【科研进展】食用菌所遗传室在《Trends in Biochemical Sciences》提出低温活性纤维素酶形成新视角

近日，上海市农业科学院食用菌研究所遗传室团队在Cell Press旗下《Trends in Biochemical Sciences》（一区，14.4）发表题为“Selection regimes, not just cold environments, shape cold-active cellulases”的文章。研究基于团队近年来对草菇低温自溶及低温活性纤维素酶的系列研究，提出低温活性酶并非仅由持续寒冷环境塑造，快速细胞壁重塑、间歇性降温以及聚合碳源竞争等生态选择压力，也可能促进低温催化表型的形成，为低温活性酶资源挖掘与分子设计提供了新的研究视角。

草菇是一种典型的高温型食用菌，却在4 ℃条件下发生快速自溶。团队前期在 Postharvest Biology and Technology（一区，7.3）的研究发现，低温胁迫可诱导草菇β-葡萄糖苷酶和酪氨酸酶异常升高，并参与细胞壁降解和低温自溶过程。在此基础上，团队进一步从草菇中挖掘低温诱导型纤维二糖水解酶VvCBHI-I，并导入工业纤维素酶生产菌里氏木霉。发表于Bioresource Technology （一区，9.0）的研究显示，重构酶系在10 ℃的相对活性由野生型不足5%提高至约50%，显著促进低温条件下秸秆糖化和青贮发酵，证明高温型食用菌同样可以成为低温活性酶的重要资源。

随后，团队在 Journal of Fungi （二区，4.3）进一步解析另一种低温诱导GH7纤维二糖水解酶VvCBHI-II的结构与功能。研究发现，其底物结合通道附近B3区域形成更加开放的结构，削弱了酶与纤维二糖产物之间的相互作用，有利于低温条件下产物快速释放并缓解产物抑制；引入VvCBHI-II后，里氏木霉纤维素酶体系在10 ℃的滤纸酶活提高 8.1倍，并表现出良好的梨渣低温糖化和果汁加工潜力。

基于上述研究，团队在此次TiBS文章中进一步提出，应将低温活性理解为一种温度依赖的动力学表型，研究重点应由“从寒冷环境寻找冷酶”转向“寻找能够塑造低温催化能力的生态选择压力”。低温可能限制底物结合、糖链进入、过程性催化、产物释放以及催化结构域与碳水化合物结合模块协同等不同环节，因此需要通过温度—反应速率分析、酶动力学、结构分析和分子动力学等手段，识别真正的催化瓶颈，并建立生态压力—分子结构—催化动力学之间的联系。

未来，团队将围绕选择压力导向的功能酶挖掘和催化瓶颈导向的酶分子设计开展研究，重点解析食用菌及其他腐生真菌在快速细胞壁重塑、周期性温度变化和碳源竞争条件下的酶适应机制，并结合里氏木霉等工业底盘，创制适用于低温食品加工、农业副产物利用和绿色生物制造的新型酶制剂。文章指出，未来低温活性酶研究需要进一步建立生态选择压力、结构变化与催化热力学之间的定量联系，从而推动低温酶研究由资源筛选走向机制解析和理性设计。

上海师范大学联合培养研究生王蔡真和龚明副研究员为该论文共同第一作者，邹根研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和上海市农业科学院卓越团队计划等项目资助。