Brown-rot fungi such as Postia placenta are common inhabitants of forest ecosystems and are also largely responsible for the destructive decay of wooden structures. Rapid depolymerization of cellulose is a distinguishing feature of brown-rot, but the biochemical mechanisms and underlying genetics are poorly understood. Systematic examination of the P. placenta genome, transcriptome, and secretome revealed unique extracellular enzyme systems, including an unusual repertoire of extracellular glycoside hydrolases. Genes encoding exocellobiohydrolases and cellulose-binding domains, typical of cellulolytic microbes, are absent in this efficient cellulose-degrading fungus. When P. placenta was grown in medium containing cellulose as sole carbon source, transcripts corresponding to many hemicellulases and to a single putative β-1–4 endoglucanase were expressed at high levels relative to glucose-grown cultures. These transcript profiles were confirmed by direct identification of peptides by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Also up-regulated during growth on cellulose medium were putative iron reductases, quinone reductase, and structurally divergent oxidases potentially involved in extracellular generation of Fe(II) and H 2 O 2 . These observations are consistent with a biodegradative role for Fenton chemistry in which Fe(II) and H 2 O 2 react to form hydroxyl radicals, highly reactive oxidants capable of depolymerizing cellulose. The P. placenta genome resources provide unparalleled opportunities for investigating such unusual mechanisms of cellulose conversion. More broadly, the genome offers insight into the diversification of lignocellulose degrading mechanisms in fungi. Comparisons with the closely related white-rot fungus Phanerochaete chrysosporium support an evolutionary shift from white-rot to brown-rot during which the capacity for efficient depolymerization of lignin was lost.

Efficient lignin depolymerization is unique to the wood decay basidiomycetes, collectively referred to as white rot fungi. Phanerochaete chrysosporium simultaneously degrades lignin and cellulose, whereas the closely related species, Ceriporiopsis subvermispora, also depolymerizes lignin but may do so with relatively little cellulose degradation. To investigate the basis for selective ligninolysis, we conducted comparative genome analysis of C. subvermispora and P. chrysosporium . Genes encoding manganese peroxidase numbered 13 and five in C. subvermispora and P. chrysosporium , respectively. In addition, the C. subvermispora genome contains at least seven genes predicted to encode laccases, whereas the P. chrysosporium genome contains none. We also observed expansion of the number of C. subvermispora desaturase-encoding genes putatively involved in lipid metabolism. Microarray-based transcriptome analysis showed substantial up-regulation of several desaturase and MnP genes in wood-containing medium. MS identified MnP proteins in C. subvermispora culture filtrates, but none in P. chrysosporium cultures. These results support the importance of MnP and a lignin degradation mechanism whereby cleavage of the dominant nonphenolic structures is mediated by lipid peroxidation products. Two C. subvermispora genes were predicted to encode peroxidases structurally similar to P. chrysosporium lignin peroxidase and, following heterologous expression in Escherichia coli , the enzymes were shown to oxidize high redox potential substrates, but not Mn 2+ . Apart from oxidative lignin degradation, we also examined cellulolytic and hemicellulolytic systems in both fungi. In summary, the C. subvermispora genetic inventory and expression patterns exhibit increased oxidoreductase potential and diminished cellulolytic capability relative to P. chrysosporium .

Wood of broad-leaf tree species is a valued source of renewable biomass for biorefinery and a target for genetic improvement efforts to reduce its recalcitrance. Glucuronoxylan (GX) plays a key role in recalcitrance through its interactions with cellulose and lignin. To reduce recalcitrance, we modified wood GX by expressing GH10 and GH11 endoxylanases from Aspergillus nidulans in hybrid aspen (Populus tremula L. x tremuloides Michx.) and targeting the enzymes to cell wall. The xylanases reduced tree height, modified cambial activity by increasing phloem and reducing xylem production, and reduced secondary wall deposition. Xylan molecular weight was decreased, and the spacing between acetyl and MeGlcA side chains was reduced in transgenic lines. The transgenic trees produced hypolignified xylem having thin secondary walls and deformed vessels. Glucose yields of enzymatic saccharification without pretreatment almost doubled indicating decreased recalcitrance. The transcriptomics, hormonomics and metabolomics data provided evidence for activation of cytokinin and ethylene signaling pathways, decrease in ABA levels, transcriptional suppression of lignification and a subset of secondary wall biosynthetic program, including xylan glucuronidation and acetylation machinery. Several candidate genes for perception of impairment in xylan integrity were detected. These candidates could provide a new target for uncoupling negative growth effects from reduced recalcitrance. In conclusion, our study supports the hypothesis that xylan modification generates intrinsic signals and evokes novel pathways regulating tree growth and secondary wall biosynthesis.

