微生物對植物化學成分的影響研究進展*

張祺玲，謝丙炎，譚周進，申可佳

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學生物安全科學技術學院，湖南 長沙 410128； 2.中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，北京 100086；3.湖南中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院，湖南 長沙 410208）

微生物對植物化學成分的影響研究進展*

張祺玲1，謝丙炎2，譚周進3，申可佳3

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學生物安全科學技術學院，湖南 長沙 410128； 2.中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，北京 100086；3.湖南中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院，湖南 長沙 410208）

微生物在整個生命科學中占有舉足輕重的地位，對人類具有極為重大的影響，如何讓植物資源能最有效地被利用也是廣泛關注的問題。該文從多個方面就微生物對植物化學成分的影響進行了介紹。

內(nèi)生菌；微生物轉(zhuǎn)化；降解；腸道微生物

Abstract：The microorganism occupies the pivotal status in the entire life sciences and has the extremely significant influence on the human.How to enable the plant resources to be used most effectively is also the widespread matter of concern.In this paper，the effects of microbes to plant chemical compositions are introduced in many respects.

Key words：endophyte；microbial transformation；degradation；gut microbes

微生物具有其他生物不具備的生物學特性及多樣性，在整個生命科學中占有舉足輕重的地位。植物作為生物鏈中的生產(chǎn)者，各種化學成分均被人類利用，但畢竟植物資源有限，如何讓其能最有效地被利用備受關注。因此，關于微生物與植物化學成分關系的科學研究越來越多，在此主要就微生物對植物化學成分的影響進行了闡述。

1 微生物在植物化學成分合成中的作用

植物體內(nèi)存在許多腐生、寄生和共生的微生物，此類細菌和真菌統(tǒng)稱為內(nèi)生菌。在地球上近30萬植物種類中，每一個種類至少是1個內(nèi)生菌的宿主[1]。內(nèi)生菌可以增強植物的固氮作用，促進植物的生長作用，增強植物對病蟲害的抵抗能力[2-3]。內(nèi)生菌的所有生物學活性都涉及植物化學成分的改變。

1）內(nèi)生菌對植物化學成分合成含量的影響

大量內(nèi)生菌具有合成生長素和類生長素物質(zhì)的能力，許多微生物可以合成1種以上的生長素。張集慧等[4]從蘭科藥用植物中分離出5種內(nèi)生真菌，提取出的5種植物激素(赤霉素、吲哚乙酸、脫落酸、玉米素、玉米核苷)能增加植物體內(nèi)生長激素的含量，影響植物生長[4]。Dobereiner J[5]在墨西哥分離到的18株重氮營養(yǎng)醋桿菌都能產(chǎn)生生長素，表明重氮營養(yǎng)醋桿菌不僅增強植物的固氮作用，而且可促進植物生長。陳世蘋等[6]研究了在干旱脅迫和滲透脅迫條件下感染內(nèi)生真菌的黑麥草中反映水分脅迫的脯氨酸含量的變化，結果顯示前期至中期高感染種群葉片游離脯氨酸含量低于低感染種群，而在末期則有高出低感染種群的趨勢。

2）內(nèi)生菌對植物化學成分活性的影響

大量研究表明，內(nèi)生菌侵染與未侵染植物對植物防御性酶的活性有不同的影響。劉冰江等[7]發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌可誘導棉花根內(nèi)苯丙氨酸解氨酶(PAL)、幾丁質(zhì)酶、β-1，3-葡聚糖酶、過氧化物酶(POD)等酶的合成，提高了這些防御性酶的活性。任安芝等[8]發(fā)現(xiàn)，內(nèi)生真菌的感染使得宿主黑麥草在干旱脅迫反應下POD及超氧化物歧化酶（SOD）等酶的活力迅速升高。王志勇等[9]發(fā)現(xiàn)，內(nèi)生真菌激發(fā)了高羊茅β-1，3-葡聚糖酶、苯丙氨酸解氨酶等防御酶的活性。胡桂馨等[10]發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫過程中，內(nèi)生菌侵染的高羊茅莖、葉中過氧化氫酶(CAT)的活性均顯著高于未侵染的高羊茅植株CAT的活性，莖中的變化差異極顯著，但內(nèi)生菌侵染的高羊茅植株的POD酶活性顯著低于未侵染高羊茅植株。

