《Applied Microbiology and Biotechnology》：What we (still don’t) know about wood-degrading fungi: an overview of threats and utilization potentials
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木材作为地球上最丰富的材料之一，是一种具有层级结构的木质纤维素生物复合材料，其自身演化出了抵抗其他生物分解的特性。尽管木质素被认为在泥盆纪（约400–390 Ma）开始演化，并在石炭纪（约360–299 Ma）导致了大量煤炭储层的沉积，但大约在同一时期，一类多
木材作为地球上最丰富的材料之一，是一种具有层级结构的木质纤维素生物复合材料，其自身演化出了抵抗其他生物分解的特性。尽管木质素被认为在泥盆纪（约400–390 Ma）开始演化，并在石炭纪（约360–299 Ma）导致了大量煤炭储层的沉积，但大约在同一时期，一类多样化的真菌演化出来，能够精确突破这一屏障并将其作为碳源利用。自此以后出现的“木材腐朽真菌”在全球养分循环、碳流和物质周转中发挥着基础性作用。木材腐朽真菌的重要性既体现在其酶系统、转运蛋白和代谢产物所带来的应用潜力，也体现在它们对森林、木制品及健康构成的威胁。这种双重性与食品工业中真菌的情况相似——尽管后者可能不为公众所熟知——即真菌既有有益用途（如食品着色、食品发酵和作为蛋白质来源），也存在风险（如通过真菌毒素）。此外，关于真菌在建筑环境中定殖和攻击基质的研究，结合其降解行为，拓展了研究人员对其自然行为的机理理解。在本篇小型综述中，研究人员概述了真菌降解木材的机制，讨论了木材腐朽真菌对活树和木制品的威胁，以及它们在生物经济中的增值潜力。此外，研究人员旨在强调重要的宏观和微观方面，以提供对所涉及机制的整合性视角，包括通过基因组和文献荟萃分析获得的数据。本综述将文献中的见解与多种数据库的探索性分析相结合，以提供对木材腐朽真菌的整体认识，支持未来的研究视角，并促进对这些生物体的多维度理解。
木材的定殖：真菌腐朽如何开始
腐朽真菌对木材的定殖可通过孢子在易感区域萌发实现，例如剥皮木材或活树上的伤口（由非生物因素如机械损伤、天气等，或生物因素如鸟类、昆虫等造成），也可通过菌丝体从土壤侵入。孢子和菌核能在土壤中存活数年，并在遇到适宜条件（如根表面的营养物质）时萌发。某些根系甚至会吸引菌丝，随后菌丝通过伤口或幼根进入，在皮层中扩散，最终在侵染内皮层、中柱和韧皮部组织后进入木质部。在条件适宜时，木材腐朽真菌能在木材上快速蔓延。根据真菌和树种以及环境条件的不同，力学性能的劣化在两周内即可观察到。除褐腐、白腐和软腐真菌外，许多其他微生物（如细菌和酵母）也会在降解过程中定殖木材。不同的竞争性相互作用塑造了局域群落，最终决定了降解速率和类型，这些拮抗作用包括挥发性物质的交换、菌丝干扰和真菌寄生。
真菌木材降解的宏观与微观特征
木材腐朽真菌要么专门定殖活树（专性寄生菌和内生菌），要么专门定殖死木（专性腐生菌），或者兼性两者皆可。树木死亡后，寄生菌常转变为腐生菌，木材更易受到多种腐生真菌的侵染，经历不同阶段。内生菌——即可在健康植物组织内存活而不引起明显症状的真菌——可能在伐木后参与降解过程。对于室内木材，干朽菌（Serpula lacrymans）是一个特别成问题的物种，在欧洲臭名昭著，因为它能快速穿过不提供营养或水分的表面进行传播。这得益于通过菌丝索进行的资源转运。这种侧重于探索的“游击式”生长策略，其菌丝网络的分枝和吻合程度远低于偏好营养丰富基质的开发型“方阵”策略。同样的策略帮助寄生菌如蜜环菌（Armillaria mellea）以根状菌索的形式克服树木的防御机制。根状菌索与菌丝索的区别在于其根状生长行为由顶端紧密排列的菌丝驱动，而菌丝索则在远离生长前沿处由年轻菌丝与已有菌丝融合形成。
