土壤放線菌資源及其應用

鄭 丹，李鶴鳴，韓 力

(東北大學 生命科學與健康學院，遼寧 沈陽 110819)

1 引言

放線菌是一種極為重要的微生物資源，在自然界的分布十分廣泛，因其具有復雜的次級代謝系統，可以產生諸多化學結構新穎、生物活性顯著的次級代謝產物，所以對農業、醫藥、食品、工業、環境污染治理等生產生活的各個方面的發展均有重要意義，值得進一步深入探索研究。

土壤由固、液、氣三種物質共同組成，并且相互聯系又相互制約，形成了高度異質的環境，這些物質為放線菌提供了適宜的生長條件，是放線菌棲息的主要場所，無論是數量還是種類，都極為豐富，甚至在一些極端惡劣的土壤環境中也有放線菌的存在[1]。這些來自土壤的放線菌為研制和開發具有高效抗菌活性的抗生素提供了重要的資源，一些極端環境土壤中生存的放線菌還具有特殊的生物學特性和代謝途徑，值得對從中開發藥物、特殊酶進行研究。另外，放線菌還可以降解纖維素等有機化合物，在環境污染的生物治理中同樣發揮重要作用。因此，研究開發土壤放線菌資源具有極高的科學價值、經濟價值和社會價值。

本文將對普通土壤(森林土壤、草地土壤、農耕地土壤)和極端環境土壤(高鹽環境、極端pH值、干旱環境、潮濕環境、極端溫度、高輻射環境)幾種不同生境下的放線菌資源及其在各領域的應用情況加以介紹。

2 普通土壤放線菌資源

2.1 森林土壤放線菌資源

森林植被類型豐富多樣，人為干擾較少，是動植物良好的棲息繁衍地，為各類生物提供了多樣化的生境。森林生態系統中的土壤可分為植物根際土壤、苔蘚土壤、根區根表土壤。

李建康等人研究了秦嶺山區人工純林土壤微生物的群落特征，其結果表明根際土壤放線菌數量總是比非根際土壤放線菌數量多，主要是由于根際土壤有機質含量高，分解較快，土壤疏松，水分條件好，適合微生物的生長繁殖。而非根際土壤中所含根系較少，土層比較堅實，透氣性也不如根際土壤，微生物不能充分生長和繁殖，因此微生物數量相對根際土較少。在闊葉林中放線菌數量明顯高于針葉林，主要原因是放線菌最適合生長在中性或偏堿性的土壤中，而闊葉林地的土壤pH值條件適宜放線菌活動，使放線菌能夠很好地生長。另外，植被類型不同、坡向不同時，土壤放線菌數量均表現為隨海拔升高先升高又降低的趨勢。同時，坡向對放線菌的分離效果和土壤養分的影響也很大，其原因可能是溫度、光照、降水等因素綜合影響土壤養分含量，導致南北坡存在較大差異[2]。

王東勝等人對秦嶺主峰太白山北坡5種生境中微生物區系及拮抗放線菌資源的研究表明，56%的可培養放線菌均具有抗菌活性。雖然不同生境中均蘊藏著豐富的拮抗性放線菌資源，但其數量卻存在差異，即使是相同類型的生境，處于不同海拔，其蘊藏量也不同。闊葉林根域拮抗性放線菌數量多于針葉林，拮抗性放線菌資源在低海拔土壤中的蘊藏量大于高海拔[3]。

2.2 草地土壤放線菌資源

我國北方主要草地類型分為五種：平原草甸、典型草原、草甸草原、高寒草甸和荒漠草原，土壤類型復雜多樣，地帶性分布明顯。平原草甸的土壤因地勢低平排水不暢，地下水含較高濃度可溶性鹽，以及毀草開荒、草場過度放牧等人類不當活動，容易出現鹽堿化；草甸草原的土壤因不合理開墾容易出現土壤風蝕化；典型草原的土壤較為肥沃；荒漠草原的土壤含水量低，容易出現水蝕和風蝕；高寒草甸的土壤在地貌、環境、地形等因素的影響下，土層較薄，溫度較低，但土壤中含有豐富的有機質[4]。

