Published September 18, 2018
| Version v1
Publication
Open
Analysis of the Transcriptome in Aspergillus tamarii During Enzymatic Degradation of Sugarcane Bagasse
Creators
- 1. Universidade de Brasília
- 2. Brazilian Agricultural Research Corporation
Description
The production of bioethanol from non-food agricultural residues represents an alternative energy source to fossil fuels for incorporation into the world´s economy. Within the context of bioconversion of plant biomass into renewable energy using improved enzymatic cocktails, Illumina RNA-seq transcriptome profiling was conducted on a strain of Aspergillus tamarii, efficient in biomass polysaccharide degradation, in order to identify genes encoding proteins involved in plant biomass saccharification. Enzyme production and gene expression was compared following growth in liquid and semi-solid culture with steam-exploded sugarcane bagasse (SB) (1% w/v) and glucose (1% w/v) employed as contrasting sole carbon sources. Enzyme production following growth in liquid minimum medium supplemented with SB resulted in 0.626 and 0.711 UI.mL-1 xylanases after 24 and 48h incubation, respectively. Transcriptome profiling revealed expression of over 7120 genes, with groups of genes modulated according to solid or semi-solid culture, as well as according to carbon source. Gene ontology analysis of genes expressed following SB hydrolysis revealed enrichment in xyloglucan metabolic process and xylan, pectin and glucan catabolic process, indicating up-regulation of genes involved in xylanase secretion. According to carbohydrate-active enzyme (CAZy) classification, 209 CAZyme-encoding genes were identified with significant differential expression on liquid or semi-solid SB, in comparison to equivalent growth on glucose as carbon source. Up-regulated CAZyme-encoding genes related to cellulases (CelA, CelB, CelC, CelD) and hemicellulases (XynG1, XynG2, XynF1, XylA, AxeA, arabinofuranosidase) showed up to a ten-fold log2FoldChange in expression levels. Five genes from the AA9 (GH61) family, related to lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO), were also identified with significant expression up-regulation. The transcription factor gene XlnR, involved in induction of hemicellulases, showed up-regulation on liquid and semi-solid SB culture. Similarly, the gene ClrA, responsible for regulation of cellulases, showed increased expression on liquid SB culture. Over 150 potential transporter genes were also identified with increased expression on liquid and semi-solid SB culture. This first comprehensive analysis of the transcriptome of A. tamarii contributes to our understanding of genes and regulatory systems involved in cellulose and hemicellulose degradation in this fungus, offering potential for application in improved enzymatic cocktail development for plant biomass degradation in biorefinery applications.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يمثل إنتاج الإيثانول الحيوي من المخلفات الزراعية غير الغذائية مصدر طاقة بديل للوقود الأحفوري لإدراجه في الاقتصاد العالمي. في سياق التحويل الحيوي للكتلة الحيوية النباتية إلى طاقة متجددة باستخدام كوكتيلات إنزيمية محسنة، تم إجراء التنميط الترانسكريبتومي من نوع Illumina RNA - seq على سلالة من Aspergillus tamarii، فعالة في تحلل عديد السكاريد في الكتلة الحيوية، من أجل تحديد الجينات التي تشفر البروتينات المشاركة في تسكير الكتلة الحيوية النباتية. تمت مقارنة إنتاج الإنزيم والتعبير الجيني بعد النمو في المزرعة السائلة وشبه الصلبة مع قصب قصب السكر المتفجر بالبخار (1 ٪ وزن/حجم) والجلوكوز (1 ٪ وزن/حجم) المستخدم كمصادر متناقضة للكربون الوحيد. أدى إنتاج الإنزيم بعد النمو في الحد الأدنى من الوسط السائل المكمل بـ SB إلى 0.626 و 0.711 UI.mL -1 زيلاناز بعد حضانة 24 و 48 ساعة على التوالي. كشف تنميط Transcriptome عن التعبير عن أكثر من 7120 جينًا، مع