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长足大竹象(Cyrtotrachelus buqueti),属鞘翅目象甲科,主要分布于四川、重庆、贵州、广东以及广西等省区。长足大竹象寄主广泛,危害水竹(Phyllostachys heteroclada)、青皮竹(Bambusa textilis)、崖州竹(Bambusa textilis var. gracilis)、慈竹(Neosinocalamus affinis)、绿竹(Dendrocalamopsis oldhami)、撑绿杂交竹(Bambusa pervaria-bilis×Dendrocalamopsis daii)等约28种竹种的竹笋。
在世界范围内,每年大约会有1010~2×1011 t植物有机物质被生产,其中将近一半都为纤维素[1],同时纤维素作为饮食中的一种重要的膳食纤维,是自然界最丰富的可再生资源之一。纤维素作为最难降解成葡萄糖的碳水化合物,在其利用过程中常常没有得到充分的利用,从而造成了大量资源浪费,因此纤维素如何高效地利用和转化对于解决当前世界能源匮乏、粮食稀缺以及环境污染等问题具有不可或缺的意义[2]。随着现代生物技术的发展,纤维素酶由于具有降解速度高、降解底物环保的优点而被广泛利用,特别是昆虫内源纤维素酶在工业生产与能源领域等方面得到广泛关注与应用[3-4]。
大多数昆虫体内都有纤维素酶,可以消化他们所摄取的食物中的纤维素,从而提供昆虫正常生长所需的物质和能量。昆虫纤维素酶首先在白蚁和蟑螂的肠道中发现[5-6],然后在细菌(如大肠杆菌)、放线菌(如马都拉放线菌)、真菌(如木霉属的绿色木霉与青霉属的灰绿青霉)和其他昆虫(如属鳞翅目昆虫的蝗虫)以及其他动物(如白蚁和蜗牛)都检测到纤维素酶[7-8]。刘洁丽,王靖[9]中研究发现:除了昆虫肠道内所含有的共生微生物能够产生纤维素酶以外,某些特殊的昆虫体内还存在内源性的纤维素酶。
昆虫内源性纤维素酶研究以鞘翅目昆虫最为广泛,李燕利[6]等研究了12种甲虫体内的纤维素酶活性,研究发现除了栗山天牛体内检测不到内切-β-1,4-葡聚糖苷酶活性,其余实验组甲虫体内均能检测到完整的纤维素酶。徐丽霞[10]等研究了黑胸散白蚁、黄翅大白蚁、象白蚁和锯白蚁4种白蚁及其肠道不同组织部位的内切-β-1,4-葡聚糖酶(EG)、β-葡萄糖苷酶(BG)和外切-β-1,4葡聚糖酶(CBH)3种纤维素酶活性,并研究了白蚁肠道不同组织部位的内切-β-1,4-葡聚糖酶(EG)的分布及多样性。研究表明,在这研究的4种白蚁中,EG酶的比活力均高于BG酶和CBH酶。刘新博[11]、段旭[12]等研究了竹虫体内纤维素酶系活性,研究发现竹虫体内存在完整的纤维素酶系,并对3种酶活性大小进行了研究为,β-葡萄糖苷酶的底物羧甲基纤维素钠的降解活性>外切-β-1,4-葡聚糖苷酶的底物微晶纤维素的降解活性>内切-β-1,4-葡聚糖苷酶的底物水杨素的降解活性,CB的最适pH为7.0,实验组还设置了对底物的不同反应时间和纤维素酶系的分离,结果显示,CB的最适pH值为7.0,温度为70 ℃,反应时间为60 min;CMC的最适pH值为9.4,温度为30 ℃,反应时间为40 min;SA的最适pH值为8.2,温度为50 ℃,反应时间为20 min。该研究为接下来研究长足大竹象肠道酶活性质提供了研究方法和可靠地实验数据。刘超、万东海[13]等研究了长足大竹象幼虫体内消化酶活性,并比较出了其体内消化酶活性大小为:半纤维素酶 >果胶酶 >纤维素酶,但对于体内纤维素酶系的活性没有做进一步研究。尽管各类鞘翅目昆虫体内纤维素酶活性研究较多,但尚未有长足大竹象幼虫体内纤维素酶活性的比较,本研究选取了长足大竹象幼虫肠道的纤维素酶来作为研究对象,对不同的温度及pH值条件下对纤维素酶活性影响进行比较研究,筛选出纤维素酶酶活的最佳条件,为开发高效纤维素酶系提供了数据参考。
A Study of Cellulase Activity in Intestine Tract of Cyrtotrachelus bugueti Larvae
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摘要: 将长足大竹象幼虫肠道分为前中后三段,研究长足大竹象幼虫在不同pH值、不同温度的交互作用下不同段肠道中的不同纤维素酶的活性,为了探索其肠道中酶活的最佳pH值和最佳温度。结果表明:后段肠道的纤维素酶活性最高;外切-β-1,4-葡聚糖苷酶的酶活性的最适温区为50 ℃−60 ℃(0.03±0.005 μmol·min−1·mg−1),最适pH值为5~6(0.02±0.005 μmol·min−1·mg−1);内切-β-1,4-葡聚糖苷酶的最适温区为50~60 ℃(0.023±0.05 μmol·min−1·mg−1),最适pH值为4~7(0.025±0.005 μmol·min−1·mg−1);β-葡萄糖苷酶的最适温区为40~60 ℃(0.02±0.05 μmol·min−1·mg−1),最适pH值为4~7(0.02±0.05 μmol·min−1·mg−1)。温度和pH值对昆虫肠道内纤维素酶活性的影响显著。Abstract: In order to explore the optimal pH value and temperature of the enzyme activity in the intestinal tract of Cyrtotrachelus buqueti larvae, different cellulase activities in different segments of intestinal tract (foregut, midgut, hindgut) were carried out under the interactions of different pH values and different temperatures. The optimum temperature range of exo-β-1,4-glucosidase activity was 50−60 °C (0.03 ± 0.005 μmol·min−1·mg−1), and the optimum pH was 5−6 (0.02 ± 0.005 μmol·min−1·mg−1). The optimum temperature range of endo-β-1,4-glucosidase activity was 50−60 °C (0.23 ± 0.005μmol·min−1·mg−1), and the optimum pH was 4−7 (0.02 ± 0.005 μmol·min−1·mg−1). The optimum temperature range of β-glucanase activity was 40−60 °C (0.02 ± 0.005 mol−1·mg−1), and the optimum pH was 4−7 (0.02 ± 0.05 μmol·min−1·mg−1). Temperature and pH had significant effects on cellulase activity in the insect intestinal tract.
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Key words:
- Cyrtotrachelus buqueti;
- Digestive tract;
- Cellulase
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