趙璇在對中國北方主要草地類型土壤放線菌的研究中，分析指出了區域尺度下放線菌多樣性和群落結構的變化規律及主要的環境驅動因子。研究表明：對于不同草地類型的土壤放線菌，其多樣性及群落結構有很大差異。其中，平原草甸的放線菌多樣性要顯著低于其他四種草地類型；土壤放線菌多樣性主要與土壤pH值有關，放線菌門下各綱的相對多度由土壤理化指標控制[5]。

2.3 農耕地土壤放線菌資源

農耕地土壤可分為灌溉耕地和雨養耕地，放線菌群落結構與草地土壤相似[6]，其中灌溉耕地土壤的生物量、土壤肥力、有機無機物質量、土壤微生物量碳(MBC)均高于雨養耕地[7]。

有較多報道認為，耕作可造成土壤團菌體的分裂和表層土壤中有機質的損耗，相關研究指出，耕作對土壤放線菌的影響與土壤有機碳含量及酸堿性有關，另外，土壤耕作可能造成土壤結構的惡化，對于酸性和有機碳含量低的土壤，耕作可顯著降低放線菌數量和多樣性[8,9]。

3 極端環境土壤放線菌資源

極端環境土壤是指相對于人類和其它高等生物所能承受的最大范圍而言,一系列對于一般微生物生長比較嚴酷的土壤條件，例如化學性質的極端：高鹽、高酸、高堿、及高輻射等環境，以及物理條件的極端，如高溫、低溫等。某些放線菌能在極端環境中生長，在生存和適應的過程中形成了與正常環境土壤中生長的放線菌有很大差異的生理和代謝功能，如生物膜結構、酶的分子結構、生長特性、營養需求、基因的表達和調控機制等。

3.1 高鹽環境土壤放線菌資源

嗜鹽放線菌是非常重要的一類極端微生物資源，其主要生境是富鹽的堿土和海水等含鹽環境。理論上，嗜鹽放線菌應具有特殊的生理機制，因此，已成為近年來放線菌研究的熱點之一。關統偉等對新疆塔里木盆地可培養嗜鹽放線菌系統發育多樣性進行研究，結果表明該地高鹽環境中潛藏著豐富的新型嗜鹽放線菌資源[11]。不同嗜鹽放線菌對鹽的耐受程度、需求程度不同，Kushner根據它們所需最適生長鹽濃度的不同，將其劃分為非嗜鹽菌、耐鹽菌、弱嗜鹽菌、中等嗜鹽菌、以及極端嗜鹽菌[12]。盡管對于嗜鹽放線菌的研究始于1975年，之后不斷有新物種從含鹽環境中分離出來，但由于嗜鹽放線菌難以培養、營養需求特殊，相關的研究工作進展較緩慢，尤其是對陸源嗜鹽放線菌的研究主要集中在物種的多樣性方面，而在次生代謝產物方面的研究成果則報道較少[13]。

3.2 堿性土壤放線菌資源

在高堿性環境中能夠生存的放線菌稱為嗜堿放線菌。它們主要分布于pH值為10左右的高堿性極端環境中，包括鹽堿土壤、碳酸鹽荒漠、堿湖、堿性泉水、鹽池等，如東非大裂谷的堿湖、我國新疆的鹽堿湖。這些環境的堿性物質主要來源于碳酸鹽。在堿性沙漠土壤、含有腐爛有機物的堿性土壤或人為造成的堿性環境中也存在嗜堿放線菌菌株。

嗜堿放線菌是極端環境中的一類特殊放線菌，具有獨特的生理生化特征、基因信息及代謝途徑。研究發現，雖然處于高堿環境，但嗜堿放線菌胞內pH值維持在8.0左右，依據對堿性環境中一些耐堿放線菌的研究推測主要嗜堿機制可能包括自動調節細胞質pH的機制和獲得能量的機制兩方面。然而，目前尚未明確真正的嗜堿放線菌的嗜堿機制，有賴于基因組學方面的進一步研究[14]。