مجموعات من الجينات معدلة وفقًا لثقافة صلبة أو شبه صلبة، وكذلك وفقًا لمصدر الكربون. كشف تحليل الأنطولوجيا الجينية للجينات التي تم التعبير عنها بعد التحلل المائي لـ SB عن التخصيب في عملية التمثيل الغذائي للزيلوغلوكان وعملية تقويض الزيلان والبكتين والجلوكان، مما يشير إلى زيادة تنظيم الجينات المشاركة في إفراز الزيلاناز. وفقًا لتصنيف الإنزيم النشط للكربوهيدرات (CAZy)، تم تحديد 209 جينات تشفير CAZyme بتعبير تفاضلي كبير على SB السائل أو شبه الصلب، مقارنة بالنمو المكافئ على الجلوكوز كمصدر للكربون. أظهرت جينات ترميز الكازيم المنظمة المتعلقة بالسيليولاز (CelA، CelB، CelC، CelD) وهيمسيليولاز (XynG1، XynG2، XynF1، XylA، AxeA، arabinofuranosidase) ما يصل إلى عشرة أضعاف log2FoldChange في مستويات التعبير. كما تم تحديد خمسة جينات من عائلة AA9 (GH61)، تتعلق بإنزيم أحادي أكسجين عديد السكاريد التحليلي (LPMO)، مع زيادة كبيرة في تنظيم التعبير. أظهر جين عامل النسخ XlnR، المشارك في تحريض هيميسيلولوز، تنظيمًا على مزرعة SB السائلة وشبه الصلبة. وبالمثل، أظهر جين ClrA، المسؤول عن تنظيم السليلوز، زيادة في التعبير عن مزرعة SB السائلة. كما تم تحديد أكثر من 150 جينًا ناقلاً محتملاً مع زيادة التعبير عن مزرعة SB السائلة وشبه الصلبة. يساهم هذا التحليل الشامل الأول لنسخة A. tamarii في فهمنا للجينات والأنظمة التنظيمية المشاركة في تحلل السليلوز ونصف السليلوز في هذه الفطريات، مما يوفر إمكانية للتطبيق في تطوير الكوكتيل الأنزيمي المحسن لتحلل الكتلة الحيوية النباتية في تطبيقات التكرير الحيوي.Translated Description (French)
La production de bioéthanol à partir de résidus agricoles non alimentaires représente une source d'énergie alternative aux combustibles fossiles pour l'intégration dans l'économie mondiale. Dans le contexte de la bioconversion de la biomasse végétale en énergie renouvelable à l'aide de cocktails enzymatiques améliorés, le profilage du transcriptome ARN-seq d'Illumina a été réalisé sur une souche d'Aspergillus tamarii, efficace dans la dégradation des polysaccharides de la biomasse, afin d'identifier les gènes codant pour des protéines impliquées dans la saccharification de la biomasse végétale. La production d'enzymes et l'expression génique ont été comparées après la croissance en culture liquide et semi-solide avec de la bagasse de canne à sucre (SB) explosée à la vapeur (1% p/v) et du glucose (1% p/v) utilisés comme sources uniques de carbone. La production d'enzymes suite à la croissance dans un milieu liquide minimum supplémenté en SB a donné 0,626 et 0,711 UI.mL-1 xylanases après 24 et 48h d'incubation, respectivement. Le profilage du transcriptome a révélé l'expression de plus de 7120 gènes, avec des groupes de gènes modulés selon une culture solide ou semi-solide, ainsi que selon la source de carbone. L'analyse de l'ontologie génique des gènes exprimés après l'hydrolyse SB a révélé un enrichissement dans le processus métabolique du xyloglucane et le processus catabolique du xylane, de la pectine et du glucane, indiquant une régulation positive des gènes impliqués dans la sécrétion de xylanase. Selon la classification des enzymes actives sur les glucides (CAZy), 209 gènes codant pour les CAZymes ont été identifiés avec une expression différentielle significative sur SB liquide ou semi-solide, par rapport à une croissance équivalente sur le glucose comme source de carbone. Les gènes codant pour la CAZyme régulés à la hausse liés aux cellulases (CelA, CelB, CelC, CelD) et aux hémicellulases (XynG1, XynG2, XynF1, XylA, AxeA, arabinofuranosidase) ont montré des niveaux d'expression dix fois plus élevés que log2FoldChange. Cinq gènes de la famille AA9 (GH61), liés à la polysaccharide monooxygénase lytique (LPMO), ont également été identifiés avec une régulation positive significative de l'expression. Le gène XlnR du facteur de transcription, impliqué dans l'induction des hémicellulases, a montré une régulation positive sur la culture SB liquide et