蟬花研究進展

梁世偉,王洪凱

(1.浙江中醫藥大學,浙江 杭州 310053; 2.浙江大學 生物技術研究所,浙江 杭州 310058)

蟬花是我國的一種傳統中藥,民間對其保健作用很早就有認識,在我國具有悠久的食藥兩用的應用歷史?，F代科學研究證實蟬花是由真菌寄生蟬若蟲后,生長發育成的菌-蟲復合體[1]。目前,蟬花是僅次于冬蟲夏草和蛹蟲草的蟲草屬中的食藥用真菌[2]。近年來與冬蟲夏草面臨的情況相似,隨著大量采集,野外蟬花數量已經大量減少,因而人工培養是重要的補充。隨著人們對中醫藥在生命健康中作用的重視,蟬花的研究也比較迅速。本文對蟬花在科學分類、藥用成分及其治病機理、分子遺傳方面的研究進展進行了綜述。

1 蟬花的分類地位

蟬花是我國的傳統中藥,是麥角菌科真菌寄生山蟬(Cicadaeflammata)等的若蟲后形成的菌-蟲復合體,與冬蟲夏草同屬[1]。蟬花真菌的有性態(Cordycepscicadae)在自然界很少見到,實際中采集到的多是其無性態。1838年Miquel將蟬花真菌的無性態定名為蟬棒束孢菌(Isariacicadae),1895年Massee在研究有性態-無性態的聯系中,將Isariacicadae作為C.cicadae(Miq.)的異名,命名為大蟬草[Cordycepscicadae(Miq.) Massee][3]。

由于蟬花在日本、韓國等地作為藥用菌廣泛應用,其后出現了多種同物異名,如C.cicadaeS.Z. Shing、IsariacicadaeMiq.、C.cicadae(Miq.) Massee、I.sinclairii(Berk.) Lloyd、Paecilomycescicadae(Miq.) Samson以及Ophiocordycepssobolifera(Hill ex Watson)G.H. Sung et al. 等[4]。1974年,Samson對棒束孢菌及其近似種進行研究,將分生孢子梗瓶形、向上突然變細呈細長頸且分生孢子成鏈的棒束孢移入擬青霉屬,相應地,蟬花菌的無性態命名為蟬擬青霉[Paecilomycescicadae(Miq.) Samson][5]。2005年Luangsa-Ard等[6]根據微管蛋白和ITS rDNA的序列,分析擬青霉屬和棒束孢屬的進化關系,認為這兩個屬的真菌進化上區分明顯,將包括蟬擬青霉在內的10個種歸入棒束孢屬,因此,蟬花真菌的無性態階段應該為蟬棒束孢菌(IsariacicadaeMiq.)。

在2011年學術界已經把“一種真菌一個名稱”作為共識,在蟬花的分類上,由于其有性態在自然界很少見到,推薦用I.cicadae作為蟬花的科學名稱。但2017年,Kepler等[3]在對蟲草科(Cordycipitaceae)的模式標本進行細致研究的基礎上,認為蟲草屬名稱比棒束孢屬更早確立,并被更廣泛應用,提出用蟲草屬(Cordyceps)替代棒束孢屬(Isaria)。2020年,Zha等[7]對世界各地以Isariacicadae或其異名命名的標本細致研究,在分析了84個菌株的ITS序列的基礎上,認為蟬花是蟲草屬中一個獨立的種,而I.cicadae是巴西的標本命名的,I.sinclairii是以新西蘭的標本命名,沒有DNA數據,因而作為異名比較合適。鑒于蟬花和Cordycepscicadae被廣泛接受并應用,認為恢復用Cordycepscicadae(Miq.) Massee作為蟬花的科學名稱。

由于蟬花菌的有性態很難見到,其有性態-無性態聯系方面的資料很少,對于蟬花菌的有性態的學名,在國內外應用中長期混亂,曾有蟬蟲草CordycepscicadaeMassee(Massee 1895)、小蟬草Cordycepssobolifera、大蟬草(地方名“獨角龍”)CordycepscicadaeShing(TolypocladiumdujiaolongaeY.P. Cao &C.R. Li)及小林蟲草CordycepskobayasiiKoval等名稱。李增智等[8-9]在井岡山采集到了一份標本,其上既有蟬花有性型,也有無性型。他們采用多基因位點DNA片段序列分析,認為I.cicadae是物種復合群,而歷史上曾被誤認為是蟬花有性態的小蟬草和大蟬草(獨角龍彎頸霉)都不屬于蟬花所在的蟲草科。他們根據系統發育樹上其標本的位置,將其作為一個新種并命名為Cordycepschanhua。關于蟬花菌有性-無性態聯系及其在科學分類中的作用,還需要做更深入的研究。