2 微生物轉(zhuǎn)化對植物成分化學結構的影響

微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物代謝過程中產(chǎn)生的酶使底物進行有機反應，故又稱微生物酶法轉(zhuǎn)化[11]。其本質(zhì)就是某種微生物將一種物質(zhì)(底物)轉(zhuǎn)化成為另一種物質(zhì)(產(chǎn)物)的過程[12]。微生物轉(zhuǎn)化可利用完整的微生物細胞或從微生物細胞中提取的酶作為生物催化劑，其區(qū)域和立體選擇性強、反應條件溫和、操作簡便、成本較低、公害少，且能完成一些有機化學合成難以進行的反應，以主要涉及羥基化、環(huán)氧化、脫氫、氫化等氧化還原反應以及水解、水合、酯化、酯基轉(zhuǎn)移、酯化、胺化、脫水、異構化、芳構化等各類化學反應[13]。通常能進行生物轉(zhuǎn)化的微生物主要有曲霉屬、根霉屬、毛霉屬、紅曲霉菌屬等霉菌[14]。微生物轉(zhuǎn)化對植物成分化學結構具有明顯的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個主面。

1）增強植物化學成分的活性

由于微生物種類繁多、繁殖快，故微生物轉(zhuǎn)化常被用來對植物化學成分的結構進行修飾，從而產(chǎn)生更多有用的化學物質(zhì)。苷是由糖或糖衍生物的半縮醛羥基與另一非糖物質(zhì)中的羥基以縮醛鍵脫水縮合而成的環(huán)狀縮醛衍生物，水解后能生成糖與非糖化合物，非糖部分稱為苷元。需將苷類成分轉(zhuǎn)化為苷元才能提高其活性[15]。如甘草皂苷是甘草中主要的生理活性成分，其基本結構是由1個齊墩果烷型五環(huán)三萜在第3位連接2分子的葡萄糖醛酸構成的。米曲霉39和黑曲霉UV-4都能被甘草皂苷誘導出較高活力的甘草皂苷水解酶，而使自身失去2分子糖基得到甘草皂苷元，使某些生理活性增強[16]。喜樹堿(CPT)及其類似物具有顯著的抗癌活性，10-羥基喜樹堿是CPT類似物中活性最高的一種[17]，但自然界植物中10-羥基喜樹堿含量很少。朱殿生等[18]用毛霉和禾谷鐮刀菌對CPT進行生物轉(zhuǎn)化，得到了10-羥基喜樹堿等CPT類衍生物。植物甾醇的結構特點決定其可以作為甾體激素藥物半合成的原料。諾卡氏菌、分枝桿菌、節(jié)桿菌和假單胞桿菌等微生物都能將甾醇類化合物作為碳源利用，使甾醇C-17位長鏈斷裂得到的C-17酮化合物中，以雄甾-4-烯-3，17-二酮(簡稱 4-AD)和雄甾 -1，4-二烯 -3，17-二酮 (簡稱 ADD)最重要[19]。雄甾4-AD是甾體激素類藥物不可替代的中間體，對機體起著非常重要的生理調(diào)節(jié)作用[20]。

2）降低植物化學成分的活性

青蒿素是1972年我國學者從傳統(tǒng)中藥青蒿中分離出的一種高效、低毒、對腦型和抗氯喹惡性瘧疾有特殊療效的抗瘧藥物，用華根霉和雅致小克銀漢霉青蒿素進行轉(zhuǎn)化分離出了去氧青蒿素、3α-羥基去氧青蒿素和9β-羥基青蒿素3個產(chǎn)物[21]。30位、9位羥基化引起的結構改變均使青蒿素體外抗瘧原蟲活性有一定程度的減弱，過氧橋的斷裂同樣使該活性降低[22]。

