Published November 8, 2019
| Version v1
Publication
Open
Mining the biomass deconstructing capabilities of rice yellow stem borer symbionts
Creators
- 1. International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology
- 2. University of York
- 3. Centre for Advanced Bioenergy Research
Description
Efficient deconstruction of lignocellulosic biomass into simple sugars in an economically viable manner is a prerequisite for its global acceptance as a feedstock in bioethanol production. This is achieved in nature by suites of enzymes with the capability of efficiently depolymerizing all the components of lignocellulose. Here, we provide detailed insight into the repertoire of enzymes produced by microorganisms enriched from the gut of the crop pathogen rice yellow stem borer (Scirpophaga incertulas).A microbial community was enriched from the gut of the rice yellow stem borer for enhanced rice straw degradation by sub-culturing every 10 days, for 1 year, in minimal medium with rice straw as the main carbon source. The enriched culture demonstrated high cellulolytic and xylanolytic activity in the culture supernatant. Metatranscriptomic and metaexoproteomic analysis revealed a large array of enzymes potentially involved in rice straw deconstruction. The consortium was found to encode genes ascribed to all five classes of carbohydrate-active enzymes (GHs, GTs, CEs, PLs, and AAs), including carbohydrate-binding modules (CBMs), categorized in the carbohydrate-active enzymes (CAZy) database. The GHs were the most abundant class of CAZymes. Predicted enzymes from these CAZy classes have the potential to digest each cell-wall components of rice straw, i.e., cellulose, hemicellulose, pectin, callose, and lignin. Several identified CAZy proteins appeared novel, having an unknown or hypothetical catalytic counterpart with a known class of CBM. To validate the findings, one of the identified enzymes that belong to the GH10 family was functionally characterized. The enzyme expressed in E. coli efficiently hydrolyzed beechwood xylan, and pretreated and untreated rice straw.This is the first report describing the enrichment of lignocellulose degrading bacteria from the gut of the rice yellow stem borer to deconstruct rice straw, identifying a plethora of enzymes secreted by the microbial community when growing on rice straw as a carbon source. These enzymes could be important candidates for biorefineries to overcome the current bottlenecks in biomass processing.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يعد التفكيك الفعال للكتلة الحيوية الليجنوسلوزية إلى سكريات بسيطة بطريقة مجدية اقتصاديًا شرطًا أساسيًا لقبولها عالميًا كمواد وسيطة في إنتاج الإيثانول الحيوي. ويتحقق ذلك في الطبيعة من خلال مجموعات من الإنزيمات مع القدرة على إزالة البلمرة بكفاءة لجميع مكونات الليجنوسليلوز. نقدم هنا نظرة تفصيلية على مخزون الإنزيمات التي تنتجها الكائنات الحية الدقيقة المخصبة من أمعاء حفار ساق الأرز الأصفر الممرض للمحاصيل (Scirpophaga incertulas). تم إثراء مجتمع ميكروبي من أمعاء حفار ساق الأرز الأصفر لتعزيز تدهور قش الأرز عن طريق الزراعة الفرعية كل 10 أيام، لمدة عام واحد، في الحد الأدنى من الوسط مع قش الأرز كمصدر رئيسي للكربون. أظهرت المزرعة المخصبة نشاطًا عالي التحلل للسليلوز والزيلان في المادة الطافية للمزرعة. كشف التحليل ما وراء النصي وما بعد البروتيني عن مجموعة كبيرة من الإنزيمات التي يحتمل أن تشارك في تفكيك قش الأرز. تم العثور على الكونسورتيوم لترميز الجينات المنسوبة إلى جميع الفئات الخمس من الإنزيمات النشطة للكربوهيدرات (GHs و GTs و CEs و PLs و AAs)، بما في ذلك وحدات ربط الكربوهيدرات (CBMs)، المصنفة في قاعدة بيانات الإنزيمات النشطة للكربوهيدرات (CAZy). كانت GHs الفئة الأكثر وفرة من CAZymes. الإنزيمات المتوقعة من فئات CAZY هذه لديها القدرة على هضم كل مكونات جدار الخلية من قش الأرز، أي السليلوز، هيميسليلوز، البكتين، الكالوز، واللجنين. بدت العديد من بروتينات CAZY المحددة جديدة، ولها نظير تحفيزي غير معروف أو افتراضي مع فئة معروفة من تدابير بناء الثقة. للتحقق من صحة النتائج، تم تمييز أحد الإنزيمات المحددة التي تنتمي إلى عائلة GH10 وظيفيًا. الإنزيم المعبر عنه في الإشريكية القولونية يحلل بكفاءة خشب الزان زيلان، وقش الأرز المعالج مسبقًا وغير المعالج. هذا هو التقرير الأول الذي يصف إثراء البكتيريا المتحللة لليغنوسليلوز من أمعاء حفار جذع الأرز الأصفر لتفكيك قش الأرز، وتحديد عدد كبير من الإنزيمات التي يفرزها المجتمع الميكروبي عند النمو على قش الأرز كمصدر للكربون. يمكن أن تكون هذه الإنزيمات مرشحة مهمة للمصافي الحيوية للتغلب على الاختناقات الحالية في معالجة الكتلة الحيوية.Translated Description (French)
