北部灣海洋微生物物種多樣性與化學多樣性研究進展*

徐新亞，楊 宏，寧小清，易湘茜，劉永宏，高程海

(廣西中醫(yī)藥大學海洋藥物研究院/藥學院，廣西南寧 530200)

0 引言

海洋微生物，包含細菌、古菌、真核生物和病毒等多個類群，生物量占海洋總生物量的90%。除了具有重要的生物學、生態(tài)學功能外，海洋微生物還是新物種、新基因、新藥物、新生物材料的重要來源。海洋微生物的多樣性，狹義范圍包括海洋微生物的遺傳多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性，廣義上還包括化學多樣性、代謝多樣性及其生存環(huán)境多樣性[1]。北部灣位于中國南海的西北部，東臨廣東雷州半島和海南島，北臨廣西壯族自治區(qū)，西臨越南，與瓊州海峽和南海相連。北部灣海域地處熱帶和亞熱帶，分布有紅樹林、珊瑚礁等多種生物群落，是我國生物多樣性最為豐富的區(qū)域之一，目前已逐漸成為海洋微生物研究的熱點區(qū)域之一。

海洋微生物因其獨特的生存環(huán)境以及代謝途徑，可產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)新穎、活性顯著的化合物，具有潛在的開發(fā)利用前景。相比海洋動物和植物，海洋微生物易于采集、保存和放大培養(yǎng)，更便于開發(fā)利用。目前，海洋環(huán)境中已分離獲得30 000多個結(jié)構(gòu)新穎的化合物，其中，來源于海洋細菌(包括海洋放線菌)、海洋藍細菌和海洋真菌的新穎化合物所占比例逐漸增多，而來源于海洋動植物的新化合物有減少的趨勢[2]。截至2017年底，歐美等發(fā)達國家和地區(qū)共有13個海洋藥物批準上市，其中有2種來源于海洋微生物(頭孢菌素C來源于海洋真菌，利福霉素來源于海洋放線菌)。截至2017年，美國FDA批準進入臨床的54個海洋藥物中，有68.5%(37個)來源于海洋微生物，尤其是海洋藍細菌[3]，這表明海洋微生物正在成為海洋藥物的重要來源。

至今，已有許多學者開展針對廣西北部灣海洋微生物和化學成分的研究，但綜述性的文獻報道欠缺，僅于清武[4]2014年對其情況進行簡單總結(jié)，但引用文獻數(shù)量很少，且沒有涉及近幾年的新成果。為更全面地了解北部灣海洋微生物研究現(xiàn)狀，促進北部灣海洋微生物資源的研究和開發(fā)利用，本文對2010—2020年國內(nèi)北部灣海域的微生物物種多樣性和代謝產(chǎn)物活性成分多樣性方面的文獻進行整理、統(tǒng)計和綜述分析，為進一步研究和合理開發(fā)北部灣海洋微生物資源提供參考。

1 北部灣海洋微生物的物種多樣性

海洋微生物數(shù)量龐大、種類豐富，廣泛存在于海洋環(huán)境中。北部灣海域擁有大量的動植物資源，據(jù)統(tǒng)計，北部灣海洋動物有14門1 000多種，海洋植物有3門43種[5]，豐富的物種多樣性為動植物共附生微生物多樣性的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。北部灣灘涂分布著大片的紅樹林，紅樹林是世界上生產(chǎn)力最高、生物學特征最多樣化的生態(tài)系統(tǒng)之一，其獨特的生態(tài)環(huán)境有助于孕育北部灣特有的微生物種類。

1.1 北部灣海洋細菌多樣性

文獻統(tǒng)計表明(表1)，廣西北部灣已發(fā)現(xiàn)海洋細菌1 843種，隸屬于5門30目59科120屬。在屬水平，鏈霉菌屬Streptomyces(383種)為優(yōu)勢屬，其次是微桿菌屬Microbacterium(140種)、壤霉菌屬Agromyces(130種)。整體來看，從紅樹林土壤以及淤泥中分離得到的海洋細菌種類最多，共有71屬。海洋動物中，海綿中發(fā)現(xiàn)的海洋細菌種類最多(45屬)，其次是珊瑚(12屬)。海洋植物中發(fā)現(xiàn)海洋細菌最多的是紅樹林植物(47屬)。物種分布統(tǒng)計表明，在不同物種間分布最廣的海洋細菌為Streptomyces屬和Nocardiopsis屬，其在紅樹植物、珊瑚、海綿等身上都有發(fā)現(xiàn)，Microbacterium屬分布也較為廣泛。

