木材腐朽菌

白色腐朽菌がリグニンを分解する最初の方法は、高酸化還元電位触媒ペルオキシダーゼによるヘムポケットへの攻撃であり、これによりリグニンの安定性が低下します。このプロセスは、細胞外過酸化水素 (H ₂ O _{2 ) の生成から始まり、グリオキサールオキシダーゼ (GLX) を介して完了します。細胞外過酸化水素は、}フェントン反応を介してヒドロキシルラジカル (・OH) の生成に関与している可能性があります。Fe ²⁺ + H ₂ O ₂ → Fe ³⁺ + ・OH + OH ^{− [ 19 ]}リグニンを酸化するために使用されるペルオキシダーゼは、リグニンペルオキシダーゼ (LiP)、マンガンペルオキシダーゼ (MnP)、および多機能ペルオキシダーゼ (VP) です。^{[ 20 ]}これらのペルオキシダーゼは、一般的に真菌クラス II ペルオキシダーゼ (POD) と呼ばれています。研究によると、POD 酵素の別のグループ、すなわち新規ペルオキシダーゼ (NoP) を含む基本ペルオキシダーゼが存在する可能性があります。Postia placentaの NoP は、Mn ^{2+ を}結合できないことと、低い酸化還元電位によって特徴付けられます。^{[ 21 ]} POD は、白色腐朽菌、褐色腐朽菌、菌根菌の共通祖先で発達しましたが、これらの酵素ファミリーは、後者の 2 つのグループで二次的な喪失または縮小を経験しました。 ^{[ 22 ]} LiP は、リグニン分解に特異的な酸化還元酵素です。VP は、LiP と MnP の両方の要素を組み合わせたペルオキシダーゼの一種です。LiP と VP は、結合に関係なくベンゼン基を直接酸化できるヘム生成物構造に特異的です。^{[ 23 ]}ベンゼン基の直接酸化により、不安定なラジカル芳香族が生成されます。しかし、ヘムポケットのヘム基に結合した過酸化水素は、立体障害のため、かさ高いリグニンにアクセスできません。その結果、LiP酵素とVP酵素はタンパク質表面にトリプトファンラジカルを生成し、芳香族基質から活性化された補因子への長距離電子移動を可能にする。^{[ 24 ]}

リグニンを分解する2番目のメカニズムは、直接攻撃できない低酸化還元電位の酸化酵素であるラッカーゼが関与しています。ラッカーゼは、リグニンの分解と生成の両方に使用できます。酸素を還元してフリーラジカルを生成することでリグニンを切断し、ヒドロキシルラジカル（・OH）が環を攻撃してアルコール基（OH）を付加できるようにします。続いて脱プロトン化が起こり、CC（アリール-αC）結合が2つの芳香環に切断されます。これらの生成物は菌糸に入り、異化プロセスによってさらに分解されます。リグニン複合体が分解された後、他の腐生菌が入り、新しく生成された生成物の分解を開始できます。^{[ 16 ]}これらの変換の最終生成物は二酸化炭素と水です。褐腐菌もリグニンを標的にできることが知られていますが、いくつかの例外を除いて、それらはリグニンを修飾することしかできず、完全にリサイクルすることはできません。^{[ 19 ]}リグニンを分解する能力は、これまで POD を持つ白色腐朽菌にのみ存在すると考えられていたが、 POD を持たない褐色腐朽菌であるBotryobasidium botryosumとJaapia argillaceaにも見出された。現在のところ一般的な経路は不明であるが、研究は、2 つの菌類を明確なカテゴリーではなく、連続的な特徴で区別していることを支持している。^{[ 25 ]}

白色腐朽菌はリグニンの分解に特化しているが、セルロースなどの他の一般的な有機炭素形態も代謝することができる。セルロースは分解に手間のかかる分子でもある。^{[ 26 ]}まず、すべての白色腐朽菌に見られるセロビオヒドロラーゼが1,4-β-D-グリコシド結合を加水分解し、セルロースを部分的に分解する。^{[ 27 ]} GH61酵素は、結晶性セルロースに対する銅依存性酸化（LPMO）攻撃を開始する。LPMOは、グリコシドヒドロラーゼ活性を高める銅含有ヒスチジンブレースを使用して酸素を活性化することにより分解を促進し、反応の活性化コストを効果的に下げ、切断をはるかに安価にし、したがって菌類にとってより利益になる。^{[ 26 ]}切断の生成物はグルコースとセロビオースである。別の方法としては、エンドグルカナーゼがセルロースをランダムな箇所で加水分解し、その後セロビオヒドロラーゼが鎖を切断してセロビオースを生成するという方法がある。どちらのプロセスも最後に、β-グルコシダーゼがセロビオースをさらに分解してグルコースにする。^{[ 16 ]}

