The wood-decaying white-rot fungi have the profound ability to completely degrade lignocelluloses and all wood components. These fungi and their enzymes have evolved to modify the various lignocellulose feedstocks in nature, and thereby, they are important organisms for bioconversions as well as in fundamental research on fungal biology. The enzymes have many potential applications in biotechnology and industrial purposes including bioenergy production. Evolutionary background of the fungal species and their organelles thus requires deeper understanding to aid in elucidating the relationship of the species to their lifestyles.
This PhD study concentrated on the white-rot fungal species Phlebia radiata, Finnish isolate number 79 (FBCC0043). The phylogenetic studies confirmed positioning of P. radiata species in the systematic class Agaricomycetes of Basidiomycota, and in the phlebioid clade of the order Polyporales. The sequenced and annotated mitochondrial genome of P. radiata was discovered to have features that indicate evolutionary pressure and structural diversity in fungal mitogenomes, not being as stable and compact entities than was previously believed. In this study, P. radiata together with species like Phlebia acerina and Phlebia brevispora was demonstrated to form a Phlebia sensu stricto group which consists of efficient producers of lignin-modifying enzymes. The results pinpointed that there is a species-level connection of fungal molecular systematics to the efficiency in the production of wood-decaying enzymes and activities.
Norway spruce (Picea abies) is a common tree species in the boreal forests providing an important source of biomass for forest-based industry. Therefore, P. radiata was cultivated on Norway spruce wood under conditions mimicking natural solid-wood colonization, up to six weeks of growth, and the dynamics of fungal enzyme production and gene expression was studied. The lignin-modifying class-II peroxidases (LiPs and various MnPs) were produced, especially in the beginning of fungal growth and colonization of wood, thus indicating the essence of class-II peroxidase as the primary enzymes to function against coniferous wood lignin. Moreover, these extracellular oxidoreductases enhance the accessibility of lignocellulose carbohydrates and thereby, they promote fungal growth in wood. Simultaneously, lytic polysaccharide monooxygenases and several CAZyme glycoside hydrolases attacking cellulose, hemicellulose and pectin were produced, which demonstrates ongoing depolymerization of the polysaccharides to monomers and oligomers. Electron microscopic examination of fungal-colonized wood after six weeks of growth indicated that the decay of wood cell walls was initiated at the tracheid lumen side apparently proceeding towards the middle lamellae. Furthermore, degradation of spruce wood lignin was detected by pyrolysis-GC/MS as decrease in the amount of phenylpropane units with concomitant increase in the number of smaller fragmented products from these lignin units.
Thus, the previously observed unique and strong ability of P. radiata to degrade wood lignin and lignin-like aromatic compounds was confirmed. According to the results of this PhD study, P. radiata produces the white-rot type of decay of wood components when growing on Norway spruce. This is due to the efficient ability of the fungus to express and produce a versatile enzyme repertoire for degradation of wood lignocellulose, and in consequence, to generate diverse reactions and bioconversions important for carbon cycling in the forest ecosystems.Valkolahoa tuottavat sienet hajottavat tehokkaasti lignoselluloosaa ja puuaineksen biopolymeerejä, kuten selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä. Valkolahottavat sienet ovat evoluution myötä kehittyneet tuottamaan erilaisia entsyymejä, jotka kykenevät muokkaamaan ja pilkkomaan monimutkaisia raaka-aineita. Tämän vuoksi valkolahottajat ovat kiinnostavia tutkimuskohteita niin teollisesti kuin perustutkimuksenkin näkökulmasta. Sienten tuottamia entsyymejä voidaan hyödyntää bioteknisissä ja teollisissa sovelluksissa, kuten biopolttoaineiden ja uusien biomateriaalien tuotannossa. Puunlahottajien ja niiden mitokondrioiden pitkän evoluutiohistorian selvittäminen on tärkeää, jotta sienilajien ja niiden elintapojen välisiä suhteita voidaan ymmärtää.
Tässä väitöskirjatutkimuksessa oli keskeisessä roolissa Suomesta eristetty rusorypykän (Phlebia radiata) sienikanta 79 (FBCC0043). Fylogeneettinen monigeenitarkastelu vahvisti rusorypykän ja lajin muiden edustajien kuuluvan kantasienten Agaricomycetes-luokan Polyporales-lahkoon, ja siinä edelleen niin kutsuttuun phlebioid-sukuryhmään. Rusorypykän mitokondrion genomin sekvensointi osoitti, että tumallisten eliöiden mitogenomit eivät ole niin vakaita ja yhteneviä yksikköjä kuin aikaisemmin on uskottu. Sienten mitogenomit ovat monimuotoisia ja jatkuvan evolutiivisen paineen alla. Laajempi Phlebia-suvun lajien ja isolaattien fylogeneettinen tutkimus osoitti, että rusorypykkä muodostaa yhdessä lajien Phlebia acerina ja P. brevispora kanssa Phlebia sensu stricto -ryhmän, jonka jäsenet tuottavat tehokkaasti ligniiniä hajottavia hapetus-pelkistysentsyymeitä. Tässä tutkimuksessa huomattiin myös, että molekyylisystematiikan perusteella arvioidut lajien väliset geneettiset suhteet ovat yhteydessä puuta sisältävällä alustalla tuotettaviin entsyymiaktiivisuuksiin ja lajien entsyymiprofiileihin.
Kuusi (metsäkuusi, Picea abies) on yksi pohjoisen havumetsävyöhykkeen tärkeimmistä raaka-aineista. Tästä syystä rusorypykän isolaattia 79 kasvatettiin kuusipuuaineksella sienirihmaston luonnollisia kasvuolosuhteita jäljittelevissä oloissa kuuden viikon ajan lahoentsyymien tuoton ja niitä koodaavien geenien ilmentymisen muutosten seuraamiseksi. Rusorypykkä tuotti ligniiniä muokkaavia hapetus-pelkistysentsyymeitä, kuten ligniini- ja mangaaniperoksidaaseja, runsaasti jo ensimmäisellä kasvuviikolla. Havainnot osoittivat näiden peroksidaasientsyymien tärkeyden havupuuligniinin hajotuksen alkuvaiheessa sekä merkityksen hiilihydraattipolymeerien saatavuuden ja sienirihmaston kasvun edistämisessä. Samanaikaisesti kun ligniiniä hajotettiin, rusorypykkä tuotti tasaisemmin lyyttisiä polysakkaridi-mono-oksygenaaseja sekä useita selluloosaa, hemiselluloosaa ja pektiiniä hajottavia glykosidihydrolaaseja, jotka pilkkovat hiilihydraattipolymeerejä helpommin hyödynnettäviksi mono- ja oligomeereiksi. Elektronimikroskopia osoitti, että kuusipuuaineksen hajotus alkoi puusolujen soluonteloista ja ilmeisesti eteni paksuihin puusoluseiniin ja kohti välilamelleja. Lisäksi massaspektrometrinen analyysi (pyrolyysi-GC/MS) osoitti, että ligniinin hajotusta oli tapahtunut kuuden viikon seuranta-aikana. Nämä havainnot vahvistavat aikaisempia tuloksia rusorypykän erinomaisesta kyvystä hajottaa puuainesta sekä muokata ja pilkkoa ligniiniä sekä ligniinin kaltaisia aromaattisia yhdisteitä. Tulosten perusteella voidaan todeta, että rusorypykkä P. radiata tuottaa valkolahottajille tyypillisen entsyymikirjon ja hyödyntää monipuolisia biokemiallisia reaktioita kierrättääkseen lignoselluloosan hiiltä kasvuympäristössään
