植物內生菌次生代謝產物活性多樣性及其應用前景

馬蓮菊, 王金緣, 張韞璐, 姚展鵬, 趙 潁, 何美婧, 柳福丹, 韓媛媛

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

植物內生菌次生代謝產物活性多樣性及其應用前景

馬蓮菊, 王金緣, 張韞璐, 姚展鵬, 趙 潁, 何美婧, 柳福丹, 韓媛媛

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

植物內生菌(endophyte)包括內生真菌、內生細菌和放線菌,是一類新型微生物資源,在農業和醫藥業上有潛在應用價值。植物內生菌次生代謝產物具有豐富的化學結構多樣性和廣泛的生物活性,能夠促進植物生長,提高植物對生物脅迫和非生物脅迫抗性等。從植物內生菌的種類及具有各種生物活性的植物內生菌次生代謝產物方面進行了介紹,并對他們在殺蟲、抗菌、抗腫瘤等生物脅迫和在促進土壤修復、促進植物生長、抗氧化、抗滲透等非生物脅迫中的作用進行了闡述,分析了內生菌次生代謝產物在研究中存在的問題以及對這些植物內生菌次生代謝產物的應用前景和潛在價值進行了探討。

植物內生菌; 次生代謝產物; 生物活性物質; 多樣性

植物內生菌可以定義為那些在其生活史的一定階段或全部階段生活于健康植物的各種組織、器官內部的真菌或細菌,被感染的宿主植物( 至少是暫時) 不表現出明顯的癥狀[1]。植物內生菌是植物微生態系統中必不可少的一部分,具有分布廣,種類多的特點,在演化過程中與寄主植物和睦相處,形成一種互利共生的和諧關系。宿主植物在感染內生菌時比沒有感染內生菌更具生存競爭力,比如生長速度快,抗逆境、抗病害、抗動物危害能力強等。研究表明植物內生菌次生代謝產物在發揮這些作用時起了重要作用。植物內生菌產生的次生代謝產物十分豐富,并且具有多種生物活性,在農業和醫藥業中的應用潛力巨大。

1 植物內生菌種類

植物內生菌包括內生細菌、內生真菌和放線菌。

1.1 內生真菌

植物內生真菌包括核菌綱(Pyrenomycetes)、盤菌綱(Discomycetes)和腔菌綱(Loculoascomycetes)的許多種類以及它們的一些衍生菌。內生真菌象鐮刀菌屬、芽枝霉屬、交鏈孢屬、根霉屬、毛殼菌屬、青霉屬、曲霉菌屬、向基孢屬、盤多毛孢屬、頭孢霉屬、枝頂孢屬等在藥用植物中皆有分布[2]。除藥用植物外,內生真菌也大量存在于禾本科植物中。

1.2 內生細菌

目前已從多種作物根組織中分離得到的內生細菌種類有219種,分別屬于71屬,以假單孢菌屬、芽孢桿菌屬最常見[3]。楊海蓮等[4]從水稻中分離出了既具有固氮活性,又對水稻稻瘟病和紋枯病有較好防治能力的內生細菌陰溝腸桿菌MR12(Enterobactercloacae)。何紅等[5]從辣椒中分離出1株內生枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis),分泌的抗菌多肽對多種植物病原真菌和細菌如植物炭疽病菌和番茄青枯病菌等都有較強的抑制作用。

1.3 內生放線菌

植物內生放線菌是一個巨大的抗生素來源庫,目前卻被開發的很少。內生放線菌主要是絲狀放線菌和鏈霉菌屬。澳大利亞的Coombs研發小組從小麥根部分離出60多株放線菌,可以將小麥全蝕病的菌株降低到原來的30%[6]。Pullen等從衛矛科植物中分離出1株內生鏈霉菌,產生的chloropyrrol抗生素能夠抑制多種耐藥性細菌和分枝桿菌活性[7]。

