The white-rot fungi Phlebia radiata and Dichomitus squalens in wood-based cultures: expression of laccases, lignin peroxidases, and oxalate decarboxylase

Basidiomycetous white-rot fungi are the only organisms that can efficiently decompose all the components of wood. Moreover, white-rot fungi possess the ability to mineralize recalcitrant lignin polymer with their extracellular, oxidative lignin-modifying enzymes (LMEs), i.e. laccase, lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP), and versatile peroxidase (VP). Within one white-rot fungal species LMEs are typically present as several isozymes encoded by multiple genes. This study focused on two effi cient lignin-degrading white-rot fungal species, Phlebia radiata and Dichomitus squalens. Molecular level knowledge of the LMEs of the Finnish isolate P. radiata FBCC43 (79, ATCC 64658) was complemented with cloning and characterization of a new laccase (Pr-lac2), two new LiP-encoding genes (Pr-lip1, Pr-lip4), and Pr-lip3 gene that has been previously described only at cDNAlevel. Also, two laccase-encoding genes (Ds-lac3, Ds-lac4) of D. squalens were cloned and characterized for the first time. Phylogenetic analysis revealed close evolutionary relationships between the P. radiata LiP isozymes. Distinct protein phylogeny for both P. radiata and D. squalens laccases suggested different physiological functions for the corresponding enzymes. Supplementation of P. radiata liquid culture medium with excess Cu2+ notably increased laccase activity and good fungal growth was achieved in complex medium rich with organic nitrogen. Wood is the natural substrate of lignin-degrading white-rot fungi, supporting production of enzymes and metabolites needed for fungal growth and the breakdown of lignocellulose. In this work, emphasis was on solid-state wood or wood-containing cultures that mimic the natural growth conditions of white-rot fungi. Transcript analyses showed that wood promoted expression of all the presently known LME-encoding genes of P. radiata and laccase-encoding genes of D. squalens. Expression of the studied individual LME-encoding genes of P. radiata and D. squalens was unequal in transcript quantities and apparently time-dependent, thus suggesting the importance of several distinct LMEs within one fungal species. In addition to LMEs, white-rot fungi secrete other compounds that are important in decomposition of wood and lignin. One of these compounds is oxalic acid, which is a common metabolite of wood-rotting fungi. Fungi produce also oxalic-acid degrading enzymes of which the most widespread is oxalate decarboxylase (ODC). However, the role of ODC in fungi is still ambiguous with propositions from regulation of intra and extracellular oxalic acid levels to a function in primary growth and concomitant production of ATP. In this study, intracellular ODC activity was detected in four white-rot fungal species, and D. squalens showed the highest ODC activity upon exposure to oxalic acid. Oxalic acid was the most common organic acid secreted by the ODC-positive white-rot fungi and the only organic acid detected in wood cultures. The ODC-encoding gene Ds-odc was cloned from two strains of D. squalens showing the first characterization of an odc-gene from a white-rot polypore species. Biochemical properties of the D. squalens ODC resembled those described for other basidiomycete ODCs. However, the translated amino acid sequence of Ds-odc has a novel N-terminal primary structure with a repetitive Ala-Ser-rich region of ca 60 amino acid residues in length. Expression of the Ds-odc transcripts suggested a constitutive metabolic role for the corresponding ODC enzyme. According to the results, it is proposed that ODC may have an essential implication for the growth and basic metabolism of wood-decaying fungi.

Modelling initial survival and growth of radiata pine in New Zealand.

A sensitive framework has been developed for modelling young radiata pine survival, its growth and its size class distribution, from time of planting to age 5 or 6 years. The data and analysis refer to the Central North Island region of New Zealand. The survival function is derived from a Weibull probability density function, to reflect diminishing mortality with the passage of time in young stands. An anamorphic family of trends was used, as very little between-tree competition can be expected in young stands. An exponential height function was found to fit best the lower portion of its sigmoid form. The most appropriate basal area/ha exponential function included an allometric adjustment which resulted in compatible mean height and basal area/ha models. Each of these equations successfully represented the effects of several establishment practices by making coefficients linear functions of site factors, management activities and their interactions. Height and diameter distribution modelling techniques that ensured compatibility with stand values were employed to represent the effects of management practices on crop variation. Model parameters for this research were estimated using data from site preparation experiments in the region and were tested with some independent data sets.