3）對植物化學成分的減毒作用

雷公藤在傳統(tǒng)中藥中用于治療多種疾病，包括風濕性關節(jié)炎、腎炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡和皮膚病，也應用于男性節(jié)育，從其中分離到的雷公藤內(nèi)酯是主要活性成分，但由于其劇烈的毒性而使應用受限。用短刺小克銀漢霉 Cunninghamella blakesleana AS 3.970對雷公藤內(nèi)酯進行微生物轉(zhuǎn)化，得到了7個產(chǎn)物，其中4個為新化合物，且都具有對人腫瘤細胞株的細胞毒效應[23]，從而降低了雷公藤內(nèi)酯的毒性。

3 微生物對植物化學成分的降解作用

因植物的有些化學成分如木質(zhì)纖維素等難以降解而未能得到有效利用。微生物降解木質(zhì)素的過程是一種非特異的氧化過程，主要依靠微生物產(chǎn)生的胞外酶進行[24]。研究較多的能降解木質(zhì)纖維素的微生物有白腐菌、褐腐菌和軟腐菌等[25]。白腐菌對木質(zhì)纖維素的降解具有一定的先后順序和選擇性，先降解半纖維素和木質(zhì)素，再同時降解半纖維素、纖維素和木質(zhì)素；從降解比例來看，白腐菌對半纖維素和木質(zhì)素具有很好的降解優(yōu)勢和降解選擇性[26]。在降解過程中，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等大分子物質(zhì)首先被氧化裂解，具有苯環(huán)等環(huán)狀結構的化合物逐漸被氧化裂解而成鏈狀化合物，羥基、亞甲基基團及羧基數(shù)量不斷增加，半纖維素和纖維素被降解成小分子酸類（如葡萄糖酸類、乳酸等）或酯類（葡萄糖酯類等）而被白腐菌直接利用[27]。陳耀寧等[28]篩選的組合菌株對植物生物質(zhì)的生物降解效果均優(yōu)于單獨降解的效果。

尼古丁是多種煙草中的主要生物堿，也是煙葉和卷煙的主要有害成分之一，還是煙葉和煙氣中主要致癌成分亞硝胺(TSNA)的重要前體物。煙草中尼古丁大部分是以有機酸鹽的狀態(tài)存在，也有少量以自由狀態(tài)存在，化學性質(zhì)較穩(wěn)定，不易自然降解。在微生物代謝尼古丁途徑的研究中，噬尼古丁節(jié)桿菌降解尼古丁的代謝途徑研究得比較清楚[29]：尼古丁在尼古丁脫氫酶作用下轉(zhuǎn)化為6-羥基尼古丁；后者在6-羥基尼古丁氧化酶作用下氧化為6-羥基-N-甲基麥斯明，再進一步水解為[6-羥基吡啶基-(3)]-甲胺丙基酮，不需酶催化；該產(chǎn)物在酮脫氫酶作用下轉(zhuǎn)化為[2，6-二羥基吡啶基-(3)]-甲胺丙基酮，在未知酶作用下轉(zhuǎn)化為2，6-二羥基吡啶和4-甲胺基丁酸；2，6-二羥基吡啶在2，6-二羥基吡啶-3-羥化酶作用下轉(zhuǎn)化為2，3，6-三羥基吡啶，然后轉(zhuǎn)化為多種有機酸和藍色素。微生物對尼古丁的降解能力不是種的特征，而與菌株有關[30]。