表1 北部灣海洋細菌種類統(tǒng)計

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

大量研究發(fā)現(xiàn),北部灣海洋細菌具有豐富的生物活性功能[8,21,23,32]。其中，關(guān)于抗菌活性的研究最多，涉及多種致病菌，如甘蔗鞭黑粉菌[11,13,16]、白色念珠菌[33]、番木瓜炭疽病原菌和荔枝炭疽病原病菌[20]、香蕉枯萎病病原菌尖孢鐮刀菌[19]。其他活性研究還涉及抗海洋生物污損活性[34]、鹵蟲致死毒性[6,9]、細胞毒活性[27]、延緩衰老活性[12,14,17]、殺線蟲活性[26]、抗血栓[15]、抑制癌細胞[22,33]、抑制蛋白質(zhì)生物合成[7]等。

研究者從北部灣海域發(fā)現(xiàn)了一批新型微生物。如Mao等[31]從北部灣海水中分離出1株新的含細菌葉綠素的好氧細菌Roseibacteriumbeibuensis；Zhu等[29]從欽州海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)1株新鏈霉屬放線菌Streptomycesqinzhouensis；Fu等[35]從北部灣海洋沉積物中分離獲得來自黃桿菌屬的新菌種Flavobacteriumbeibuense；Wang等[36]從珊瑚中分離獲得新細菌Motiroteuscoralliicola。這些研究成果為北部灣海洋微生物資源的開發(fā)利用提供了新穎的物種資源和基因資源。

1.2 北部灣海洋真菌多樣性

文獻統(tǒng)計表明(表2)，廣西北部灣現(xiàn)目前已發(fā)現(xiàn)海洋真菌197種，隸屬于3門19目24科26屬。其中，擬盤多毛孢屬Pestalotiopsis種數(shù)最多(40種)，其次是青霉屬Penicillium(24種)、刺盤孢屬Colletotrichum(20種)。

大部分北部灣海洋真菌來源于紅樹林植物和紅樹林植物根際土壤，尤其是紅樹植物內(nèi)生真菌。北部灣紅樹植物內(nèi)生菌表現(xiàn)出豐富的多樣性，不同物種、植物不同部位以及不同生境都表現(xiàn)出內(nèi)生真菌類群和分布的差異性[25,37]；紅樹植物不同組織部位內(nèi)生菌的優(yōu)勢菌群在干濕兩季存在差異，在健康葉片和非健康葉片之間也存在差異[38]?；钚匝芯勘砻?，北部灣真菌具有抑制革蘭氏陽性細菌[30,39]、革蘭氏陰性副溶血弧菌[39]和農(nóng)業(yè)病原真菌[40]的潛力。

表2 北部灣海洋真菌種類統(tǒng)計

續(xù)表2

2 北部灣海洋微生物化學多樣性

目前，研究者從北部灣海洋微生物中共分離得到110個化合物(表3)，主要結(jié)構(gòu)類型為生物堿、萜類、酚酸類、萘醌類、甾醇類和環(huán)二肽[44-63]。其中新結(jié)構(gòu)化合物有53個，約占總種數(shù)的48%，主要由中山大學佘志剛教授、北京大學林文瀚教授、中國海洋大學王長云教授等團隊發(fā)現(xiàn)。北部灣海洋微生物來源的化合物表現(xiàn)出抗腫瘤、抗菌、抗病毒、抗海洋生物污損、抗炎等多種生物活性，有巨大的潛在應(yīng)用價值。