2 蟬花的應用現狀

2.1 蟬花的藥用實踐

蟬花是生活在土壤中的真菌-蟬復合體,其藥用部分包括兩部分: 地上部分為真菌子實體(子座),地下部分為菌核(蟬蛹中充滿了真菌的菌絲體)。蟬花廣泛分布于中國、南亞、韓國濟州島、北美、歐洲[7]。作為藥食兩用菌,蟬花在我國公元5世紀的南北朝時期就有記載[5],其藥用和保健應用比冬蟲夏草早3個多世紀。野外采到此菌后,去掉表面泥土,曬干研成粉末即可藥用[1]。中國早期的醫藥著作中記載,蟬花長期以來一直被用于治療疲勞、夜汗、發燒、兒童驚厥、心悸和頭暈。由于冬蟲夏草對腎病中的治療作用,價格越來越昂貴,因此,在臨床上有研究者將蟬花用于冬蟲夏草的替代試驗,發現效果近似,由此引發學術界對蟬花研究的重視。現代醫學研究發現,蟬花的功效與冬蟲夏草近似,在慢性腎病、免疫調節、癌癥治療方面都有效果[10],還用于哮喘的治療[11]。現代藥理學研究還表明,蟬花具有抗腫瘤、抗疲勞、抗炎、免疫調節、鎮痛、保護腎臟和鎮靜作用,動物試驗還顯示其有延長壽命的作用[8]。

2.2 蟬花菌在其他方面的應用研究

蟬花作為一種蟲生真菌,可寄生多種害蟲。蟬花的分生孢子對小菜蛾、桃蛀果蛾、菜粉蝶等鱗翅目昆蟲有防治作用,對小菜蛾的致病性達70%[11]。蟬花的分生孢子和發酵液對蠶豆蚜、甘藍蚜、白粉虱等同翅目害蟲有防治作用[4],還具有殺線蟲作用,可用于開發防治植物病蟲害的生防制劑。作為具有腐生作用的真菌,蟬花菌可以降解除草劑,修復除草劑污染的土壤[12]。發酵產物可以開發成生物絮凝劑,用于水污染物的生物處理[13]。對動物也有保健作用,飼料中添加蟬花菌發酵產物,可提高肉雞的生長性能,改善機體抗氧化狀態,有利于提高雞肉品質[14]。

3 蟬花的藥用成分及其作用

3.1 蟬花的藥用成分研究

蟬花具有與冬蟲夏草和蛹蟲草相似的生物活性物質和藥用價值。研究發現,蟬花粗提物具有腎臟保護、肝臟保護、神經保護和抗癌作用[15]。丁醇提取物具有明顯抗氧化、消除活性氧的作用,乙醇提取物有抗癌效果[2]。液體培養產生的麥角甾醇過氧化物具有抗癌效果[16]。此外,還從蟬花中分離得到一些具有抗細菌和線蟲活性的化合物[2]。

許多生物活性物質從蟬花菌中分離鑒定出來,如腺苷、真菌多糖、麥角甾醇、蟲草素、多球殼菌素、肉豆蔻苷、過氧化麥角甾醇、核苷等[8,17],并不斷有新的活性物質被發現[18-20]。其中多種種活性物質,包括多糖、蟲草素、過氧化麥角固醇、蟲草菌素和白僵菌素等對多種細胞具有抗癌作用。此外,N6-(2-羥乙基)-腺苷[N6-(2-hydroxyethyl)-adenosine, HEA]具有保護肝臟、保護腎臟和抗糖尿病的作用[21]。腺苷、蟲草素和丁醇提取物具有神經保護作用。