嗜堿放線菌產生的纖維素酶可用作洗滌劑的添加劑，堿性蛋白酶則主要用于工業去污。此外，嗜堿放線菌還可以產生一些新的抗生素，如諾卡地霉素、β-內酰胺類抗生素等。

3.3 酸性土壤放線菌資源

嗜酸放線菌指廣泛分布于pH值極低的酸性環境中的放線菌，尤其是酸性土壤中。它們可以分為兩大類群，一類是中度嗜酸放線菌，可以在pH值為3.5或4.5至接近中性(7.5)的條件下生長，另一類是嚴格嗜酸放線菌，在強酸環境中生長或生存，只能生長在pH值為3.5～6.5的環境中，且利用碳源的能力強于中度嗜酸放線菌。它們可以產生蛋白酶、幾丁質酶、淀粉酶等耐酸的胞外酶，參與到酸性土壤中有機物的降解循環中。此外，由于大多數真菌棲息于酸性環境，所以嗜酸放線菌也是潛在的抗真菌活性物質的生產者[15]。

在酸性和弱酸性土壤中，中度嗜酸放線菌的數量遠大于嚴格嗜酸放線菌，其中，鏈霉菌是絕對優勢類群。近年來，國內外的研究表明，酸性土壤中稀有的嗜酸放線菌具有豐富的生物多樣性。Kim等對3株嚴格嗜酸放線菌進行了多相分類研究[16]，發現它們在系統進化樹上形成了與鏈霉菌屬平行的單獨分支，由此建立了嗜酸鏈霉菌新屬(Streptacidiphilusgen. nov.)。

3.4 干旱環境土壤放線菌資源

在一些日照強、地表溫度高、蒸發強、降水量低的干旱地區，土壤有機質含量低，環境惡劣，植被種類貧乏，生長稀疏，多為以胡楊、紅柳、沙棘等為主的旱化植被，不利于微生物的生長繁殖。土壤越干旱貧瘠，放線菌的數量和種類越少，鏈霉菌所占比例則相對越大，可能與鏈霉菌的孢子化程度高、抗旱能力強、對營養的要求低有關。鏈霉菌的組成也相對簡單，主要有六個類群(黃色類群、燼灰類群、灰褐類群、白孢類群、藍色類群和粉紅孢類群)。關統偉在對塔克拉瑪干沙漠土壤中的放線菌組成和數量的研究中，分得15個屬的土壤放線菌中鏈霉菌屬占97%，其中灰褐類群、白孢類群、粉紅孢類群、黃色類群約占68%[17]。

3.5 潮濕環境土壤放線菌資源

濕地沼澤或沿海灘涂土壤具有含水量高、含鹽濃度較高、養分含量高及乏氧等特征，土質偏堿性，土壤中微生物以輕度耐鹽菌為主，真菌數量最多，放線菌和細菌數量相對較少。放線菌主要有鏈霉菌屬、小單胞菌屬、諾卡氏菌屬等，都是好氧型微生物[18]。放線菌喜歡偏堿性、有機質多的環境。潮濕土壤上層為較疏松的小塊團塊結構，下層則為較緊實的大塊團塊。隨著土層加深、水分增加，土壤中氧氣含量逐漸減少，厭氧微生物逐漸增多。又因土壤溫度降低，有機質減少，放線菌總數量也隨之減少。

水分條件是潮濕環境土壤中最關鍵的環境因子。在濕地系統中，水分條件一旦改變，就很容易引起鹽度、pH值、土壤通氣狀況等其他環境因子的變化。因此，在一定范圍內，放線菌的生物量、群落結構與土壤水分含量呈正相關，過高或過低都不利于土壤放線菌的生長繁殖[19]。

3.6 低溫環境土壤放線菌資源

多年凍土、高寒草甸土壤等常年處在低溫情況下，穩定的低溫環境保存著大量的有生理代謝活性的微生物。低溫微生物可分為嗜冷菌和耐冷菌2種。其中，嗜冷放線菌是可以在0 ℃及以下生長繁殖的放線菌，最適生長溫度低于15 ℃，最高生長溫度不超過20 ℃；耐冷放線菌在0～5 ℃可生長繁殖，最適生長溫度在20 ℃以上[20]。由于低溫放線菌長期生活在低溫生境中，使它們形成了獨特的生物學特性和適應機制，包括其特殊的基因類型、獨特的質膜組成、產生具有獨特功能特性的酶和抗生素等生物活性物質。同時，低溫放線菌對低溫環境的能量傳遞和物質循環也有著重要作用，值得人類探索。