Une déconstruction efficace de la biomasse lignocellulosique en sucres simples d'une manière économiquement viable est une condition préalable à son acceptation mondiale en tant que matière première dans la production de bioéthanol. Ceci est réalisé dans la nature par des suites d'enzymes avec la capacité de dépolymériser efficacement tous les composants de la lignocellulose. Nous fournissons ici un aperçu détaillé du répertoire des enzymes produites par les micro-organismes enrichis à partir de l'intestin de la pyrale du riz (Scirpophaga incertulas), agent pathogène des cultures. Une communauté microbienne a été enrichie à partir de l'intestin de la pyrale du riz pour améliorer la dégradation de la paille de riz par sous-culture tous les 10 jours, pendant 1 an, dans un milieu minimal avec la paille de riz comme principale source de carbone. La culture enrichie a démontré une activité cellulolytique et xylanolytique élevée dans le surnageant de culture. L'analyse métatranscriptomique et métaexoprotéomique a révélé un large éventail d'enzymes potentiellement impliquées dans la déconstruction de la paille de riz. Le consortium a été trouvé pour coder les gènes attribués aux cinq classes d'enzymes actives sur les glucides (GH, GT, CE, PL et AA), y compris les modules de liaison aux glucides (CBM), classés dans la base de données des enzymes actives sur les glucides (CAZy). Les GH étaient la classe de CAZymes la plus abondante. Les enzymes prédites de ces classes CAZy ont le potentiel de digérer chaque composant de la paroi cellulaire de la paille de riz, c'est-à-dire la cellulose, l'hémicellulose, la pectine, la callose et la lignine. Plusieurs protéines CAZy identifiées semblaient nouvelles, ayant une contrepartie catalytique inconnue ou hypothétique avec une classe connue de CBM. Pour valider les résultats, l'une des enzymes identifiées qui appartiennent à la famille GH10 a été fonctionnellement caractérisée. L'enzyme exprimée dans E. coli hydrolyse efficacement le xylane de hêtre et la paille de riz prétraitée et non traitée. Il s'agit du premier rapport décrivant l'enrichissement des bactéries dégradant la lignocellulose de l'intestin de la pyrale du riz pour déconstruire la paille de riz, identifiant une pléthore d'enzymes sécrétées par la communauté microbienne lors de la culture sur la paille de riz comme source de carbone. Ces enzymes pourraient être des candidats importants pour les bioraffineries afin de surmonter les goulots d'étranglement actuels dans le traitement de la biomasse.Translated Description (Spanish)
La deconstrucción eficiente de la biomasa lignocelulósica en azúcares simples de una manera económicamente viable es un requisito previo para su aceptación global como materia prima en la producción de bioetanol. Esto se logra en la naturaleza mediante conjuntos de enzimas con la capacidad de despolimerizar de manera eficiente todos los componentes de la lignocelulosa. Aquí, proporcionamos información detallada sobre el repertorio de enzimas producidas por microorganismos enriquecidos a partir del intestino del patógeno del tallo amarillo del arroz (Scirpophaga incertulas). Una comunidad microbiana se enriqueció a partir del intestino del taladro amarillo del arroz para mejorar la degradación de la paja de arroz mediante el subcultivo cada 10 días, durante 1 año, en medio mínimo con la paja de arroz como principal fuente de carbono. El cultivo enriquecido demostró una alta actividad celulolítica y xilanolítica en el