近日，国际学术期刊PLOS Genetics (Nature Index收录) 在线刊发了中国科学院海洋研究所海洋微生物生命过程及应用潜力研究组最新研究成果。该研究以海洋来源的Alternaria alternata FB1菌株为对象，揭示了其通过一种被称为“附着胞”的特殊细胞结构，实现对聚氨酯塑料高效降解的生物学机制。这一发现为理解微生物如何识别并转化合成聚合物材料提供了全新的理论视角。

聚氨酯是全球产量排名第六的合成高分子材料，广泛应用于建筑保温、医疗器械、汽车零部件和纺织面料等领域。然而，其化学结构稳定，自然降解极为困难。当前主流的填埋、焚烧和化学回收手段普遍存在能耗高、易产生二次污染等问题。利用微生物进行生物降解，被认为是处理聚氨酯废物的绿色替代方案。丝状真菌因具备丰富的胞外酶系和一定的机械穿透能力，在该领域展现出潜力，但真菌如何“感知”塑料表面、如何启动并协调降解过程，长期以来缺乏系统的分子层面的解释。

聚氨酯的主链由异氰酸酯和多元醇通过氨基甲酸酯键连接而成，根据多元醇类型可分为聚酯型与聚醚型两类。研究团队将两种聚氨酯薄膜置于真菌菌落表面，经过28天共培养后发现：聚酯型薄膜大部分已降解，仅余少量碎片；聚醚型薄膜虽未完全崩解，但表面变为褐色并形成密集微孔。进一步分析表明，聚酯型薄膜的数均分子量和重均分子量分别下降了37.91%和50.68%，热分解温度从419°C降至361°C，热稳定性显著降低。在降解产物中，研究团队检测到了丁二醇、4,4'-二氨基二苯甲烷及抗氧剂2246等单体化合物，证明真菌确实能够切断聚氨酯主链的化学键。

令人意外的是，在与聚醚型聚氨酯薄膜接触仅24小时后，塑料表面便出现了稀疏的微孔。通过电子显微镜观察，研究人员发现与薄膜接触的菌丝末端膨大，形成了类似植物病原真菌侵染植物时常见的附着胞结构。这些结构不仅牢固附着于塑料表面，还长出钉状菌丝直接穿透薄膜，形成直径约1至2微米的穿孔。转录组分析显示，接触聚氨酯表面6小时后，与信号传导、钙离子响应及细胞骨架重塑相关的基因显著上调，表明真菌并非被动应激，而是主动将塑料表面识别为一种发育信号，启动了一套有序的细胞分化程序。

图1 附着胞的形成与海洋真菌 A. alternata FB1降解聚氨酯塑料的过程密切相关

为进一步验证附着胞在降解过程中的核心作用，研究团队对三条关键信号通路（MAPK通路）的核心基因进行了敲除实验。结果显示，失去Pmk1基因的菌株完全无法形成附着胞，而Mps1基因缺失则导致附着胞形态异常，二者降解聚氨酯的能力均显著下降。当这些基因被重新导入后，附着胞的形成与降解活性均得到恢复。此外，敲除Osm1基因的菌株虽能正常形成附着胞，但塑料表面的氧化变色区域明显扩大，提示该基因可能负向调控氧化反应，防止过度氧化对菌体自身造成损伤。

研究还发现，底物的疏水性是触发附着胞分化的关键物理信号。在亲水表面上，菌丝形态正常，未见附着胞形成；而所有疏水基质均能诱导附着胞的产生。进一步对可能的疏水传感器进行筛选后发现，黏蛋白样蛋白Msb2在这一过程中起主导作用。当msb2基因被敲除后，真菌完全无法形成附着胞，聚氨酯降解能力也大幅削弱，表明Msb2是连接外部物理信号与内部发育反应的关键分子开关。

图2 黏蛋白样传感器Msb2介导的疏水感知在附着胞形成和聚氨酯塑料降解过程中起关键作用

通过对多个功能缺陷突变体的比较转录组分析，研究团队进一步锁定了附着胞形成和聚氨酯降解所必需的一组核心基因，这些基因涉及膜结构重塑、细胞骨架组织和钙信号维持。尤其是钙离子动态检测结果表明，野生型菌株在接触聚氨酯后会出现明显的钙离子内流，而突变体则无法实现这一响应，进一步印证了钙信号在早期感知与分化中的重要性。

基于上述发现，研究团队提出了一个力学－生物学耦合模型：真菌通过Msb2感知疏水表面，激活下游信号网络，驱动附着胞分化；附着胞通过黑色素加固细胞壁以产生机械穿透力，同时协同分泌多种水解酶和氧化酶，对聚氨酯进行物理穿刺与化学解聚；而Osm1则在其中发挥精细调控作用，平衡氧化降解的强度。

图3 海洋真菌 A. alternata FB1基于附着胞降解聚氨酯塑料过程推测模型

该研究明确提出，真菌附着胞不仅是侵染植物的工具，同样可以作为降解合成聚合物的“力学－生物学细胞器”。这一机制可能广泛存在于多种丝状真菌中，如Fusarium、Trichoderma和Colletotrichum等常见属种。研究成果不仅拓展了人们对真菌－塑料互作机理的认知，也为未来设计基于微生物的塑料回收工艺提供了新的思路和靶点。

中国科学院海洋研究所实验海洋生物学实验室博士研究生费凡（现已入职浙江省海洋科学院）为论文第一作者，孙超岷研究员为通讯作者。研究得到了山东省重点研发计划等项目资助。

相关论文：

Fan Fei, Zhenjie Su, Rui Liu, Rongrong Gao, Chaomin Sun*. Fungal appressoria as mechanochemical organelles for polyurethane degradation. PLOS Genetics, 2026, 22(8):e1012292. DOI: 10.1371/journal.pgen.1012292.

论文链接：

https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1012292