表3 北部灣海洋微生物來源的化合物統(tǒng)計

2.1 生物堿類化合物

從北部灣微生物中分離獲得的生物堿類化合物共30個，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。化合物(2)在10 μg/cm2劑量下可以抑制海洋污損生物網(wǎng)紋藤壺幼蟲的附著[45]。王聰?shù)萚61]從北部灣來源的一株鏈霉菌Streptomycessp.的次級代謝產(chǎn)物中分離鑒定了stellate sporin (3)，對香蕉枯萎病菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度分別為10 μg/mL和125 μg/mL。北京大學林文瀚教授研究組[54,55,58]從一株潿洲島來源海綿Niphatesrecondita共附生真菌StachybotryschartarumWGC-25C-6的大米培養(yǎng)基中，分別得到phenylspirodrimane類成分chartarlactams A—P(4—19)，phenylspirodrimane二聚體類chartarlactams Q—T (20—23)。在10 μmol/L濃度時，化合物8,9,14,18能夠顯著降低HepG2細胞內(nèi)甘油三酯水平，化合物7,8,9,15,17能夠明顯降低HepG2細胞膽固醇含量[54]。化合物18—22能夠抑制金黃色葡萄球菌，最小抑菌濃度為4-16 μg/mL，化合物23具有抑制寨卡病毒的活性[54,55]。化合物24和25為新化合物，化合物26具有多種活性，對銅綠假單孢菌和白色念珠菌的最小抑菌濃度為32 μg/mL，對蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)半數(shù)抑制濃度為12.2 μmol/L[58]。

圖1 北部灣海洋微生物來源的生物堿類化合物結(jié)構(gòu)

2.2 萜類化合物

從北部灣微生物中分離獲得20個萜類化合物，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。Botryosphaerin F (31)、13,14,15,16-tetranorlabd-7-ene-19,6b:12,17-diolide (32)、botryosphaerin B (33)、LL-Z1271β (34)由中山大學林永成教授課題組[52]，從一株紅樹共附生土曲霉AspergillusterreusNo.GX7-3B的葡萄糖酵母膏蛋白胨培養(yǎng)基(GYP)發(fā)酵產(chǎn)物中獲得，其中化合物31為新化合物，對人乳腺癌MCF-7細胞株和急性粒細胞白血病HL-60細胞株有抑制作用，半數(shù)抑制濃度分別為4.49和3.43 μmol/L。化合物34抑制急性粒細胞白血病HL-60細胞半數(shù)抑制濃度為0.6 μmol/L[52]。王聰?shù)萚49]從北部灣沉積物來源的真菌Penicilliumsp.H1提取物中分離獲得3個二萜類化合物carbon keratin D (35)、BE-31405 (36)、sordaricin (37)，其中化合物35為新化合物，化合物35,36對香蕉枯萎病菌有抑制活性，最小抑菌濃度分別為32.0和16.0 μg/mL。 化合物38—41具有抗腫瘤細胞毒活性，對HCT-116、HepG2、BGC-823、NCI-H1650、A2780腫瘤細胞的半數(shù)抑制濃度為0.69-10.00 μmol/L，并且對腫瘤相關(guān)激酶FGFR3、IGF1R、PDGFRb和TRKB有明顯抑制作用[54]?；煸摧祁惓煞纸Y(jié)構(gòu)新穎，并且有多種顯著生物活性，但在微生物中分布較少。Zhang等[56]采用生物信息學比較分析，發(fā)現(xiàn)1株潿洲島海綿共附生青霉菌PenicilliumbrasilianumWZXY-m122-9中含有混源萜合成基因簇clusters A和B，并從其發(fā)酵產(chǎn)物中分離得到8個混源萜，分別為brasilianoides A—F(42—47)、preaustinoid D (48)和preaustinoid A2 (49)，其中42—48為新化合物；化合物42能夠劑量依賴性地顯著刺激人永生化角質(zhì)形成細胞HaCaT中絲聚合蛋白和caspase-14的表達，化合物44和45具有抗炎活性，能中等強度抑制脂多糖誘導巨噬細胞RAW264.7的NO形成。

圖2 北部灣海洋微生物來源的萜類化合物結(jié)構(gòu)