3.7 地熱地區土壤放線菌資源

嗜熱放線菌是指放線菌目中主要生長在45～65 ℃環境的一個生態群，目前最高適應溫度是70 ℃，尚未發現最適生長溫度在75 ℃以上的放線菌類群[21]。適合嗜熱土壤放線菌棲息的生境包括火山湖、火山口、干熱河谷、溫泉附近土壤等。據報道，嗜熱放線菌能夠產生具有重要價值的纖維素酶、淀粉酶、DNA聚合酶、脂肪酶、維生素等，也可用于處理城市垃圾、制作堆肥，在農業、醫藥、工業、生物技術等領域均有廣泛的應用[22]。

3.8 輻射污染區土壤放線菌資源

由于某些放射性物質和放射線的存在，輻射污染區一直被認為是生命的禁區，國內外對輻射污染區微生物的研究因此甚少。我國的輻射污染區屬于典型的荒漠地區，植被覆蓋極少，通常此類地區中微生物種類相對單一[23]。近年來，研究人員對輻射污染區域的土壤放線菌進行了分離鑒定，發現了大量的稀有放線菌，說明存在著較為豐富的放線菌種屬多樣性。

4 土壤放線菌資源的應用研究

土壤放線菌能夠通過菌絲體產生的胞外水解酶降解土壤中的各種有機物質，參與自然界物質循環，從而改善土壤、凈化自然環境。而如今人類對土壤放線菌的應用遠遠超過于此，聚酮類、生物堿類等多種類型的次級代謝產物以及各種酶的產生，使放線菌已經被應用到了農業、醫藥行業、環境污染生物治理等人們生產生活中的各個方面。

4.1 土壤放線菌在農業當中的應用

4.1.1 農用抗生素

鏈霉菌產生的鏈霉素和土霉素可用于某些果蔬病害的生物防治，是最早用于農業的抗生素。由于這些農用抗生素使用效果良好，引起了農業研究者的廣泛關注。之后，國外農業研究者們相繼篩選出多氧霉素、春日霉素等防效作用較好、低毒害的新農用抗生素。盡管我國農業抗生素研究起步較晚，但仍研發出多種有效抗生素，經過幾十年的發展，年產制劑量已超過8萬t。其中，已實現大規模生產的農用抗生素中產值最大的品種是阿維菌素，其次是井岡霉素、赤霉素[24]。

4.1.2 重寄生

重寄生作用是指病原菌被其他微生物寄生的現象。土壤放線菌能通過重寄生侵入對農作物有害的病原菌，使菌絲發生形態上的畸變進而破裂，以達到破壞病原菌細胞的目的。放線菌侵入病原菌細胞的途徑包括干擾細菌細胞壁的合成、使病原菌菌絲溶解、阻礙病原菌的蛋白質合成、使病原菌細胞質凝固等[25]。此外，重寄生作用還可以與抗生作用協同起效，即先由抗生素破壞宿主細胞細胞壁，再通過重寄生作用使放線菌侵入，從而破環病原菌細胞。農業生產中，重寄生菌作為一種控制植物病害的生物防治手段，無毒無殘留、對非靶標微生物無害、防病持效期長，可用于防治“慢銹”“慢白粉”或經濟價值高的作物病害[26]。

4.1.3 酶及酶抑制劑

一些土壤放線菌能夠產生幾丁質酶、纖維素酶、β-1,3-葡聚糖酶、β-葡糖苷酶等，可水解高等真菌、卵菌綱真菌等的細胞壁，從而破壞病原菌菌體，使其質壁分離或細胞破裂，進而死亡。如目前在農業上，可直接利用幾丁質酶產生菌防治植物真菌病害[27]。此外，有些放線菌還可以通過產生幾丁質酶抑制劑來抑制真菌細胞壁的合成，使病原菌死亡[28]。