在积累足够生物量后，真菌可在适宜条件下通过子实体释放孢子进行繁殖。子实体的特定形态特征（如形状、大小、颜色以及孔或菌褶等特征）有助于分类，但更为重要的是微观特征，如孢子外观和菌丝类型。虽然不同形态的孢子都服务于通过时空分散优化繁殖的目的，但菌丝根据其结构发挥不同功能。根据分枝和细胞壁厚度，菌丝可分为生殖菌丝、骨架菌丝和缠绕菌丝。仅包含生殖菌丝的称为单系菌丝系统，而同时包含一种或两种其他类型的则称为二系或三系菌丝系统。随着菌丝类型的增加，由于骨架菌丝和缠绕菌丝强大的力学性能，子实体的质地变得更加坚韧。该系统基于子实体中的菌丝，一些文献也指出骨架菌丝和缠绕菌丝是子实体独有的，不存在于营养菌丝中。在子实体形成的初始阶段，仅有生殖菌丝存在，其他两种类型在后期才从中分化出来。然而，在某些木材腐朽真菌的营养菌丝中也观察到了二系和三系菌丝系统。这些菌丝类型出现的生长阶段很可能是物种特异性的。值得注意的是，最近一项研究发现，在所研究的一种二系菌种（灰树花 Grifola frondosa）和一种三系菌种（四川灵芝 Ganoderma sichuanense）的营养菌丝中，即使是生殖菌丝也具有比单系菌种（绣球菌 Sparassis spathulata）更厚的细胞壁和更高的刚度。除了少数例外，遗传因素对菌丝形态甚至基本结构的影响尚不清楚。
木材腐朽类型：白腐、褐腐和软腐
经典上根据腐朽木材的外观区分三种主要木材腐朽类型：白腐、褐腐和软腐。白腐主要与阔叶树相关，褐腐主要与针叶树相关，但也显示出泛化性。在初级和中级阶段，褐腐和白腐真菌主导分解过程，而软腐真菌在后期阶段找到更适宜的条件。对于室外使用或储存的木材，褐腐、白腐或软腐真菌会根据条件占据优势。更危险的是室内木材的真菌降解。由于目前建筑主要使用软木，褐腐真菌构成了最大的威胁。
白腐真菌是担子菌门（Basidiomycota）中的一个异质性群体，主要来自伞菌纲（Agaricomycetes）。在白腐中，木质素被代谢，同时部分纤维素残留，导致木材呈现白色外观。它们可进一步分为选择性脱木质素菌和同步脱木质素菌。
褐腐真菌也属于担子菌门，大多数隶属于多孔菌科（Polyporaceae）。在褐腐中，纤维素和半纤维素被降解，而木质素未被大量去除，因此木质素在植物细胞壁的胞间层中积累，使残余木材呈现褐色和立方块状纹理。这种降解归因于芬顿反应（Fenton reaction）中产生的羟基自由基所导致的非靶向但快速的崩解，从而引起强度的迅速丧失。褐腐作为一种真菌生活方式被认为是从白腐共同祖先进化多次而来，并与木质纤维素降解酶的趋同性丢失有关，但研究表明，其基于自由基的策略，辅以次级代谢产物（secondary metabolites, SMs），使其能够充分修饰木质素，从而在不大量去除木质素的情况下高效地获取和降解碳水化合物。根据北美木材腐朽真菌的野外研究估计，约7%的木材腐朽真菌引起褐腐。然而，由于裸子植物的普遍存在，褐腐真菌主导了全球北方的腐朽过程。
“软腐”可由多种子囊菌门（Ascomycota）以及一些担子菌门真菌引起，其特征是菌丝优先在次生植物细胞壁内生长，表现为沿细胞轴纵向分布的典型空腔。软腐通常发生在潮湿或浸没的木材中，通常局限于表面，呈现出柔软、褪色的表层。与褐腐类似，软腐优先降解纤维素和半纤维素。尽管如此，一些软腐真菌能降解约20%的木质素。