2.3 酚酸類化合物

從北部灣微生物中分離獲得的酚酸類化合物共21個，結(jié)構(gòu)如圖3所示。Talaromyone B (52)對枯草芽孢桿菌有抑制作用，最小抑菌濃度為12.5 g/mL[45]；talaromyone B (52)、purpactin A (54)、tenellic acid A (55)、colletotric A (58)、colletotric B (59)、3-hydroxy-5-methoxy-2,4,6-trimethylbenzoic acid (60)、 colletotric C (61)、orsellinic acid (62)具有抑制α-葡萄糖苷酶活性[45,46]；colletotric A (58)和colletotric B (59)對銅綠假單胞菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和白色念珠菌等耐藥致病菌都有抑制作用[46]。中國海洋大學的王長云教授研究組[57]從潿洲島肉質(zhì)軟珊瑚Sarcophytonsp.共附生真菌AlternariaalternataL3111中得到3個酚酸類化合物altertoxin I (66)、stemphyperylenol (67)、alterperylenol (68)，其中化合物68對腫瘤細胞株A-549、HCT-116、HeLa都有抑制作用，半數(shù)抑制濃度分別為2.6，2.4和3.1 μmol/L。

圖3 北部灣海洋微生物來源的酚酸類化合物結(jié)構(gòu)

2.4 萘醌類化合物

從北部灣微生物中分離獲得的萘醌類化合物共13個，結(jié)構(gòu)如圖4所示。talanaphthoquinone A (72)、anhydrojavanicin (74)、2,3-dihydro-5-hydroxy-4-hydroxymethyl-8-methoxy-2-methylnaphtho [1,2-b]furan-6,9-dione (75)、anhydrojavanicin (76)、anhydrofusarubin (77)、2-acetonyl-3-methyl-5-hydroxy-7-methoxy-naphthazarin (78)、6-ethyl-2,7-dimethoxyjuglone (79)、6-[1-(acetyloxy)ethyl]-5-hydroxy-2,7-dimethoxy-1,4-naphthalenedione (80)、5-hydroxy-6-(1-hydroxyethyl)-2,7-dimethoxy-1,4-naphthalenedione (81)、solaniol (82)、javanicin (83)具有抗炎活性，抑制脂多糖誘導巨噬細胞RAW264.7產(chǎn)NO活性，半數(shù)有效濃度均小于陽性對照吲哚美辛(26.3 mol/L)，濃度為1.7-22.6 mol/L[47]。

圖4 北部灣海洋微生物來源的萘醌類化合物結(jié)構(gòu)

2.5 甾醇類化合物

從北部灣微生物中分離獲得的甾醇類化合物共7個，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示?；衔?5為新化合物，化合物85，86，87，89對呼吸道合胞病毒(Respiratory Syncytial Virus,RSV))誘導的人喉癌腫瘤細胞株Hep-2有抑制作用，半數(shù)抑制濃度為0.11—0.17 mmol/L[59]。

圖5 北部灣海洋微生物來源的甾醇類化合物結(jié)構(gòu)

2.6 環(huán)二肽類和其他化合物

從北部灣微生物中分離獲得的環(huán)二肽類化合物共7個，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示?；衔?2，93具有抑制羅非魚病原菌活性，化合物92—94具有抗藤壺幼蟲附著活性，化合物92具有抗華美管盤幼蟲附著活性[62]。研究者還從北部灣微生物中分離到其他零散種類的化合物，如胸苷thymidine (108)、尿苷uridine (109)等(圖7)。

圖6 北部灣海洋微生物來源的環(huán)二肽類化合物結(jié)構(gòu)

圖7 北部灣海洋微生物來源的其他化合物結(jié)構(gòu)

3 討論

北部灣具有豐富的海洋微生物資源，但由于研究起步較晚，對北部灣海洋微生物新物種、新基因、新化學成分的研究還處于早期階段。大部分研究主要集中在共附生微生物多樣性、沉積物微生物多樣性、化學多樣性以及抑菌活性等前期的基礎(chǔ)研究，尚未見有北部灣海洋藍細菌、海洋古菌和海洋病毒等物種多樣性的相關(guān)報道，且尚缺少對北部灣海洋微生物的開發(fā)與利用。因此，仍需要開展大量工作來拓寬海洋微生物的研究廣度和深度，研究更多新的物種資源，豐富北部灣海洋微生物的多樣性，拓寬北部灣海洋微生物學的各個領(lǐng)域，為其進一步開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。