Amplicon sequencing data and operating data from anaerobic wastewater treatment plants from three Canadian pulp and paper mills were explored using correlation and network modularization approaches to study the microbial community organization and identify relationships between organisms and operating conditions. Each of the digesters contains two or three modules, or functional units, consisting of organisms that cover all trophic stages of anaerobic digestion. The modules function independently from each other, and their relative abundance changes in response to changing operating conditions. The modules show antagonistic responses, with one module associated with stable operation and another module linked to periods of environmental stress. Operating parameters correlated to module abundance include sulfide concentration in the digester influent and biogas sulfide flow rate as well as anaerobic treatment performance metrics such as COD removal efficiency and volatile fatty acid-to-alkalinity ratio. Elevated sulfide levels notably impact the microbial community composition and the anaerobic treatment performance and seem to be the primary driver of process inhibition. The time delay between a change in digester operation and a change in the abundance of microorganisms was investigated using time-lagged operating parameters. This time delay ranged between 2 and 4 days and is likely influenced by the growth rates of the anaerobic microorganisms and the digester hydraulic retention time. The application of lagged parameters appeared to be necessary for identifying numerous correlations that would otherwise have remained undetected. This is because correlations with operating parameters without a time lag tend to be smaller and are often not significant. Digester upsets due to plant shutdown periods and organic overload caused a drastic increase in acetoclastic methanogenesis and the population of acidogenic fermenters and syntrophic acid degraders. In response to impaired process conditions, the same Methanothrix amplicon sequence variants (ASVs) dominated methanogenesis in the digesters of all three mills, with its maximum relative abundance within the archaeal population reaching 68 at mill A, 58 at mill B, and 27% at mill C. The common characteristics of the organisms represented by this ASV should be further investigated for their role in alleviating the impact of digester upset conditions. Across all three mills, biogas production predominantly relied on acetoclastic methanogenesis. Methanothrix were the most abundant methanogenic ASVs, accounting for on average 63% of all archaea in mill A, 52% in mill B, and 73% in mill C over the investigation period. Also, each reactor contained at least three ASVs of high abundance from the archaeal class Bathyarchaeia. The presence of Bathyarchaeia, ranging from 10 to 20% of the total archaeal community in all digesters, may be associated with the higher lignin content present in the mill wastewater.

Abstract Amplicon sequencing data and operating data from anaerobic wastewater treatment plants from three Canadian pulp and paper mills were explored using correlation and network modularization approaches to study the microbial community organization and identify relationships between organisms and operating conditions. Each of the digesters contain two or three modules consisting of organisms that cover all trophic stages of anaerobic digestion. These modules are functioning independently from each other, and their relative abundance changes in response to varying operating conditions. The time delay between a change in digester operation and the change in the abundance of microorganisms was investigated using time-lagged operating parameters. This time delay ranged between two to four days and is likely influenced by the growth rates of the anaerobic microorganisms and the digester hydraulic retention time. Digester upsets due to plant shutdown periods and organic overload caused a drastic increase in the population of acetoclastic methanogens, acidogenic fermenters, and syntrophic acid degraders. As a response to impaired process conditions, the same Methanothrix amplicon sequence variant (ASV) dominated methanogenesis in the digesters of all three mills. The common characteristics of the organisms represented by this ASV should be further investigated for their role in alleviating the impact of digester upset conditions. Abstract Figure

Abstract The unique surface properties of grafted polydimethylsiloxane (PDMS) chains, particularly their omniphobicity and low friction, are influenced by molecular structure and tethering density. Despite molecularly smoothness and homogeneity, these surfaces exhibit significant variability in wettability and contact angle hysteresis (CAH). This work uncovers the molecular structure of grafted PDMS chains. Grafted PDMS chains synthesized using a difunctional chlorosilane initiator, which exhibits CAH <2° on silicon wafers, adopt a brush‐to‐mushroom conformation with a molecular weight ≈7,800 g mol −1 , a grafting density of 0.22 ± 0.4 chains nm −2 , and a thickness of ≈3 nm. Each PDMS chain terminates with a silanol group, and ≈96% of substrate silanols remain unreacted. The presence of these terminal silanols is confirmed with time‐of‐flight secondary ion mass spectroscopy, as is their removal when exchanged for trimethylsilyl groups, both on the substrate and terminating the PDMS chains. Quartz crystal microbalance with dissipation measurements show that this “capping” procedure exchanges ≈1.5 silanols nm −2 ; capping occurs at the substrate and PDMS chain end. The findings suggest that grafted, capped PDMS chains of this molecular weight are able to achieve excellent omniphobic properties even when the majority of surface silanols remain unreacted, which may aid in the design of future omniphobic materials.