4 腸道微生物對植物化學成分的影響

人體腸道內(nèi)寄生有大量的微生物，其中擬桿菌、鏈狀細菌、消化鏈球菌、螺菌屬等專性厭氧菌及乳酸菌、雙歧桿菌占優(yōu)勢。許多中草藥的活性物質(zhì)進入體內(nèi)后，是在腸道微生物的作用下產(chǎn)生生理活性。如芍藥苷經(jīng)腸道菌群作用后產(chǎn)生4種新的代謝產(chǎn)物，厭氧消化鏈球菌對其作用最強[31]；人參皂苷Rb1經(jīng)腸道菌作用后轉(zhuǎn)化為人參皂苷Rd，再經(jīng)人參皂苷F2向化合物K轉(zhuǎn)化時糖鏈斷裂，最終形成代謝產(chǎn)物20(S)-原人參二醇[32]；烏頭堿是有毒中藥烏頭中的主要成分，經(jīng)腸道菌群作用后代謝為脂烏頭堿而使毒性減弱，其中包括8-O-油酰苯甲烏頭原堿(OBA)和8-O-十六酰苯甲烏頭原堿(PBA)[33]。

5 展望

利用微生物對植物化學成分進行修飾及降解，以提高活性、降低毒性從而增加其利用率，直接影響到植物資源的利用問題。內(nèi)生菌對植物活性成分的影響則能讓我們能更好地了解微生物與植物之間的微妙關系，對于能影響植物活性成分的優(yōu)良菌株的發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮螅M合菌株的篩選也是一個發(fā)展方向。

[1]Strobel GA.Endophytes as sources of bioactive products[J].Microbes Infect，2003，5：535-544.

[2]郭良棟.內(nèi)生真菌研究進展[J].菌物系統(tǒng)，2001，20(1)：148-152.

[3]楊海蓮，孫曉潞，宋 未.植物內(nèi)生細菌的研究[J].微生物學通報，1998，25(4)：224-227.

[4]張集慧，郭順星.蘭科藥用植物的5種內(nèi)生真菌產(chǎn)生的植物激素[J].中國醫(yī)學科學院學報，1999，21(6)：460-465.

[5]Dobereiner J.History and new perspectives of diazotrophs in association with nonleguminous plants[J].Symbiosis，1992，13：1-13.

[6]陳世蘋，高玉葆.水分脅迫下內(nèi)生真菌感染對黑麥草葉內(nèi)游離脯氨酸和脫落酸含量的影響[J].生態(tài)學報，2001，21(12)：1 964-1 972.

[7]劉冰江，李 敏，劉潤進.AM真菌對棉花根內(nèi)防御性酶活性的影響[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版)，2005，33(B08)：73-78.

[8]任安芝，高玉葆，陳 悅.干旱脅迫下內(nèi)生真菌感染對黑麥草葉內(nèi)幾種同工酶的影響[J].生態(tài)學報，2004，24(7)：1 323-1 328.

[9]王志勇，江淑平.內(nèi)生真菌對高羊茅葉內(nèi)防御酶活性的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2007，35(2)：361-362，365.

[10]胡桂馨，王代軍.干旱脅迫下內(nèi)生真菌對高羊茅保護酶活性的影響[J].草原與草坪，2001(1)：28-31.

[11]趙丙勇，楊永紅，王 東，等.生物轉(zhuǎn)化及其在藥物合成上的應用[J].云南農(nóng)業(yè)大學學報，2006，21(6)：765-769.

[12]陳代杰，朱寶泉.微生物轉(zhuǎn)化技術在現(xiàn)代醫(yī)藥工業(yè)中的應用[J].中國抗生素雜志，2006，31(2)：112-118.

[13]何文勝.微生物轉(zhuǎn)化在中草藥生產(chǎn)中的應用研究[J].海峽藥學，2006，18(4)：191-194.

[14]崔 宇，姜彬慧，韓 穎，等.微生物對人參果總皂苷中人參皂苷化合物K的轉(zhuǎn)化作用[J].中草藥，2007，38(2)：189-193.

[15]徐萌萌，王建芳，徐 春，等.微生物轉(zhuǎn)化苷類中藥的機理及應用[J].世界科學技術：中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2006，8(2)：24-27.

[16]吳少杰，楊志娟，朱麗華，等.甘草皂苷生物轉(zhuǎn)化的研究[J].中草藥，2003，34(6)：516-518.

