白蚁是一种原始的社会性昆虫，它对地球陆地生态系统的形成起到了巨大的作用(Engel，2009)。纤维素是主要的生物能源聚合物，白蚁作为微型的生物反应器，从咀嚼器官、消化管到酶系、微生物群落等，都为木质纤维素的降解提供了最为高效的机制(Brune，1998;Lo et a1.，2000;Ni et a1.，2005)，白蚁纤维素酶的开发也被认为是大量转化和利用生物能源的重要途径(Li et a1.，2009b)。白蚁消化系统自身及共生微生物纤维素酶运行机制已成为近年来的研究热点。

　　1 纤维素和纤维素水解酶

    木质纤维素(1ignocellulose)是植物细胞壁的主要组成成分(Ohkuma，2003)，它是一类由纤维素，半纤维素等多聚糖以及无定形态聚合物木质素结合在一起形成的混合物(Arakawa et a1.，2009)。其中，纤维素是由D一葡萄糖以13—1，4一糖苷键连接而成的线性高分子聚合物，纤维二糖是其基本组成单位。纤维素高分子聚合物主要有规则的结晶区(crystalline)和不规则的无定形区(amorphism)两部分组成，结晶区域比例越高，生物利用就越困难(刘娣，2008)。纤维素可以作为细菌、真菌、原生动物以及如昆虫，环节动物、线虫等无脊椎动物生物体的食物来源(Watanabe and Tokuda，2001;Davison andBlaxter，2005)，这些生物都拥有完整的纤维素水解酶系统。根据蛋白质的氨基酸序列拓扑结构信息，纤维素酶归属为糖基水解酶家族(glycosyl hydrolas—esfamily，GHF)(Henrissat，1991)。纤维素水解酶系统通常包括三种不同类型的纤维素酶：外切葡聚糖酶(exo — B 一1，4 一glucanases， C1，EC3.2.1.91)、内切葡聚糖酶(endo—B一1，4一glu—canases，EG，EC3.2.1.4)和t3一葡萄糖苷酶(13glucosidase，BG，EC 3.2.1.21)(Li et a1.，2009a)。外切葡聚糖酶包括纤维二糖水解酶(cellobilohydro—lase，1，4—8一D—glucan cellobiohydrolase，CBH)和外葡萄糖水解酶(exoglucohydrolase，1，4一B—D— glucan exoglucohydrolase)2种成份，它们分别作用于结晶型纤维素和可溶性纤维糊精，作用方式是从多聚糖链的非还原端释放出纤维二糖和葡萄糖。EG酶作用于非结晶态纤维素和水溶性纤维素衍生物，随机水解糖苷键，将其分解成葡萄糖、纤维二糖、纤维三糖和其他寡聚糖。BG则将纤维二糖和水溶性糊精水解成葡萄糖(向辉和周志华，2009)。

　　2 白蚁肠道共生系统的纤维素水解体系

    在整个陆地生态系统中，白蚁是一类非常成功的木材降解生物体(Sugimoto et a1.，2000)，

每年能够消耗世界木材中74% ～99% 的纤维素(Breznak and Brune，1994)，对整个自然界木质纤维素的分解循环起到了至关重要的作用(Tokuda eta1.，2007)。

