解锁低温生物质价值化：天冬氨酸介导的纤维素酶通路上调增强真菌冷适应与秸秆降解

为解决低温环境下秸秆降解效率低、堆肥启动困难的问题，研究人员开展了一项关于天冬氨酸氨基转移酶(AST)调控纤维素酶表达及真菌冷适应的研究。通过构建T-DNA插入突变体库，筛选出关键基因Past，证实其通过天冬氨酸代谢途径上调纤维素酶基因(eg/cbh/bgl)表达，显著提升低温堆肥效率和腐殖质形成。该研究为低温农业废弃物处理提供了新型生物技术策略。

　　

在东北地区等寒冷气候带，每年产生超过2亿吨农作物秸秆，但由于平均温度低于10°C，约60-70%的秸秆难以降解，导致土壤退化和温室气体排放加剧。传统堆肥技术依赖中温微生物，在低温环境下启动困难，而外部加热方案成本高昂。这一困境促使科学家探索低温微生物的适应机制及其在生物质转化中的应用价值。

沈阳农业大学的研究团队在《Environmental Technology》发表的研究中，从长春土壤中分离出两株嗜冷真菌Pseudogymnoascus sp. YL55和Aspergillus terreus S21，并通过T-DNA插入突变体库筛选获得低温敏感突变体M427。研究采用基因敲除、qRT-PCR、酶活性测定及低温堆肥试验等技术，发现被破坏的基因编码天冬氨酸氨基转移酶(PAST)。该酶在10°C时表达量最高，其缺失导致菌落生长迟缓和纤维素酶基因下调，而过表达株(OEPast)能显著提升内切/外切纤维素酶产量。

研究首先通过TAIL-PCR和Southern blot确认突变体M427的T-DNA插入位点位于Past基因上游。温度梯度实验显示，Past在10°C的表达量是25°C时的3.5倍，而其同源基因ast1/ast2则无低温响应性。在CMC-Na培养基上，ΔPast突变体的纤维素降解圈面积减少40%，外源添加40-80 mg/L天冬氨酸可完全恢复其纤维素酶基因表达。

酶学特性研究发现，重组PAST蛋白在15°C时活性最高，热处理后急剧下降。低温堆肥试验中，OEPast与中温菌株CK48联用，3天内使堆温升至34°C，较对照组(18°C)提升89%，同时还原糖释放量增加52%，腐殖酸含量达到NY/T525-2021标准。种子发芽指数(GI)显示，处理组大豆和玉米的发芽率分别达95.88%和99%，显著高于对照组。

该研究首次揭示了天冬氨酸代谢与纤维素酶调控的分子偶联机制：PAST催化谷氨酸转化为天冬氨酸，后者作为信号分子通过上调氨基酸通透酶(GAP1/3)表达促进氮同化，进而激活纤维素酶基因转录。这一发现不仅解释了嗜冷真菌的低温适应策略，更通过工程菌株构建和天冬氨酸补充两种方案，实现了-12°C环境下的堆肥自启动，为寒区农业废弃物处理提供了可规模化应用的生物技术方案。研究建立的"AST-天冬氨酸-纤维素酶"调控模型，也为其他工业酶低温生产菌株的改造提供了新靶点。