3.2 蟬花的藥用機理

3.2.1 利用細胞系體外研究蟬花提高免疫、抗癌的機理

隨著研究的深入,蟬花菌的藥理機制不斷被揭示出來。實驗室中可以用特定的細胞系在體外檢測蟬花菌的藥理作用。蟬花菌可以調節T細胞的免疫活性,抑制肺癌和黑色素瘤的生長[22],抑制T-淋巴細胞的增殖[10]。一種被稱為PCIPS3的蟬花多糖對2,2-二苯基-1-吡啶酰肼自由基、超氧自由基、羥基自由基、ORAC自由基具有良好的清除能力,并具有中等的免疫調節活性[23]。蟬花產生的白僵菌素(beauvericin)對人白血病細胞系和人肺癌細胞系具有明顯的細胞毒性[24]。蟬花菌水提取物可以抑制肝癌細胞的生長[25]。蟬花孢子破壁后,釋放出多種活性成分,具有抗腫瘤潛力[26]。

Xu等[27]研究了蟬花多糖對Hela細胞增殖和細胞毒性的影響。研究表明,蟬花多糖可抑制Hela細胞的增殖,阻斷S期細胞周期,促進細胞凋亡。多糖處理抑制了細胞周期蛋白E、細胞周期蛋白A和CDK2的表達,并上調了P53的表達。蟬花多糖能夠激活細胞凋亡的級聯反應,促進其通路中死亡受體的上調以及促凋亡因子/抗凋亡因子的比值,從而導致細胞周期停滯并誘導細胞凋亡。研究結果為開發低毒、具有高效抗癌效果的天然藥物的奠定了基礎。

HEA是蟬花產生的一種重要的核苷類生物活性物質,具有抗炎、抗腎上腺皮質激素、拮抗鈣離子、抗腫瘤、鎮靜、殺蟲、抗輻射和抗糖尿病等作用。HEA經丁醇提取后處理細胞,能夠使抗氧化酶活性升高,抑制脂質過氧化,可以有效降低活性氧對PC12細胞系的誘導性細胞死亡,減少活性氧的產生、氧化應激和保護線粒體功能[28]。

Xie等[29]利用胃癌細胞(SGC-7901和AGS)研究了蟬花菌絲提取物對胃癌的抗腫瘤作用。結果表明,蟬花提取物可誘導細胞caspase依賴性凋亡,抑制SGC-7901細胞增殖并誘導細胞形態異常,將細胞周期阻滯在S期,增加內質網應激。進一步研究發現,蟬花菌絲中的HEA可誘導活性氧產生和線粒體膜電位去極化。HEA可以觸發caspase依賴的細胞凋亡,促進細胞內Ca2+相關內質網(ER)應激和自噬。另一方面,HEA能顯著抑制裸鼠移植瘤的生長,并誘導體內腫瘤組織細胞凋亡[30]。

3.2.2 利用大鼠模型研究蟬花對神經系統病害的治療保護機理

蟬花真菌多糖可以保護神經系統,減少活性氧的傷害[31]。蟲草素提高神經系統的抗氧化作用,對帕金森氏病有效果[32]。腺苷通過抗氧化作用,可以保護神經系統,減少谷氨酸鹽誘發的活性氧傷害[33]。用Aβ40(一種神經毒性蛋白)和鏈脲佐菌素(STZ)可以誘導大鼠形成阿爾茨海默病。Wu等[34]用深海水的培養基培養蟬花菌絲(DCC)處理阿爾茨海默病大鼠模型,研究蟬花菌絲對阿爾茨海默病的治療機理。結果發現,DCC通過增加腦內sRAGE的表達,可抑制Aβ40和鏈脲佐菌素(STZ)輸注引起的BACE、促炎因子表達和Aβ40的積累,改善阿爾茨海默病引起的記憶障礙。此外,DCC中高含量的有機鎂增強了MAGT1的表達,減輕了阿爾茨海默病癥狀。

Liu等[35]用大鼠模型,研究了蟬花的核苷的提取物(CCNE)對順鉑誘導的神經毒性的保護作用。大鼠口服CCNE后,降低了順鉑導致的大鼠乙酰膽堿酯酶水平、促炎細胞因子水平和脂質過氧化的上升,同時增加了腦組織中的抗氧化酶譜。此外,CCNE治療減輕了順鉑治療引起的腦組織病理學改變。這些結果表明,CCNE通過抑制氧化應激和炎癥,改善順鉑治療大鼠的記憶障礙、神經病變、氧化應激增加和炎癥,顯著改善順鉑誘導的學習記憶障礙、抑郁行為、運動協調性以及熱刺激和機械性痛覺過敏等不良癥狀。