sobrenadante del cultivo. El análisis metatranscriptómico y metaexoproteómico reveló una gran variedad de enzimas potencialmente involucradas en la deconstrucción de la paja de arroz. Se descubrió que el consorcio codifica genes adscritos a las cinco clases de enzimas activas en carbohidratos (GH, GT, CE, PL y AA), incluidos los módulos de unión a carbohidratos (CBM), clasificados en la base de datos de enzimas activas en carbohidratos (CAZy). Las GH eran la clase más abundante de CAZymes. Las enzimas predichas de estas clases CAZy tienen el potencial de digerir cada componente de la pared celular de la paja de arroz, es decir, celulosa, hemicelulosa, pectina, calosa y lignina. Varias proteínas CAZy identificadas parecían novedosas, con una contraparte catalítica desconocida o hipotética con una clase conocida de CBM. Para validar los hallazgos, se caracterizó funcionalmente una de las enzimas identificadas que pertenecen a la familia GH10. La enzima expresada en E. coli hidrolizó eficientemente el xilano de madera de haya y la paja de arroz pretratada y no tratada. Este es el primer informe que describe el enriquecimiento de bacterias degradantes de lignocelulosa del intestino del barrenador del tallo amarillo del arroz para deconstruir la paja de arroz, identificando una gran cantidad de enzimas secretadas por la comunidad microbiana cuando se cultiva en paja de arroz como fuente de carbono. Estas enzimas podrían ser candidatos importantes para que las biorrefinerías superen los cuellos de botella actuales en el procesamiento de biomasa.Files
s13068-019-1603-8.pdf
Files
(2.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:79431cd286a709d084f1450c3c72849b
|
2.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعدين قدرات تفكيك الكتلة الحيوية لمكافئات حفار جذع الأرز الأصفر
- Translated title (French)
- Exploitation des capacités de déconstruction de la biomasse des symbiotes de perce-tige jaune du riz
- Translated title (Spanish)
- Extracción de las capacidades de deconstrucción de biomasa de los simbiontes del barrenador amarillo del tallo del arroz
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2984358048
- DOI
- 10.1186/s13068-019-1603-8
References
- https://openalex.org/W1967655526
- https://openalex.org/W1969670996
- https://openalex.org/W1970458175
- https://openalex.org/W1971193134
- https://openalex.org/W1984033867
- https://openalex.org/W1984595980
- https://openalex.org/W1990239725
- https://openalex.org/W1995418566
- https://openalex.org/W1996423252
- https://openalex.org/W1997610497
- https://openalex.org/W2004958771
- https://openalex.org/W2011016728
- https://openalex.org/W2021176909
- https://openalex.org/W2025887685
- https://openalex.org/W2027687782
- https://openalex.org/W2034285706
- https://openalex.org/W2041815875
- https://openalex.org/W2046768512
- https://openalex.org/W2057322172
- https://openalex.org/W2058867396
- https://openalex.org/W2063121202
- https://openalex.org/W2065020478
- https://openalex.org/W2072799506
- https://openalex.org/W2072970694
- https://openalex.org/W2074866907
- https://openalex.org/W2088833470
- https://openalex.org/W2089223635
- https://openalex.org/W2091753436
- https://openalex.org/W2103539617
- https://openalex.org/W2106180697
- https://openalex.org/W2115701239
- https://openalex.org/W2123088611
- https://openalex.org/W2124351063
- https://openalex.org/W2125077835
- https://openalex.org/W2126419817
- https://openalex.org/W2129668830
- https://openalex.org/W2146032848
- https://openalex.org/W2154026962
- https://openalex.org/W2163415979
- https://openalex.org/W2170551349
- https://openalex.org/W2171091522
- https://openalex.org/W2239564109
- https://openalex.org/W2254517477
- https://openalex.org/W2288397554
- https://openalex.org/W2396014121
- https://openalex.org/W2513506562
- https://openalex.org/W2766224787
- https://openalex.org/W2786169196
- https://openalex.org/W2807934525
- https://openalex.org/W2810280036
- https://openalex.org/W3149819637