三种经典腐朽类型之间的明确区分往往是不可能的，除了某些基因的存在/缺失和形态外观外，还应考虑其他标准，如相对于密度损失的木质素损失以及木材稀碱溶解度的变化。这种“灰色”腐朽谱系的存在表明，解释不同腐朽组间的差异时应考虑其进化历史，特别是因为褐腐真菌已从白腐祖先多次进化而来，而软腐真菌属于子囊菌门，另两类则属于担子菌门。
木材降解的分子机制
木材主要由多糖（主要是纤维素和半纤维素）和多酚类木质素组成。负责多糖和木质素降解的酶根据其反应机制和结构（而非降解底物）在CAZy数据库中进行分类。为了评估三种真菌腐朽类型的木质素和多糖降解策略如何在其基因组水平的酶学机制中得到体现，研究人员通过整理JGI MycoCosm数据库中注释基因组的信息，比较了主要的家族和不同类型的酶。所选褐腐和白腐真菌物种在担子菌门中形成一个多系群，褐腐真菌属于伞菌纲和花耳纲（Dacrymycetes），白腐真菌属于伞菌纲和银耳纲（Tremellomycetes）。在木材降解酶的绝对数量上，白腐和软腐真菌的CAZyme基因显著多于褐腐真菌。此外，白腐和软腐真菌平均拥有更多来自碳水化合物结合模块家族（carbohydrate-binding module, CBM）的基因。CBM无催化活性，但有助于酶与其底物的结合。
纤维素的降解涉及纤维素酶的协同作用：内切葡聚糖酶切割内部的β-(1→4)糖苷键，外切葡聚糖酶从链端释放纤维二糖，β-葡萄糖苷酶将纤维二糖水解为葡萄糖。这些纤维素酶亚型被归类到CAZy数据库中的多个糖苷水解酶（glycoside hydrolase, GH）、CBM和辅助活性（auxiliary activity, AA）家族中，并表现出不同的催化机制，从而实现高效的纤维素分解。GH型纤维素酶对无定形纤维素更有效，而AA家族的裂解性多糖单加氧酶（lytic polysaccharide monooxygenase, LPMO）则更专攻于结晶区。
半纤维素是非结晶的多糖，通常具有由多种糖组成的β-(1→4)连接的主链，常带有分支和取代基。它们的降解需要来自GH、碳水化合物酯酶（carbohydrate esterase, CE）、CBM和AA家族的相应多样化酶阵列协同作用，以切割半纤维素主链或去除侧链修饰。
木质素是由芳基-C3单元通过醚键C-O和C-C键连接而成的杂聚物。真菌解决这一高度顽固底物键和随机化表面的方案同样是“激进”的：已发展出四类主要的真菌木质素降解酶：（1）木质素过氧化物酶（lignin peroxidase, LiP），（2）锰过氧化物酶（manganese peroxidase, MnP），（3）多功能过氧化物酶（versatile peroxidase, VP），（4）漆酶（laccase）。漆酶属于多铜氧化酶，其他三种属于含血红素的II类过氧化物酶（class II peroxidases, PODs）。两组均属于氧化酶超家族。一些作者认为其他酶也具有木质素降解活性，例如最初在子囊菌白地霉（Geotrichum candidum）中描述，后来也在白腐真菌平菇（Pleurotus ostreatus）中发现的染料脱色过氧化物酶，但其作用仍不确定。真菌生物降解木质素的初始步骤产生不同的芳香族结构，包括单体木质醇。后续代谢过程直至芳香族结构完全矿化为CO2和H2O在许多方面仍不清楚。迄今分析的褐腐真菌基因组大多缺乏编码PODs的基因，并且与白腐真菌相比，编码漆酶的基因通常减少。虽然大量实验证据表明漆酶（AA1）和PODs（AA2）直接参与木质素降解，但属于其他AA类的酶有间接贡献，例如H2O2的产生和醌还原。后者常被统称为木质素降解辅助酶。