2 植物內生菌次生代謝產物活性多樣性及其作用

植物內生菌產生的次生代謝產物對植物的生長及抗逆性等方面也起到很大作用。植物內生菌主要通過2種途徑來促進活性成分的產生和積累,包括自身產生植物所需要的活性成分以及刺激植物產生一些活性成分[8]。研究發現內生菌除了產生與宿主相同或者相似的化合物外,還產生醌類、萜類、異香豆素、生物堿類、甾體、苯并呋喃類和多肽化合物、酚類等次生代謝產物[9]。這些活性代謝產物不僅具有抗菌、抗腫瘤、抗氧化、殺蟲劑、促生長等生物活性,而且有利于維持和宿主植物之間的許多動態平衡關系,如互利共生、拮抗、競爭等[10]。這些次生代謝產物既可以使植物適應對非生物的脅迫,又可以在生物脅迫方面表現出較強的適應力,如昆蟲的襲擊和微生物的侵害等[11]。

2.1 植物內生菌次生代謝產物提高宿主植物對生物脅迫的抗性

2.1.1 產生殺蟲類物質

目前已經從多種植物中分離出能促進植物抵抗病蟲害的內生菌,其產生的次生代謝產物發揮了關鍵作用。陶玲等從紅樹林內生放線菌I07A-01824的發酵產物中分離純化得到了一種不飽和脂肪酸-5,8-二烯十四酸,對線蟲有較強的致死作用[12]。李曉璐等為篩選水黃皮內生菌中對水稻害蟲有毒殺作用的菌株,從健康水黃皮植物的根、莖、葉和種子中進行菌株分離,經初篩及復篩,內生菌麥角菌[Clavicepspurpurea(StF1)]和蠟樣芽胞桿菌[Bacilluscereus(SeB3)]的發酵液粗提物對稻飛虱和稻縱卷葉螟致死率達85%以上,是不可多得的生物源殺蟲劑[13]。從醉魚草中分離純化得到的內生刺盤孢屬真菌(Colletotrichumgloeosporioide),其發酵液具有很強的殺鹵蟲活性[14]。張華嬌從雷公藤中分離得到內生真菌菌株11-6-76,并且利用此菌株的胞內和胞外代謝物處理蚜蟲,蚜蟲死亡率分別達到78.64%和70.75%[15]。

2.1.2 產生抗菌活性物質

抗菌活性物質的種類有很多,它們不僅可以抑殺病原微生物,也可以抑殺其他細菌、真菌、病毒以及一些原生生物,這些活性物質包括多肽、有機酸、萘和萜類等。戴紅星從銀杏中分離到1株對核盤菌(Sclerotiniaselerotiorum)具有拮抗作用的內生球毛科菌(Chaetomiumglobosum),經研究其發酵產物抑制核盤菌的活性較強,抑菌率可以達到34.5%[16]。陳志敏從火棘屬薔薇科植物中分離得到15 株內生真菌,發現其中13株對一些植物病原真菌表現出50%以上抑菌活性[17]。從大葉冬青莖中分離得到的芽孢桿菌 ZZ185,其正丁醇提取物中得到芽孢菌霉素的混合物對一些植物病原菌的抑制能力很強,尤其是植物病原菌鏈格孢菌、稻紋枯病菌、栗疫病菌和疫霉菌等 5 種病原真菌[18]。從鬼針草Bidenspilosa的莖中分離得到內生真菌Botryosphaeriarhodina,其發酵液中得到2種縮酚酸環醚對土曲霉、尖孢鐮刀菌等致病性真菌有一定的抑制作用[19]。畢江濤等對桃兒七內生真菌做了研究,發現抑菌活性菌株主要分布在曲霉屬、單孢枝霉屬和梭孢霉屬具有多樣性和明顯的抗外源真菌活性[20]。孫紅敏[21]等對蛇足石杉內生細菌的生理活性進行篩選,發現菌株I13A-00415、I13B-00706及I15A-00585在1%發酵液樣品濃度下,抗HIV活性高達99.9%;菌株I14A-00814對肺炎克雷伯菌、糞腸球菌HH22、恥垢分枝桿菌以及擲孢酵母SO4均顯示出抑制作用。