　　2.1 白蚁后肠共生原生动物及其纤维素酶系早期研究发现了大量能够利用纤维素作为碳源的细菌、真菌和原生动物，以及很多具有纤维素水解能力的微生物和相关的水解酶系(Kim et a1.，2003;Lynd et a1.，2005;Li et a1.，2009b)。低等白蚁的消化道，特别是加宽的后肠，是原生动物、原核生物等微生物的栖息地。大量研究表明，后肠原生动物在低等白蚁的新陈代谢中起着举足轻重的作用，它们能够将木质纤维素解聚化再发酵成短链的脂肪酸，进而被宿主吸收氧化(Bmne，2006;Oh—kuma，2008)。近年来研究人员通过建立cDNA文库，比较序列表达标签(EST)，荧光原位杂交等现代分子生物学技术筛选鉴定了多种原生动物来源的纤维素酶基因。到目前为止，在白蚁共生原生动物中主要发现了EG或C1活性的纤维素酶，它们分属于糖基水解酶家族GHFs7、GHFs45和GHFs5。除此之外还发现了BG和半纤维素酶(semi—cellu1ase)活性的纤维素水解酶(Inoue et a1.，2005;Wa.tanabe et a1.，2006;Todaka et a1.，2007;Ohkuma，2008)。在白蚁后肠共生的众多中单细胞原生动物中，鞭毛虫是最主要的原生动物。在低等白蚁Cop—totermes formosanus的后肠发现了3种鞭毛虫： 一trichonympha leidyi，Holomastigotoides mirabile 和Pseudotrichonympha grassii。研究发现不同鞭毛虫在纤维素降解过程中起着不同作用。例如P.grassii主要降解高度聚合的纤维素，而H mirabile则利用低分子量的纤维素(Nakashima et a1.，2002)。Cook等(2000)用不同成分的人工饲料喂养白蚁后发现其后肠共生鞭毛虫的群体结构发生了改变，这种改变可能是由于不同鞭毛虫特异性消化分解不同化学结构的糖基聚合物造成的。

　　2.2 白蚁唾液 中肠消化系统中的内源性纤维素酶世界上75%的白蚁都属于没有共生性原生动物的Termitidae家族，其唾液腺/中肠消化系统中内源性纤维素酶的存在是这些白蚁能够消化分解木质纤维素物质的重要原因之一(Tokuda et a1.，2004)。在很长一段时间内人们都认为动物体内纤维素的降解只依靠它们肠道内的共生微生物，其中经典的例证就是低等白蚁的后肠原生动物能够分解纤维素，并发酵成乙酸为白蚁提供能量。直到Wa.tanabe(1998)等人首次从低等白蚁Reticulitermessperatus中克隆到了白蚁内源性内切葡聚糖酶RsGE(EC3.2.1.4)的基因，昆虫自身能够分泌纤维素酶的能力才得到证实。从目前NCBI数据库已公布的信息来看，白蚁自身分泌的纤维素酶大多为GHF9家族的EG，与蟑螂和十足类昆虫的EG具有同源性，和原生动物来源的纤维素酶基本没有联系。同时，GHF9家族的白蚁内源性EG的各种同源物广泛分布于多细胞动物中，并已经有了很长的进化历史(Brune，2006)。虽然Inoue(1997)等人早在1997年就在R.speratus的唾液腺中检测到了内源性BG的活性，但至今为止仅有一例白蚁内源性BG的氨基酸序列得到报道，它来自于恒春新白蚁Neotermeskoshunensis。相辉等人对来自中国不同地区的多种鼻白蚁科白蚁和高等白蚁进行体内纤维素酶酶活力测定后发现，白蚁头部的BG酶活力和躯干的相当，进而提出白蚁自身可以分泌高活力的BG酶。虽然数据库中尚无白蚁自身分泌的c1酶信息，但是从R.speratus cNDA文库中克隆到的EG RsEG对微晶纤维素有低的CBH活力，这就为白蚁内源性纤维素酶系统独立将晶型或者不定型纤维素降解成葡萄糖再运送到后肠发酵提供了可能性(Watan.abe et a1.，1998;Inoue et a1.，2005;杜蕾蕾，2008;相辉和周志华，2009)。研究表明，在经过白蚁唾液腺和中肠上皮细胞分泌的各种消化酶的分解后，大部分较易消化的木质纤维素在到达中场末尾时已被降解吸收(Brune，2006)。由此可以看出，白蚁的自消化系统是有单独工作能力的，机理之一可能是白蚁内源性EG酶通过双功能酶或者是底物的非特异性途经来补充前肠和中肠CBH活力，使一部分糖类物质水解成单体葡萄糖。