semi-solide. De même, le gène ClrA, responsable de la régulation des cellulases, a montré une expression accrue sur culture SB liquide. Plus de 150 gènes transporteurs potentiels ont également été identifiés avec une expression accrue sur culture SB liquide et semi-solide. Cette première analyse complète du transcriptome d'A. tamarii contribue à notre compréhension des gènes et des systèmes de régulation impliqués dans la dégradation de la cellulose et de l'hémicellulose dans ce champignon, offrant un potentiel d'application dans le développement de cocktails enzymatiques améliorés pour la dégradation de la biomasse végétale dans les applications de bioraffinerie.Translated Description (Spanish)
La producción de bioetanol a partir de residuos agrícolas no alimentarios representa una fuente de energía alternativa a los combustibles fósiles para su incorporación a la economía mundial. En el contexto de la bioconversión de la biomasa vegetal en energía renovable utilizando cócteles enzimáticos mejorados, se realizó el perfilado del transcriptoma Illumina RNA-seq en una cepa de Aspergillus tamarii, eficiente en la degradación de polisacáridos de biomasa, con el fin de identificar genes que codifican proteínas involucradas en la sacarificación de la biomasa vegetal. La producción enzimática y la expresión génica se compararon después del crecimiento en cultivo líquido y semisólido con bagazo de caña de azúcar (SB) explotado con vapor (1% p/v) y glucosa (1% p/v) empleados como únicas fuentes de carbono contrastantes. La producción de enzimas después del crecimiento en medio mínimo líquido suplementado con SB dio como resultado 0.626 y 0.711 UI.mL-1 xilanasas después de 24 y 48 h de incubación, respectivamente. El perfil del transcriptoma reveló la expresión de más de 7120 genes, con grupos de genes modulados según el cultivo sólido o semisólido, así como según la fuente de carbono. El análisis de la ontología génica de los genes expresados después de la hidrólisis de SB reveló un enriquecimiento en el proceso metabólico del xiloglucano y en el proceso catabólico del xilano, la pectina y el glucano, lo que indica una regulación positiva de los genes implicados en la secreción de xilanasa. De acuerdo con la clasificación de enzimas activas en carbohidratos (CAZy), se identificaron 209 genes que codifican CAZyme con una expresión diferencial significativa en SB líquido o semisólido, en comparación con el crecimiento equivalente en glucosa como fuente de carbono. Los genes que codifican CAZyme regulados positivamente relacionados con celulasas (CelA, CelB, CelC, CelD) y hemicelulasas (XynG1, XynG2, XynF1, XylA, AxeA, arabinofuranosidasa) mostraron un cambio de diez veces log2FoldChange en los niveles de expresión. También se identificaron cinco genes de la familia AA9 (GH61), relacionados con la polisacárido monooxigenasa lítica (LPMO), con una regulación positiva de la expresión significativa. El gen del factor de transcripción XlnR, involucrado en la inducción de hemicelulasas, mostró una regulación positiva en el cultivo de SB líquido y semisólido. Del mismo modo, el gen ClrA, responsable de la regulación de las celulasas, mostró una mayor expresión en el cultivo de SB líquido. También se identificaron más de 150 genes transportadores potenciales con una mayor expresión en cultivos de SB líquidos y semisólidos. Este primer análisis exhaustivo del transcriptoma de A. tamarii contribuye a nuestra comprensión de los genes y los sistemas reguladores involucrados en la degradación de la celulosa y la hemicelulosa en este hongo, ofreciendo potencial para su aplicación en el desarrollo de cócteles enzimáticos mejorados para la degradación de la biomasa vegetal en aplicaciones de biorrefinería.Files
pdf.pdf
Files