Monitoring of Fungal Growth and Degradation of Wood

Valko- ja ruskolahosienet tunnetaan luonnossa tehokkaimpina puun ja karikkeen lignoselluloosan lahottajina. Valkolahosienet pystyvät hajottamaan kaikkia puun osia: ligniiniä, selluloosaa ja hemiselluloosaa. Selektiivisesti ligniiniä hajottavat sienet lahottavat puusta suhteessa enemmän vaikeasti hajoavaa ligniiniä kuin selluloosaa tai hemiselluloosaa, jolloin jäljelle jää valkoista ja miltei puhdasta selluloosaa. Bioteknisissä sovelluksissa juuri selektiviiviset valkolahottajat ovat kiinnostavia. Niiden avulla voidaan puuhaketta esikäsitellä esimerkiksi paperinvalmistuksessa haitallisen ligniinin poistamiseksi. Ruskolahosienet ovat huomattavia puun, puutavaran ja puisten rakenteiden lahottajia, kuten tässä työssä käytetty Gloeophyllum trabeum (saunasieni ) ja Poria (Postia) placenta (istukkakääpä). Ruskolahosienet hajottavat puusta hemiselluloosan lisäksi selluloosaa, jolloin jää jäljelle ruskea ja jauhomaiseksi mureneva ligniini. Ruskolahosienet muovaavat ligniiniä jonkin verran. Kahden ruskolahosienen G. trabeumin ja P. placentan lisäksi tutkittiin valkolahosieniä, joista Ceriporiopsis subvermispora (karstakääpä) ja harvinainen Physisporinus rivulosus -sieni (talikääpä) hajottavat ligniiniä erittäin selektiivisesti. Phanerochaete chrysosporium on kaikkialla paljon tutkittu sieni, ja Phlebia radiata valkolahosientä (rusorypykkä) on tutkittu paljon mikrobiologian osastolla. Lisäksi tutkittiin Phlebia tremellosa -sienten (hytyrypykkä) ligninolyyttisten entsyymien tuottoa ja 14C-leimatun synteettisen ligniinin (DHP) hajotusta. P. radiata ja P. tremellosa -sienten on todettu aiemmin hajottavan ligniiniä selektiivisesti. Työssä selvitettiin miten sienten kasvua voi mitata, miten vertailukelpoisia eri mittaamismenetelmillä saadut tulokset ovat ja ilmenevätkö sienten aktiivisimmat kasvuvaiheet samaan aikaan eri menetelmillä mitattuna. Tärkeimmät tulokset olivat seuraavat havainnot: (i) P. radiata ja P. tremellosa -sienikannat tuottivat ligniini- ja mangaaniperoksidaasientsyymejä (LiP ja MnP) sekä lakkaasia, ja sienistä puhdistettiin 2-3 LiP- ja P. radiatasta yksi MnP-entsyymi; (ii) P. tremellosa -sienet hajottivat leimattua synteettistä ligniiniä (DHP) yhtä hyvin kuin paljon tutkitut P. chrysosporium ja P. radiata -sienet; (iii) puu, sienen luonnollinen kasvualusta, lisäsi valkolaho- ja ruskolahosienten demetoksylaatiota [O14CH3]-leimatusta ligniinin malliyhdisteestä 14CO2:ksi ilman puuta olleeseen alustaan verrattuna; (iv) demetoksylaatio (14CO2:n tuotto) oli normaalissa ilma-atmosfäärissä useimmiten parempi happeen verrattuna; (v) hapessa paras 14CO2:n tuotto saatiin puupalakasvatuksissa, joihin oli lisätty ravinnetyppeä tai typen lisäksi glukoosia sekä valkolaho- että ruskolahosienillä; (vi) ilmassa 14CO2:n tuotto oli puulla voimakkainta valkolahosienillä ilman lisäravinteita, kun taas G. trabeum -sienellä se oli yhtä hyvä eri alustoissa; (vii) biomassan muodostuminen rihmastojen ergosterolipitoisuuksista mitattuna oli ruskolahosienillä parempi kuin valkolahosienillä; (viii) ja biomassojen huippupitoisuudet olivat 6:lla sienellä eri suuruisia ja niiden maksimimäärien ajankohdat vaihtelivat viiden viikon kasvatusten kuluessa. Mikrobiologian osastolla Viikissä eristetty ja paljon tutkittu P. radiata -valkolahosieni oli mukana kaikissa tehdyissä kokeissa. Sienen LiP-aktiivisuus ja 14CO2:n tuotto 14C-rengas-leimatusta synteettisestä ligniinistä (DHP) korreloivat erittäin hyvin. Biomassan muodostuminen ergosterolilla määritettynä tuki hyvin entsyymiaktiivisuusmittauksilla ja isotooppikasvatuksilla saatuja tuloksia.

