化 279
8.2 酶合成调控元件调控因子和启动子改造 282
8.2.1 正调控转录因子 282
8.2.2 负调控转录因子 283
8.2.3 利用酶合成调控元件进行启动子改造 284
8.3 转译后修饰对酶活性和分泌的影响 286
8.3.1 N-糖基化修饰途径 286
8.3.2 N-糖基化修饰对酶活和分泌的影响 287
8.3.3 O-糖基化修饰途径 288
8.4 复合酶系的复配及其在细胞工厂中的合成 292
8.4.1 木质纤维素的组成和结构 292
8.4.2 木质纤维素降解需要多种酶的共同作用 292
8.4.3 天然木质纤维素酶系的局限性和解决办法 296
8.4.4 真菌中高效表达异源纤维素酶的问题和策略 299
参考文献 299
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木质纤维素类生物质资源是地球上丰富的可再生性有机资源。利用可再生性木质纤维素资源，降解转化生产液体燃料和化学品，是解决资源、环境和农村发展等紧迫问题，实现人类社会可持续发展的根本途径。木质纤维素资源的生物降解转化研究和生物炼制技术的产业化代表了生物化工产业的发展方向，有着广阔的发展前景，已经引起了越来越广泛的关注。其中生物降解途径的糖平台是国际普遍重视的主要的技术路线。然而，自然界中木质纤维素的生物降解效率通常都达不到使新技术实现产业化的要求，从而成为木质纤维素生物炼制技术得以实际应用的主要瓶颈。不少读者迫切希望了解这方面的基础知识和新进展。2011年，化学工业出版社曾出版过本书部分作者所编著的《木质纤维素降解酶与生物炼制》一书，对相关研究发挥了很好的推动作用。为加强相关的基础研究，探索突破技术屏障的方案，我们于2010年组织了中科院6家研究所和4所国内知名大学的30余位优秀中青年学者，合作申报了国家重点基础研究发展计划（973计划）项目《木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题研究》（2011CB707400），并成功获得了国家2800万元的经费支持。五年多来，项目组成员紧紧围绕相关的科学问题，开展了深入的研究工作，圆满地完成了计划任务。为了更好地向社会传播新增的理论知识和新的技术研发进展，我们这次组织项目组的部分成员，认真整理和总结近几年在国家巨额资金支持下所取得的重要研究进展，合作编写了两本专著：第二、三、四课题侧重木质纤维素微生物降解相关的基础研究，编写了《非粮生物质炼制技术木质纤维素生物降解机理及其酶系合成调控》；第一、五、六课题侧重相关过程工程的技术研发，编写了《非粮生物质炼制技术木质纤维素生物炼制原理与技术》，介绍给全国的相关读者，算是在上一本书的基础上对相关知识的扩展和深化。作为木质纤维素生物炼制技术的核心知识基础，本书系统地介绍在长期的自然进化过程中，微生物所形成的多种多样的木质纤维素降解机制：丝状真菌如何把数十种与生物质降解相关的蛋白质分泌到自己菌丝的周围，协同降解结构和组分十分复杂的天然植物纤维材料；个体较小的细菌害怕自己辛苦合成的酶蛋白所产生的产物被邻居抢走，就在自己的细胞壁上组建了结构复杂的分子机器［纤维小体（纤酶小体）或未知的第三种策略］，把降解产生的糖及时吸收进自己的细胞；在牛、白蚁、堆肥等复杂生境中，动物与微生物或微生物之间紧密协作，相互配合，共同构建了高效的降解体系。为了尽可能节省自己在降解难降解生物质过程中的能量和物质消耗，微生物在亿万年的进化过程中，形成了极其精细的酶系合成、分泌途径的调节控制网络，尽可能地让其合成的酶蛋白刚好能满足自己的基本需求，而不造成一点儿浪费。而这些为微生物自身服务的精细调控过程的目标，恰恰与人们希望某些微生物能私地为人类服务而大量、高效、限地生产胞外降解酶系的期望是相反的。本书将集中介绍我们对这些复杂降解酶系及其精细调控网络的一些新认识，进而讨论如何利用这些认识，去设计利用分子改造来提高酶系合成效率的可能策略。尽管目前我们对这些复杂降解体系的认识仍然还很初步，但是我们相信，书中介绍的木质纤维素降解酶系合成调控网络和酶系组成重构的成功事例，必将会启发大家去更活跃地大胆思考，为有兴趣的读者提供创新的思路，更有力地推动我国木质纤维素生物降解的研究发展。让我们共同为提高木质纤维素资源的生物降解效率，实现我国非粮生物质生物炼制技术的产业化，为破解我国经济和社会发展所面临的资源、环境、就业等瓶颈，建立清洁的绿色生物经济，终为人类社会的可持续的永续发展做出较大的贡献。由于本书是国家973计划项目成果的结晶，涉及作者众多，难免会出现一些问题和不足，敬请同行专家和细心的读者提出批评和建议，留待我们今后进一步修订改正。2016年4月12日
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