　　2.3 白蚁后肠共生原核微生物及其纤维素酶　 白蚁肠道内除了共生原生动物之外还存在大量的原核微生物，其中大多为细菌还包括少量的古细菌(Brauman et a1.，2001;Ohkuma，2008)。在低等白蚁Retieulitermes fla~ipes、C..厂0mo 眦s和Pterotermes occidentis的后肠发现了20～30种不同形态的细菌;在高等食性白蚁Nasutitermes exitiosus后肠发现了30种不同形态的细菌;培菌白蚁Odon—totermes formosanus后肠中也存在20种以上形态各异的细菌(Brune，2006)。对占白蚁种类75% 的无鞭毛虫共生的高等白蚁来说，只利用自身腺体分泌的纤维素酶就能完全分解木质纤维素似乎是难以令人信服的，因此这类白蚁的肠道共生细菌成为了新的关注对象。对于低等及高等白蚁的后肠细菌群落特征已有大量的研究。研究发现，相比起同种白蚁后肠保守的微生物群落结构，肠道细菌的种类极其丰富。利用16S rDNA序列对低等白蚁R.speratu后肠进行细菌群落分析，鉴定出15种以上的细菌，其中螺旋菌Spirocheates数量最大，其次是类细菌Bacterio一如 、厚壁菌Firmicutes和TG1菌群(Termite group1)，他们共同占整个后肠细菌群落的80% 以上。系统发生学分析还表明这些肠道细菌中超过90% 都属于新种，但是关于它们功能的研究还非常少(Thngaram et a1.，2005;Yang et a1.，2005;Ohku—ma，2008)。Brennan等(2004)，从Nasutitermes属的白蚁后肠细菌DNA中发现了新的EG基因，它隶属于GFHsl1家族。Tokuda等(2007)对不含鞭毛虫的2个木食性高等白蚁Nasutitermes takasagoensis和Nasutitermes walkeri的后肠细菌蛋白进行酶谱分析后发现，后肠细菌纤维素酶活性占到整个肠道纤维素酶活性的59%。

    同年，Warnecke(2007)等对木食性高等白蚁N.exitiosus(无原生动物共生)后肠P3区域的细菌群落进行了宏基因组分析(met.agenomic analysis)，研究发现其后肠的P3膨大区68%为密螺旋体属细菌，13%为丝状杆菌属;对基因序列模序分析后发现，超过100个基因和纤维素的水解相关，它们编码的蛋白分别对应GHF5家族纤维素酶、GHF94家族纤维二糖/纤维糊精磷酸化酶，GHF51家族内切葡聚糖酶/阿拉伯糖苷酶，以及少量的GH8，GHF9，GHF44，GHF45和GHF74家族内切葡聚糖酶。但是没有发现细菌纤维素酶系统最常见的组分：GHF6和GHF48家族的内切葡聚糖酶和纤维二糖水解酶。梭菌属中通常存在纤维素水解酶复合体结构，它可以附着在细菌细胞壁上帮助进行纤维素的消化(Demain et a1.，2005)。2005年，Tokuda和Watanabe提出在N.takasagoen—s s的细菌水解酶系统中也存在有纤维素水解复合酶结构的理论;2007年，Tokuda等发现不含鞭毛虫的Ⅳ.takasagoensis和Ⅳ.walkeri的后肠细菌中存在高纤维素酶活力，进一步证明了上述理论(Toku.da et a1.，2005;Tokuda and Watanabe，2007)。可以看出，白蚁肠道内细菌纤维素水解酶体系对木食性高等白蚁的新陈代谢起着至关重要的作用，但它与普通细菌的“水解酶复合体”在酶的组成上有很大的不同，推测可能由于白蚁肠道共生细菌为适应白蚁自身的代谢系统而进化形成了与之能够密切合作的纤维素水解酶复合系统。