放線菌作為纖維素酶的主要產生菌，在生物燃料生產、食品飼料工業等領域應用廣泛，可用于處理農作物收獲后的秸稈，既節約成本，又保護環境。同時，在飼料工業中，由于飼料中存在大多數動物無法分解消化的纖維素，將放線菌產生的纖維素酶加入到飼料之中，可以使牲畜將纖維素轉化為更易消化吸收的葡萄糖，促進它們的良好生長[29]。放線菌產纖維素酶相較于其他纖維素酶有耐堿、耐熱的特點，例如侯曉娟等從土壤中分離得到一株產堿性纖維素酶放線菌，該酶可在pH值為11的條件下保持60%以上的酶活性；宋波等篩選分離得到的產纖維素酶放線菌，其纖維素酶在70 ℃時仍具有較高活性[30]。

4.2 土壤放線菌在醫藥中的應用

4.2.1 抗腫瘤抗生素

放線菌次級代謝產物是開發抗腫瘤抗生素的重要資源，目前臨床上使用的天然來源抗腫瘤抗生素中，超過2/3是由放線菌產生的。來源于放線菌的抗腫瘤活性物質，除了化學結構多樣、生物活性顯著，還有方便大規模生產、污染小等優勢。

放線菌可以產生多種類別的抗生素，如蒽環類、大環內酯類、烯二炔類、糖肽類、醌類等。1975年在太平洋Easler島土壤樣品放線菌次生代謝產物中最初發現的35元環大環內酯類抗生素西羅莫司(也稱雷帕霉素)，在發揮抗腫瘤作用時，與目的靶蛋白結合，可抑制細胞G1至S期的進程[31]。在臨床上用于乳腺癌、前列腺癌等的治療，也有研究表明，該藥有治療子宮內膜癌的前景?[32]。在臨床前腫瘤導向治療中，十元環烯二炔類抗生素卡利奇霉素(CLM)療效顯著[33]。該抗生素由湖北武漢蛇山土壤中篩選到的稀有放線菌小單孢菌的發酵液分離得到，臨床應用中以單克隆抗體為載體，具有很強的靶向性，對乳腺癌、卵巢癌等均有很好的療效。糖肽類化合物平陽霉素與博寧霉素等同屬博來霉素族抗生素，是從浙江省平陽縣土壤放線菌培養物中分離得到的，可通過與DNA結合，引起DNA斷裂，使DNA復制受阻而發揮其抗腫瘤作用。在臨床，此類抗生素主要與其他藥物聯合使用來治療惡性淋巴瘤、食管癌、鼻咽癌、結腸癌、肺癌等[34]。以絲裂霉素(Mitomycin)為代表的一類普遍使用的醌類抗腫瘤藥物，多由土壤放線菌發酵產物中分離獲得，抗腫瘤譜較廣，結構中包含乙撐亞胺和氨甲酰脂基團，通過與DNA雙鏈聯結，抑制DNA復制，從而抑制腫瘤發展[35～37]。臨床使用中結合脂質體和納米制劑，可以提高藥物的治療指數。同樣來源于土壤放線菌的多肽類化合物放線菌素D(Actinomycin D)由兩個五肽環和一個平面結構的吩噁嗪酮組成，可與DNA 結合，抑制DNA復制和RNA的轉錄，進而抑制腫瘤生長，是臨床上常用的抗腫瘤抗生素，抗腫瘤譜窄，可與其他化療藥物或放療聯合使用[38,39]。

4.2.2 藥物先導化合物

土壤放線菌次生代謝產物的生物合成途徑和酶反應系統具有多樣性，活性基團可以與結構骨架無限組合，從而產生了一些化學結構新穎、生物活性顯著的化合物，為新藥研究與開發提供了豐富的模式結構和藥物前體，如靈菌素、海鞘素B等[40]，是新藥和藥物先導化合物開發的寶貴資源。

4.2.3 酶抑制劑

引起各種非感染性疾病的原因之一是人體內某些代謝酶的紊亂，因此可以利用酶抑制劑開發相應的藥物。酶抑制劑可以用于治療高血脂、糖尿病等疾病，還具有調節免疫的功效，代表藥物有不可逆的β-內酰胺酶抑制劑克拉維酸、細胞表面氨肽酶抑制劑烏苯美司、假氨基糖類α-糖苷酶抑制劑阿卡波糖等。