荟萃分析支持白腐真菌基因组含有平均数量显著更多的属于木质素降解家族AA3和AA5的酶，以及更高比例的AA2家族酶，这与它们降解木质素的能力一致。从进化角度看，这支持了褐腐和软腐真菌（主要代谢木材的非木质素成分）在晚古生代种子植物建立后，可能在其各自的木材腐朽策略发展过程中减少了这些家族。此外，白腐和褐腐真菌还可通过属于AA8和AA9家族的酶的数量加以区分，这些家族在白腐真菌中有所扩增，尽管这两个家族在软腐真菌中比例最高。另一方面，子囊菌门只能降解木材中较软的部分，即木质素比例较低的区域。原因之一可能是其漆酶的T1氧化还原电位低于白腐和褐腐真菌。因此，它们具有木材腐朽活性，但速率远低于担子菌门的木材腐朽真菌。与此观点一致，软腐真菌被认为是对木质素进行修饰而非矿化。
糖摄取与营养获取
一旦木质纤维素在菌丝外部被解聚，所产生的可溶性糖必须通过真菌质膜上的转运蛋白摄取，才能为生长、维持和进一步的腐朽提供能量。因此，可动化糖通过转运蛋白跨质膜的摄取是真菌转化植物生物量的关键步骤。基于系统发育分析，丝状真菌中大部分糖转运蛋白（99%）属于主要易化子超家族（major facilitator superfamily, MFS）。这些通常是十二次跨膜结构域的蛋白，对结构或化学相关的单糖或寡糖具有特异性。然而，在真菌基因组中存在的众多转运蛋白中，大多数情况下只有一小部分的底物是已知的。尽管在白腐真菌基因组中发现了几种MFS糖转运蛋白，但在这些生物体中只有一个功能性表征的报告：来自Phanerochaete sordida的单糖转运蛋白PsHxt1，其过表达揭示了它转运多种单糖（葡萄糖、果糖、甘露糖、木糖和半乳糖）的能力。
来自JGI MycoCosm的可用数据表明，软腐真菌平均拥有比褐腐或白腐真菌更多的属于糖转运蛋白家族和糖苷-戊糖-己糖醛酸：阳离子同向转运家族的转运蛋白。此外，软腐真菌平均拥有的单糖和奎尼酸转运蛋白数量大约是其他两组的二倍，但寡糖和多元醇转运蛋白较少。褐腐和白腐真菌具有更高比例的寡糖转运蛋白，这可被解释为绕过碳分解代谢物阻遏（carbon catabolite repression, CCR）的一种方式，同时也使其在与拥有不那么复杂的酶系统、依赖单糖的共栖微生物竞争中更具优势。子囊菌门（软腐真菌所属）较低的二糖同化能力在过去已被注意到，它们通常拥有范围较小的CAZyme库。
虽然真菌中所有糖转运蛋白的集合很可能很好地反映了其生态位行为和底物偏好，但研究人员对这些“守门者”的理解远未达到所需水平。需要表征更多的转运蛋白并获得其结构，以便能够从基因组信息中对底物特异性进行稳健预测。然而，已有首个程序被发表，允许从候选糖转运蛋白中选择推定的底物，使其实验表征更加高效和可控。在特定腐朽阶段哪些转运蛋白被表达，取决于营养感知、碳可利用性以及协调胞外酶生产与胞内摄取能力的调控网络。
植物细胞壁降解的调控
植物细胞壁降解酶和糖转运蛋白的部署与营养可利用性紧密协调。因此，真菌演化出了转录网络，能够根据当前的底物和碳状态选择性地表达所需的基因。虽然关于子囊菌门中已表征转录因子的信息非常丰富，但对真正的木材腐朽担子菌门的深入研究却很少。一个首要且高度保守的机制是CCR，它在简单糖存在时抑制CAZymes的分泌，以节省代谢能量。转录因子CreA/CRE-1是CCR的主要调控因子。