Degradation of lignin and other 14C-labelled compounds in compost and soil with an emphasis on white-rot fungi

Puu, ruohokasvit ja näistä tehdyt tuotteet kuten mekaanisesta massasta valmistettu sanomalehtipaperi sisältävät ligniiniä, joka hajoaa yleensä hyvin hitaasti luonnossa. Valkolahosienet hajottavat ligniiniä tehokkaimmin, ja koska niiden tuottamat entsyymit hajottavat myös muita vaikeasti hajoavia yhdisteitä, voidaan valkolahosienten avulla mahdollisesti puhdistaa saastuneita maita. Tässä työssä haluttiin selvittää, säilyttävätkö valkolahosienet (Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens, Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida, Phlebia radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta ja Trametes versicolor) aktiivisuutensa ja kasvavatko ne maassa. Aktiivisuutta mitattiin seuraamalla sienten synteettisen ligniinin (14C-DHP) hajotuskykyä. T. versicolor (silkkivyökääpä) osoittautui tehokkaimmaksi ligniinin hajottajaksi ja sen pentakloorifenolin (PCP) hajotuskykyä tutkittiin erillisessä kokeessa. Entiset tai pitkään käytössä olleet saha-alueet ovat yhä saastuneet puun käsittelyaineista peräisin olevilla kloorifenoleilla. Biohajoavien muovien kehitystyö sekä kompostoinnin yleistyminen jätteiden käsittelymenetelmänä ovat luoneet tarpeen materiaalien biohajoavuuden määrittämiseen. Euroopan standardisoimisjärjestön (CEN) kontrolloidussa kompostitestissä biohajoavuus määritetään materiaalin hajoamisen aikana muodostuvan hiilidioksidin perusteella. Hiilidioksidin tuotto mitataan sekä näytettä sisältävästä kompostista että kompostista ilman näytettä, ja tällöin oletetaan, että kompostin orgaaninen aines molemmissa komposteissa (tausta) tuottaa yhtä paljon hiilidioksidia. Testin puutteeksi saattaa osoittautua kompostissa tai maassa esiintyvä "priming effect". Tällä tarkoitetaan materiaalin lisäämisen jälkeen esiintyvää epänormaalin suurita tai pientä hiilidioksidin muodostusta, minkä seurauksena testin tulosksena saatava biohajoavuus on virheellinen. Ligniinin hajotessa muodostuu enemmän humusta kuin hiilidioksidia, koska ligniini on humuksen tärkein lähtöaine. Näin ollen ligniiniä sisältävät paperituotteet saattavat testin mukaan vaikuttaa biologisesti hajoamattomilta. Valkolahosienet hajottivat 4-23% ligniinistä hiilidioksidiksi ja T. versicolor 29% PCP:sta. Kompostissa ligniini hajosi hiilidioksidiksi 58°C:ssa huomattavasti vähemmän (8%) kuin lämpötiloissa 35°C ja 50°C (23-24%). Kompostin todennäköisesti tärkeimpien ligniinin hajottajien, termofiilisten sienten, tyypillinen optimilämpötila on 45°C, eivätkä ne ole enää aktiivisia 58°C:ssa. Sekä maassa että kompostissa ligniini sitoutui kuitenkin suurimmaksi osaksi humukseen. Valkolahosienet hajottivat sekä humukseen sitoutunutta ligniiniä että PCP:ia, mutta kompostin sekapopulaatio ei tähän pystynyt, ja ligniiniä sitoutui humukseen yhä enemmän kompostoinnin aikana. T. versicolor hajotti PCP:ia tehokkaasti, eikä se tuottanut myrkyllisiä kloorianisoleja, joita jotkut valkolahosienet saattavat muodostaa kloorifenoleista. Priming effect ilmiötä tutkittiin eri ikäisissä ja kypsyydeltään erilaisissa komposteissa. Kompostit erosvat toisistaan myös hajoamattoman jätteen määrän ja mikrobipopulaation suhteen. Negatiivinen priming effect havaittiin kaikissa epästabiileissa komposteissa (ikä enintään 6 kk), ja sen lisäksi yhdessä näistä komposteista positiivinen priming effect kokeen lopussa. Stabiileissa komposteissa (ikä vähintään 6 kk) ilmiötä ei sen sijaan havaittu. Epästabiileissa komposteissa biohajoavuudelle saadut tulokset eivät siis ole luotettavia. Työn tulosten perusteella valkolahosienet, ja erityisesti T. versicolor, ovat lupaavia saastuneen maan puhdistukseen, joskin sienirihmaston mahdollisuudet säilyä aktiivisena maan alkuperäisen mikrobipopulaation kanssa täytyy vielä selvittää. Kompostin sekapopulaatio, joka ei sisällä valkolahosieniä, hajotti ligniiniä yllättävän tehokkaasti termofiilisille sienille sopivissa lämpötiloissa, vaikka ligniini sitoutuikin pääasiallisesti humukseen. Kompostin kypsyys osoittautui tärkeäksi tekijäksi kontrolloidun kompostitestin onnistumisen kannalta. Priming effect ilmiön välttämiseksi on varmistettava, että testissä käytetty komposti on riittävän kypsä. Kompostien mikrobipopulaation koostumusta kompostoinnin eri vaiheissa tulisi tarkemmin selvittää, koska stabiilien ja epästabiilien kompostien ero aiheutui todennäköisesti populaatioiden rakenteessa vallitsevista eroista. Näin myös priming effect ilmiön syyt voitaisiin selittää paremmin.