2.1.3 產生抗腫瘤活性物質

植物內生菌可以產生一些抵抗人類疾病的藥物,因此內生菌在醫藥業中具有很高的開發利用價值。有些植物內生菌產生的抗癌活性物質,如紫杉醇等,與寄主植物相同或相似。但是像球毛殼甲素等卻產生和寄主不同的抗癌物質,這為抗癌藥物的生產開辟了一條新的途徑。植物內生菌產生黃酮、麥角甾醇等化合物也解決了其他藥物開發中的資源問題,為新藥物的開發指明了方向。

趙宇[22]以海帶內生菌 DNN7 粗蛋白為研究對象,經DEAE 52陰離子交換層析分離得到4個峰,分別為P1、P2、P3和P4,其中P3濃度為200 μg/mL時,對MDA-MB-231人乳腺癌細胞的抑制效果最佳,抑制率能達50.95%。Shen等[23]從原始定殖于黃花蒿根中的內生露濕漆斑菌IFB-E091的固體培養物中鑒定出一個新的具有細胞毒性的roridin型化合物roritoxin E,在體外可以抑制胃癌SGC-7901和肝癌SMMC-7721細胞系。Zhang等[24]從黃花蒿內生真菌煙曲霉AspergillusfumigatesSPS-02發酵液中分離到4種ardeemin衍生物,對白血病耐藥細胞株 K562/DOX、人肺腺癌順鉑耐藥細胞株A549/DDP 和卵巢癌順鉑耐藥細胞株SK-OV-S/DDP的耐藥性有不同程度的逆轉作用。

2.2 植物內生菌次生代謝產物提高植物對非生物脅迫的抗性

宿主植物在干旱、低溫、高溫、鹽堿以及重金屬污染等逆境條件下,植物內生真菌能增強其抵抗能力,內生真菌可通過代謝活性產物促進植物免受逆境脅迫危害。Shin等[25]發現了能富集重金屬并促進植物在重金屬脅迫下生長的內生菌Bacillus sp. MN3-4。在干旱脅迫下,高羊茅植株感染內生真菌的抗旱能力明顯遠遠高于未感染植株[26]。

2.2.1 產生促進土壤修復物質

通過物理和化學手段改善和消除土壤重金屬污染,不僅費時費力,而且會造成土壤的一些功能退化,利用植物內生菌次生代謝產物修復土壤是一種環境友好型的解決辦法。根際微生物與根系形成聯合體,以菌根-內生菌等方式促進根系發展,使植物吸收和向上轉運重金屬能力增強,污染土壤的修復效率得以提高[27]。植物內生菌對土壤修復是通過菌根分泌物調節和螯合作用。菌根分泌物對菌根根際環境進行調節,使根際氧化還原電位和pH發生變化,通過分泌有機酸和其他物質與重金屬結合,降低重金屬毒性,以及阻止其向植物根部運輸。Lodewyckx等研究發現,感染內生菌的植株根部鎳的濃度比對照植株提高了30%,說明內生菌能將土壤中的鎳固定在植物根部,從而達到修復土壤作用[28]。

2.2.2 產生促進植物生長調節物質

植物內生菌能夠產生刺激植物生長的激素,如IAA、吲哚乙腈、細胞激動素等[29]。從大豆上分離得到的內生真菌PenicilliumfuniculosumLHL06,在銅和鎘污染土壤中有較高的生長率,且能顯著增加寄主植物生物量[30]。麻黃內生真菌Mh5的菌懸液對種子萌發起到促進作用[31]。Zhang[32]等從鐵皮石斛(Dendrobiumcandidum)根中分離到的Myccnasp.,能夠顯著增大組培苗的根系,株高、鮮重、干重和新芽數。袁源[33]從一株銀杏內生真菌中提取分離出6種次生代謝產物,分別為呋喃核糖,腺嘌呤,腺嘌呤核苷,腺嘌呤脫氧核苷,尿嘧啶脫氧核苷,3-甲基哌嗪-2,5-二酮,這些化合物均能促進植物種子萌發。植物內生菌還可以分泌胞外多糖改善土壤結構,改變根部周圍環境來緩解非生物脅迫壓力,從而使植物根部更適應環境,促進植物更好地生長[34]。