4.2.4 免疫抑制劑

免疫抑制劑是一類通過調節機體免疫功能抑制機體異常免疫反應的藥物，在臨床上用于治療移植排異或紅斑狼瘡等自身免疫性疾病。如從土壤放線菌發酵產物中分離出的他克莫司是一種有強大免疫抑制作用的23元環大環內酯類免疫抑制劑，臨床主要用于器官移植[41]。另一種代表性藥物西羅莫司，既是抗腫瘤抗生素，又具有免疫抑制活性，表現出比他克莫司更有效的免疫抑制作用，不良反應也相對較輕[31]。

4.3 土壤放線菌在環境污染治理中的應用

4.3.1 土壤重金屬污染及生物修復

隨著人類對于重金屬的使用日趨廣泛，重金屬污染越來越嚴重，進而導致土壤質量的下降。傳統的物理、化學治理措施導致的二次污染、能耗過大等問題已經無法滿足當今的治理要求，而微生物修復技術成本低廉且修復徹底，因此，對重金屬污染土壤的生物治理已經成為國內外的研究熱點。其中，放線菌是廣泛分布于土壤的優勢類群，而且對于不同重金屬具有吸附作用，還可以與植物共同作用，促進植物對金屬離子的富集，是良好的生物吸附材料。其對重金屬污染土壤的修復主要依靠自身的積累作用、溶解作用和氧化還原作用[42]。

4.3.2 土壤放線菌降解纖維素

由于大部分有機固體廢物的主要成分是纖維，同時纖維素也是一種重要的可再生資源，因此無論是解決能源問題還是防止環境污染，對纖維素的生物降解的研究都有重要意義。目前，國內外對能夠分解纖維素的放線菌研究報道尚少[43]，但由于放線菌對于高溫和各種酸堿環境等不利條件的耐受程度比其他微生物更高，所以放線菌在特殊條件下對分解纖維素有著重要作用[44]。

4.3.3 土壤放線菌菌群處理污水

在廢水中，土壤放線菌可以與其他菌群組成一種有效的微生物群，活化后能快速生長繁殖，共生增殖并發揮協同作用，分解有機物，產生抗氧化物質，形成一個穩定復雜的生態系統，還能抑制有害微生物的生長繁殖，抑制硫、氮和其他物質產生的惡臭氣味，激活具有凈水功能的微生物、原生動物和水生植物，最終通過這些生物的綜合作用達到凈水處理的目的[45]。

5 總結與展望

(1) 國內外對土壤放線菌資源的研究按其生境不同可包括普通土壤(森林土壤、草地土壤、農耕地土壤)放線菌和極端環境(高鹽環境、極端pH、干旱環境、潮濕環境、極端溫度、高輻射環境)土壤放線菌。文中介紹了這些不同環境下的土壤概況、生態背景、理化性質、養分特征等，以及土壤放線菌的種群多樣性、生態分布規律、不同因素對土壤放線菌的影響等。

(2)土壤放線菌在生產生活的各方面應用都十分廣泛。在農業中，土壤放線菌的重寄生作用、酶及抑制劑的降解作用、對纖維素的分解作用等都有重要意義。在醫藥行業中，土壤放線菌豐富的次級代謝產物可用于抗腫瘤抗生素、酶抑制劑、免疫抑制劑等的開發生產。在環境污染治理中，土壤放線菌亦可發揮其生物修復作用。因此，開發與研究土壤放線菌資源具有極高的科學價值、經濟價值和社會價值。

(3)目前在土壤放線菌資源的研究中還存在一些問題。隨著對土壤放線菌研究開發的不斷深入，目前對普通土壤環境中放線菌的研究開發愈發困難，發現新菌的概率越來越低，需要進一步從一些特殊生境中分離篩選新的放線菌。同時土壤放線菌分離篩選工作也陷入瓶頸，需要科研工作者結合化學、分子生物學等學科的相關技術與理論，進一步積累和不斷創新，如不斷開發更有效的預處理方法、抑制劑和分離培養基等。

(4)由于土壤放線菌次生代謝產物的有效成分復雜、含量低，而且對其化學組成及結構的研究過程耗溶劑、耗能、耗時、提取率低，大量的重復性實驗過程使得發現新藥物先導化合物的幾率不斷降低。應當不斷提高選擇性分離技術、UPLC-Q-TOF-MS去重復化技術、快速鑒定技術等，以提高從土壤放線菌中開發新化合物的效率。