白色腐朽菌のもう 1 つの主要な食物源はヘミセルロースで、セルロースと同様のヘテロポリマーですが、白色腐朽菌によってのみ分解されるわけではありません。軟木に多く見られるヘミセルロースはガラクトグルコマンナンで、β-1,4 結合した D-マンノピラノースと D-グルコピラノース単位からなる分子です。エンド-1,4-βD-マンナナーゼは、ガラクトグルコマンナンの主鎖に沿って以前の結合を切断します。^{[ 28 ]}最近の研究では、これまでセルロースの切断にのみ使用されると考えられていた LPMO が、グリコシドヒドロラーゼ酵素 (GH) と連携してヘミセルロースの異化にも重要であることがわかりました。^{[ 29 ]}セルロースとヘミセルロースを異化できる非白色腐朽菌の存在により、これらの資源へのアクセスをめぐる種間競争が生じます。白色腐朽菌が資源を支配し、競争相手を排除するために用いる方法を理解することは、白色腐朽菌を理解する上で重要な側面となるだろう。

白色腐朽菌はセルロースやヘミセルロースを利用できる唯一の腐生菌ではないため、競争が生じる。研究者らは、競争が白色腐朽菌に及ぼす影響を推定しようと試みた。微生物の競合相手が存在しない無菌環境では、白色腐朽菌は良好な成長を示したが、自然の微生物が存在する土壌では、白色腐朽菌の成長は変動的であったと報告している。白色腐朽菌は炭素獲得のための非常に特殊なプロセスを持っているにもかかわらず、依然として競合相手に対して脆弱である。研究者らは、白色腐朽菌の生存は、土壌微生物による攻撃からリグノセルロース基質を防御する能力と、土壌塊の中に定着する能力に依存していることを明らかにした。これらの知見は、白色腐朽菌と土壌微生物は相互作用において依然として大部分が拮抗関係にあり、競争力の高いヒラタケ属菌のみが土壌微生物による悪影響をほとんど受けずに定着できることを示唆している。競争力の低い白色腐朽菌は、定着できなかったか、呼吸に関連する酵素濃度が低かった。成功する相互作用は、どちらの微生物が先に到達して足場を築くかによって特徴づけられる。^{[ 30 ]}

褐腐菌と白色腐朽菌は、種間菌糸相互作用が類似している。白色腐朽菌種が同じ宿主を占拠すると、「腐朽柱」と呼ばれる明確な領域が形成される。相互作用は種間競争に分類される。^{[ 31 ]}競争が発生すると、2 つの重要な結果が生じる。「デッドロック」とは、どちらの種も他方を支配できない場合であり、「置換」とは、一方の種が完全にコロニー化して他方を置き換える場合である。別の研究では、3 つ目の選択肢として「相互置換」が指摘されている。これは、菌類が一部の領域をうまく獲得し、同時に他の領域を失う場合である。^{[ 32 ]} 2 つの白色腐朽菌間の相利共生は非常にまれであると指摘されている。^{[ 31 ]}

研究結果は、未占有領域への定着をめぐる競争である一次競争と、領域をめぐる敵対的な捕獲と防衛との重要な区別を示唆した。多くの競争的相互作用は「非推移的」であり、これは相互作用に2種以上の菌類が関与し、それぞれが異なる拮抗的メカニズムを展開することで、ある種に対しては有利になるが、他の種に対しては不利になることが多いことを意味する。研究はさらに、温度、水ポテンシャル、無脊椎動物の相互作用などの環境要因が競争に影響を与える重要性を強調した。研究結果は、競争はコストがかかり、腐生菌はそれを資金提供するためにより多くの資源にアクセスする必要があるため、競争が腐敗を増加させることを示唆した。同様に、天然資源が限られ競争が激しい小さな環境では、腐敗速度が増加した。褐腐菌は比較的エネルギーコストの高い分子であるリグニンを分解する能力を欠いているにもかかわらず、比較的安価なセルロースとヘミセルロースにアクセスでき、競争により多くのエネルギーを費やし、栄養素の抽出に費やすエネルギーを減らすことができるため、褐腐菌は白色腐朽菌よりもわずかに競争力が高かった。^{[ 32 ]}白色腐朽菌が長期的な利点を持っているというさらなる証拠は、木材チップへの白色腐朽菌の侵入には落葉層への侵入よりも長い時間が必要であることを明らかにした研究で発見された。彼らが収集した白色腐朽菌の質量減少に関するデータはシグモイド型であった。この発見は、白色腐朽菌は最初の1年間は一般的な供給源からの炭素の分解において他の分解者ほど競争力がないが、リグニンから炭素にアクセスする特殊な能力により、1年後にはより競争力があることを示唆している。^{[ 33 ]}

競争は菌類の間だけに限らない。滅菌したブナ材ブロック上に白色腐朽菌（この場合はHypholoma fasciculareとResinicium bicolor）が存在すると、リグニンはこれらの細菌の栄養源ではないにもかかわらず、木材に生息する細菌の数が減少した。^{[ 34 ]}この発見は、セルロースとヘミセルロースをめぐって競合する白色腐朽菌と細菌の間の拮抗関係、および競合細菌に対して白色腐朽菌が利用する殺菌性および静菌性の武器の存在を示唆している。メカニズムは不明だが、研究者らは、白色腐朽菌がリグニン分解酵素、ヒドロキシルラジカル、およびアリールアルコールを利用して毒性環境を作り出している可能性があると示唆した。さらに環境操作として、pHを下げてより酸性の生息環境を作るために POD を放出した。結論として、過酸化物はリグニンを分解しやすくするだけでなく、白色腐朽菌が競争しやすい環境を作り出す。特殊な異化機構を備えていても、競争は白色腐朽菌の進化において依然として非常に強い選択圧となっている。