(3.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:ffe1ff8945d69901de9cffb0312b64e4
|
3.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحليل Transcriptome في الرشاشية التامارية أثناء التحلل الإنزيمي لقصب قصب السكر
- Translated title (French)
- Analyse du transcriptome chez Aspergillus tamarii lors de la dégradation enzymatique de la bagasse de canne à sucre
- Translated title (Spanish)
- Análisis del transcriptoma en Aspergillus tamarii durante la degradación enzimática del bagazo de caña de azúcar
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2889844216
- DOI
- 10.3389/fbioe.2018.00123
References
- https://openalex.org/W1023297813
- https://openalex.org/W1569360501
- https://openalex.org/W1681164680
- https://openalex.org/W1786194602
- https://openalex.org/W1843740908
- https://openalex.org/W1869907716
- https://openalex.org/W1965129150
- https://openalex.org/W1977950017
- https://openalex.org/W1978817731
- https://openalex.org/W1981844765
- https://openalex.org/W1983796050
- https://openalex.org/W1986921450
- https://openalex.org/W1989241931
- https://openalex.org/W1991102251
- https://openalex.org/W1997090665
- https://openalex.org/W2000309881
- https://openalex.org/W2009674410
- https://openalex.org/W2010091762
- https://openalex.org/W2010634051
- https://openalex.org/W2020076755
- https://openalex.org/W2020994501
- https://openalex.org/W2025002672
- https://openalex.org/W2026405532
- https://openalex.org/W2035187492
- https://openalex.org/W2035437589
- https://openalex.org/W2036543037
- https://openalex.org/W2037058795
- https://openalex.org/W2040411205
- https://openalex.org/W2042072448
- https://openalex.org/W2043597365
- https://openalex.org/W2049113731
- https://openalex.org/W2053526929
- https://openalex.org/W2055043387
- https://openalex.org/W2062913051
- https://openalex.org/W2089827680
- https://openalex.org/W2091476084
- https://openalex.org/W2093021125
- https://openalex.org/W2097065948
- https://openalex.org/W2098319201
- https://openalex.org/W2104523295
- https://openalex.org/W2105503244
- https://openalex.org/W2107106627
- https://openalex.org/W2107277218
- https://openalex.org/W2107392364
- https://openalex.org/W2108929776
- https://openalex.org/W2119034410
- https://openalex.org/W2119826631
- https://openalex.org/W2119938020
- https://openalex.org/W2122322467
- https://openalex.org/W2123154774
- https://openalex.org/W2123489066
- https://openalex.org/W2127879121
- https://openalex.org/W2130381741
- https://openalex.org/W2130755862
- https://openalex.org/W2130938663
- https://openalex.org/W2132546222
- https://openalex.org/W2134526812
- https://openalex.org/W2141458291
- https://openalex.org/W2145115293
- https://openalex.org/W2147339485
- https://openalex.org/W2147405783
- https://openalex.org/W2148041910
- https://openalex.org/W2150706111
- https://openalex.org/W2154506758
- https://openalex.org/W2156505503
- https://openalex.org/W2156545952
- https://openalex.org/W2163486042
- https://openalex.org/W2168420558
- https://openalex.org/W2171291887
- https://openalex.org/W2192080449
- https://openalex.org/W2258924429
- https://openalex.org/W2281604853
- https://openalex.org/W2415299461
- https://openalex.org/W2464636172
- https://openalex.org/W2489873093
- https://openalex.org/W2525533364
- https://openalex.org/W2557007401
- https://openalex.org/W2560229456
- https://openalex.org/W2589130094
- https://openalex.org/W2611898308
- https://openalex.org/W2619975835
- https://openalex.org/W2730798046
- https://openalex.org/W2744026291
- https://openalex.org/W2759963422
- https://openalex.org/W2768804667
- https://openalex.org/W2769707753
- https://openalex.org/W2790410827
- https://openalex.org/W2806621462
- https://openalex.org/W40998815
- https://openalex.org/W4253103333
- https://openalex.org/W4254411246
- https://openalex.org/W86706588