[17]WEN Yi.Determination of camptothecin and 10-hydroxycamptothecin in human plasma using polymer monolithic in-tube solid phase microextraction combined with high-performance liquid chromatography[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry，2005，382(1)：204-210.

[18]朱殿生，張 彧，于 營，等.喜樹堿生物轉(zhuǎn)化優(yōu)良菌株的篩選及其轉(zhuǎn)化條件初步研究[J].大連輕工業(yè)學院學報，2007，26(1)：18-20.

[19]張裕卿，王東青.植物甾醇微生物轉(zhuǎn)化制備甾體藥物中間體的研究進展[J].微生物學通報，2006，33(2)：142-146.

[20]楊 英，姜紹通.微生物降解甾醇側(cè)鏈轉(zhuǎn)化雄甾-4-烯-3，17-二酮的研究進展[J].微生物學通報，2006，33(6)：142-145.

[21]ZHAN Ji-xun.Biotransformation of artemisinin by fermentation of Rhizopus chinensis and Cunninghamella elegans[J].Chinese Traditional and Herbal Drugs，2002，33(10)：869-872.

[22]占紀勛，魏秋芬.四個青蒿素生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物抗體外培養(yǎng)惡性瘧原蟲活性研究[J].中國熱帶醫(yī)學，2003，3(1)：17-18.

[23]NINGLili.BiotransformationoftriptolidebyCunninghamellablakesleana[J].Tetrahedron，2003，59(23)：4 209-4 213.

[24]楊曉宸，盧雪梅，黃 峰.木質(zhì)纖維素微生物轉(zhuǎn)化機理研究進展[J].纖維素科學與技術，2007，15(1)：52-58.

[25]Breen A.Fungi in lignocellulose breakdown and biopulping[J].Curr Opinion Biotechnol，1999，53：252-258.

[26]王宏勛，杜甫佑，張曉昱.白腐菌選擇性降解秸稈木質(zhì)纖維素研究[J].華中科技大學學報(自然科學版)，2006，34(3)：97-100.

[27]杜甫佑，張曉昱，王宏勛，等.白腐菌降解木質(zhì)纖維素順序規(guī)律的研究[J].纖維素科學與技術，2005，13(1)：17-25.

[28]陳耀寧，曾光明，郁紅燕，等.植物生物質(zhì)生物降解組合菌株的篩選研究[J].生物技術通報，2006(C00)：500-503.

[29]席 宇.微生物降解尼古丁的研究與應用進展[J].河南農(nóng)業(yè)科學，2007(3)：9-13.

[30]Uchida S.Conversion of nicotine into nornicotine and N-methylmyosmine by fungi.Agric[J].Biol Chem，1983，47(9)：1 949-1 953，1 983.

[31]Hattori M.Metabolism of Paeoniflorin and Related Compounds by Human Intestinal Bacteria[J].Chem Pharm Bull，1 985，33(9)：3 838.

[32]Hasegawa H.Main Ginseng Saponin Metabolites Formed by Intestinal Bacteria[J].Plant Med，1996，62(5)：453.

[33]Kawata Y.Conversion of Aconitine to Lipoaconitine by Human Intestinal Bacteria and their Antinociceptive Effects in Mice[J].J Tradit Med，1999，16(1)：15.

Advance in effects of microbe on plant chemical composition

Zhang Qiling1，Xie Bingyan2，Tan Zhoujin3，Shen Kejia3
(1.School of Biology Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan，China 410128； 2.Institute of Vegetable and Flower，China Academy of Agricultural Science，Beijing，China 100086；3.School of Preclinical Medicine，Hunan University of TCM，Changsha，Hunan，China 410208)

S567

A

1006－4931(2010）02－0017－03

張祺玲（1986-），女，碩士研究生，主要研究方向為微生物資源開發(fā)利用，（電子信箱）xiebingyan2003@yahoo.com。

2009－08－16）

*國家科技部支撐計劃課題，項目編號：2006BAD08A08。