2.2.3 產生抗氧化性物質

植物內生菌還能產生一些具有抗氧化性作用的次生代謝產物。熊黨生從健康葛根植株的根、莖、葉中分離得到2株具有抗氧化活性的內生菌S1和S2,其乙醇提取液抗氧化活性較高[35]。Zhao等[36]從植物虎皮檀分離出1株內生真菌Aspergillusfumigates,其代謝產物中含有抗氧化活性很強的黃酮類化合物。張新國[37]等從具有抗氧化活性的藥用植物車前草、薄荷、烏頭、唐松草、獨活等分離到43株內生真菌,顯示具有較好的抗氧化活性。

2.2.4 產生抗滲透性物質

植物一般通過調控代謝途徑或者改變基因表達,對干旱、鹽堿等滲透脅迫條件作出響應。王娜[38]等利用基因芯片技術對10% PEG 滲透脅迫下植物內生菌次生代謝產物處理的玉米進行差異基因表達譜分析,發現滲透脅迫下次生代謝產物能夠引起玉米根系基因的表達發生變化。韓坤[39]等從海濱錦葵分離到4株內生細菌,分別是蠟樣芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌,發現這4株細菌均且能顯著提高鹽脅迫下小麥幼苗的干重和葉綠素含量,以及顯著提高抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性,表明內生細菌產生的次生代謝產物對鹽脅迫的毒害有一定的緩解作用。

3 植物內生菌次生代謝產物的應用前景

植物內生菌分布廣、種類多,我國有5 000多種藥用植物,可開發的空間很大。許多藥用植物的內生菌次生代謝產物不僅具有抗菌和殺蟲活性,也可以作為對環境無公害農藥的新來源。另外內生菌次生代謝產物也可以應用在衛生保健方面,如作為添加劑改善產品的品質。據報道將從云南烤煙組織中分離出1株內生菌株的發酵液添加到成品煙葉中,發現煙葉中煙堿和亞硝酸鹽含量減少[40]。利用植物內生菌進行生物防治,可以減少化學農藥的使用,減輕環境污染[41]。

綜上所述,在生產實際中可以利用植物內生菌在宿主植物體內產生的次生代謝產物來提高植物對生物脅迫和非生物脅迫抗性,但也有一些問題亟需解決,比如內生菌次生代謝產物在對害蟲產生毒害作用的同時,是否對牲畜也有毒害作用;內生菌次生代謝產物使宿主植物增強生存競爭力的同時,是否會導致群落多樣性的降低;如何快速準確的提取內生菌次生代謝產物中的有效活性成分,以及如何將這些次生代謝產物利用到生產實際中去等等。

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The Bioactive diversity of endophyte’s secondary metabolites and application prospects

MALianju,WANGJinyuan,ZHANGYunlu,YAOZhanpeng,ZHAOYing,HEMeijing,LIUFudan,HANYuanyuan

(College of Life Sciences, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Plant endophytes are a kind of new microorganism resources and have great potential applications in agriculture and medicine. Plant endophytes include fungi, bacteria and actinomycetes. Secondary metabolites of endophytes have a rich diversity in chemical structures and a wide range of biological activity. It is reported that the secondary metabolites of endophytes can promote plant growth, and increase plant resistance to biotic and abiotic stresses. In the present text, we focused on the species of endophytes and the bioactive diversity of secondary metabolites, including insecticidal, antibacterial,anti-tumor and resistance to other biotic stress, and promoting soil remediation, plant growth,antioxidative defense, anti-permeability and tolerance to other abiotic stresses. The existing problems in secondary metabolite study, as well as in the possible practical application were also discussed.

plant endophytes; secondary metabolites; bioactive substances; diversity

2016-11-26。

國家自然科學基金資助項目(31270369); 遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2013421); 沈陽市科學技術計劃項目(F16-205-1-50)。

馬蓮菊(1969-),女,遼寧莊河人,沈陽師范大學副教授,博士。

1673-5862(2017)03-0344-05

Q938

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.03.016