白色腐朽菌の進化の過程に関する知見は、リグニン異化作用の進化から得られる。リグニンは石炭生成の前駆体である。石炭紀（3億6000万～3億年前）とペルム紀（3億～2億5000万年前）には、炭素の蓄積量が非常に多かった。しかし、ペルム紀末期には炭素蓄積量が急激に減少した。白色腐朽菌とそのリグニン分解能力は、ペルム紀末期に進化した。^{[ 35 ]}研究者らは、腐生能力の進化を再構築しようと試みた。その結果、白色腐朽菌は褐色腐朽菌と外生菌根菌（ECM）の共通祖先であったが、後者の2つのグループではPODをコードする遺伝子が失われたことが示唆された。^{[ 36 ]}

リグニン分解ペルオキシダーゼの進化について理解を深めるため、研究者らは1億5000万年前に出現した担子菌類の目であるタマチョレイタケ目から祖先のリグニン分解ペルオキシダーゼを復活させ、その祖先から現代のP. chrysosporiumまでの系統を分析した。主な発見の1つは、祖先の多機能ペルオキシダーゼ（AVP）は現代のLiPに特徴的な低pHで効率的に機能することができなかったということである。また、AVPははるかに広い基質特異性を持っており、その喪失はさらなる特異性を発達させるための進化上のコストであったことも示唆された。^{[ 37 ]}

初期のペルオキシダーゼはリグニンを直接分解することができず、フェノール基を分離するために金属カチオンに依存していた。ペルオキシダーゼが非フェノール性リグニンを攻撃するために、ペルオキシダーゼ表面のかさ高いポリマーと相互作用するトリプトファニルラジカルを使用する能力を獲得したのは、後のことだった。これらの発見は、白色腐朽菌の進化を分析する際に植物の進化を考慮することの重要性を強調している。研究者らは、植物細胞壁が着実に増加しており、収斂進化の証拠を示していると指摘している。白色腐朽PODも収斂進化を示した。植物細胞壁がより効率的になるにつれて、それを破壊するペルオキシダーゼもより効率的になった。^{[ 38 ]} 

研究者らは、バイオインフォマティクスを用いて白色腐朽菌の進化の発展をさらに理解しようと試みた。彼らは、白色腐朽菌、褐色腐朽菌、ECM菌、その他の栄養様式のハラタケ属菌の62ゲノムを解析した。白色腐朽菌と褐色腐朽菌の両方がセルロースとヘミセルロースを切断する能力を共有していることから、セルロース分解酵素の後にPODが発達し、白色腐朽のメカニズムはPODの利用だけでなく、既に存在する腐生モデルに基づく精緻化であると示唆している。^{[ 39 ]} 白色腐朽菌の進化の発展を理解することで、さまざまな潜在的な用途についての洞察が得られる。

白色腐朽菌は歴史的に食用として重宝されてきたが、近年、その酵素能力の調査により、白色腐朽菌が汚染物質除去に利用できる可能性が明らかになった。白色腐朽菌は古くから人間の食生活の主食であり、世界中の人々にとって重要な栄養源であり続けている。白色腐朽菌は食用として商業的に栽培されており、例えばシイタケは2003年にはキノコ生産量全体の約25%を占めた。^{[ 40 ]}白色腐朽菌はリグニンを分解する重要な能力を持つため、環境から有機汚染物質を除去することに焦点を当てた菌類修復用途における潜在的な資源としてますます研究されている。リグニン分解の3種類の酵素（LiP、MnP、ラッカーゼ）すべてが研究されている。白色腐朽菌は、 Phanerochaete chrysosporium、Trametes versicolor、Bjerkandera adusta 、および Pleurotus ostreatusで研究された際に、塩素化芳香族炭化水素 ( CAH )、DDT、リンデン、多環芳香族炭化水素、ポリ塩化ビフェニル、PCP、ポリ塩化ジベンゾ(p)ジオキシン、およびアゾ染料を分解することが確認されている。^{[ 30 ]}汚染物質除去剤としての白色腐朽菌の制限は、非自然条件下で菌類を定着させることが難しいことに起因する。その他の用途には、バイオマスを利用して溶質廃棄物を除去し、汚染を防ぐプロセスであるバイオ吸着がある。研究者らは、1,4 結合したβ-D-マンヌロン酸とα-L-グルロン酸からなる直鎖状多糖であるアルギン酸を介して、白色腐朽菌が重金属イオンを吸収する効果を研究した。この研究の結果は、Funalia trogii が低 pH 環境でHg ²⁺、Cd ²⁺、および Zn ²⁺を生物吸着できることを示しました。 ^{[ 41 ]}白色腐朽菌を安定した菌類修復剤として確立する可能性は、今後の重要な発見です。白色腐朽菌は、大きな未実現の可能性を秘めた重要な源です。