Abstract Using microbial enzymes in transgenesis is a powerful means to introduce new functionalities in plants. Glucuronoyl esterase (GCE) is a microbial enzyme hydrolyzing the ester bond between lignin and 4- O -methyl-α-D-glucuronic acid present as a side chain of glucuronoxylan. This bond mediates lignin-carbohydrate complex (LCC) formation, considered as crucial factor of lignocellulose recalcitrance to saccharification. Previous studies showed that hybrid aspen ( Populus tremula L. x tremuloides Michx.) constitutively expressing Phanerochaete carnosa Burt GCE ( Pc GCE) had better efficiency of cellulose-to-glucose conversion but were stunned and had lower cellulose content indicating that more studies are needed to design strategy for deployment of this enzyme in planta . Here we report that the transgenic plants exhibit premature leaf senescence, increased accumulation of calcium oxalate crystals, tyloses and necrotic lesions and have strongly activated immune defense reactions as revealed by their altered profiles of transcriptomes, metabolomes and hormones in the leaves. To elucidate if these effects are triggered by damage-associated molecular patterns (DAMPs) or by Pc GCE protein perceived as a pathogen-associated molecular pattern (PAMP), we ectopically expressed in aspen an enzymatically inactive Pc GCE S217A . The mutated Pc GCE induced similar growth retardation, leaf necrosis and premature senescence as the active one, providing evidence that Pc GCE protein is recognized as PAMP. Transcriptomics analysis of young expanding leaves of 35S:PcGCE plants identified several candidates for receptors of Pc GCE, which were not expressed in developing wood tissues. Grafting experiments showed that Pc GCE transcripts are not cell-to-cell mobile and that PcGCE expressing leaves augment systemic responses. In agreement, expressing Pc GCE in developing wood by using the wood-specific promoter (WP), avoided all off-target effects. Moreover, WP:PcGCE lines grew better than control plants providing evidence that this strategy can be used in transgenic crops dedicated for biorefinery.

Abstract Microbial expansin-related proteins are ubiquitous across bacterial and fungal organisms, and reportedly play a role in the modification and deconstruction of cell wall polysaccharides including lignocellulose. So far, very few microbial expansin related proteins, including loosenins and loosenin-like (LOOL) proteins, have been functionally characterized. Herein, four LOOLs encoded by Phanerochaete carnosa and belonging to different subfamilies (i.e., PcaLOOL7 and PcaLOOL9 from subfamily A; PcaLOOL2 and PcaLOOL12 from subfamily B) were recombinantly produced and the purified proteins were characterized using diverse cellulose and chitin substrates. Whereas all of the purified PcaLOOLs weakened cellulose filter paper and cellulose nanofibril networks (CNF), none significantly boosted cellulase activity on the selected cellulose substrates (Avicel and Whatman paper). Binding of PcaLOOLs to alpha-chitin was higher than to cellulose (Avicel), and highest at pH 5.0. Notably, whereas PcaLOOL9 reduced the yield strain of chitin nanofibrils (ChNF) in a protein-dose dependent manner, the reverse pattern was observed for PcaLOOL7 despite belonging to the same LOOL subfamily. The current study reveals the potential of microbial expansin-related proteins to impact both cellulose and chitin networks, and provides further evidence pointing to a non-lytic mode of action.

Carbonyl cross-linkers are used to modify textiles and form resins, and are produced annually in megatonne volumes. Due to their toxicity toward the environment and human health, however, less harmful biobased alternatives are needed. This study introduces carbonyl groups to lactose and galactose using galactose oxidase from Fusarium graminearum (FgrGalOx) and pyranose dehydrogenase from Agaricus bisporus (AbPDH1) to produce four cross-linkers. Differential scanning calorimetry was used to compare cross-linker reactivity, most notably resulting in a 34 °C decrease in reaction peak temperature (72 °C) for FgrGalOx-oxidized galactose compared to unmodified galactose. Attenuated total reflectance Fourier-transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopy were used to verify imine formation and amine and aldehyde depletion. Cross-linkers were shown to form gels when mixed with polyallylamine, with FgrGalOx-oxidized lactose forming gels more effectively than all other cross-linkers, including glutaraldehyde. Further development of carbohydrate cross-linker technologies could lead to their adoption in various applications, including in adhesives, resins, and textiles.