3.2.3 利用模式動物研究蟬花對細胞的抗衰老、提高免疫力機理

蟬花菌的丁醇提取物抗衰老[36]。蟬花多糖的抗氧化活性測試結果顯示,所有組分(即 cp30-cp80)均有效,其中cp70的效力最強。cp70能顯著延長果蠅的壽命,增加過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性,抑制丙二醛的生成。此外,cp70還上調了果蠅抗氧化相關基因的表達水平從而延長果蠅的壽命[36]。由此可見,蟬花多糖具有顯著的抗氧化和抗衰老活性[37],可作為一種延緩衰老的膳食補充。

Xu等[38]從蟬花中分離純化得到的一種新的多糖(JCH-1),其具有促進一氧化氮(NO)、腫瘤壞死因子(TNF-α)和白細胞介素6(IL-6)分泌的免疫調節作用。真菌多糖JCH-1通過激活 TLR4特異性促進 MAPK信號通路介導的p65核轉錄,可能有助于免疫細胞中免疫效果的發揮。

蟬花提取物可以通過抑制大鼠氧化應激和促炎癥來預防CISP睪丸損傷。順鉑(CISP)是一種用于化療的有效抗癌藥物,但其臨床應用的限制因素是其不良的副作用——導致器官毒性,包括造成氧化和炎癥級聯反應相關的睪丸損傷。Wang等[39]研究發現,順鉑誘導的大鼠在處理前7天服用蟬花提取物,可以抑制睪丸谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、總抗氧化物含量(TAC)的活性,從而抑制CISP誘導的生殖指數改變,恢復睪丸中的抗氧化活性,減輕炎癥和組織學損傷。

3.2.4 蟬花的護肝、治療眼病的作用

蟬花菌的菌絲提取物可以防止肝臟由四氯化碳誘發的肝臟纖維化。Ke等[40]利用對四氯化碳敏感的BALB/c 小鼠研究了蟬花菌絲體對四氯化碳誘導的肝損傷的保護作用。蟬花菌絲體通過TNF-α/IL-6途徑、TGF-β1/CTGF途徑和抗氧化防御機制實現了保護肝組織纖維化的效果。盡管腺苷、HEA和多糖都對CCl4誘導的肝損傷有保護作用,但Ke等[40]認為HEA應該是蟬花菌絲體中預防肝纖維化的主要生物活性化合物。

Horng等[41]利用激素誘導青光眼大鼠模型,研究了蟬花對青光眼的治療作用。研究發現,蟬花菌絲的水提取物用藥4周后,丙二醛和乳酸脫氫酶水平顯著降低,過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶水平顯著升高。結果表明,蟬花菌絲具有明顯的抗氧化活性和降低眼壓的作用,可能有助于預防或治療青光眼。

3.2.5 蟬花對肥胖糖尿病的作用機理

蟬花對于2型糖尿病患者具有治療作用[42]。Sun等[43]用鏈脲佐菌素(STZ)誘導的高脂飲食(HFD)喂養的白化Wistar大鼠,建立了2型糖尿病(T2DM)大鼠模型。用蟬花治療6周后,治療組的血糖、總膽固醇(TC)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白(HDL-c)和低密度脂蛋白(LDL-c)都顯著降低。為了藥效的穩定,他們以腺苷和N6-(2-羥基乙基)腺苷(HEA)作為蟬花藥效質量指標,建立了基于高效液相色譜(HPLC)的定性定量方法,作為質量控制標準。他們的質量控制體系是0.90 mg·g-1腺苷和0.89 mg·g-1HEA。這個研究提供了蟬花應用的可靠的質量控制方法,拓展了蟬花的應用空間。

Zhang等[44]研究了蟬花多糖對肥胖和糖代謝紊亂的治療作用。利用蟬花多糖治療11周,顯著且呈劑量依賴性地降低了體重和肝臟質量、胰島素和葡萄糖耐量、血清胰島素和葡萄糖水平?？寡趸兔富钚詸z測表明,蟬花多糖通過降低脂質過氧化水平(MDA)和上調谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性,減輕肝臟氧化應激,并通過減少肝臟脂質積累改善組織病變,起到了對肥胖的治療效果。

3.2.6 蟬花對細菌的抑制和對腸道菌群的調節作用

蟬花產生的多糖能夠破壞細菌細胞壁和細胞膜,增加細胞膜透性,抑制細菌生長[45]。Cen等[46]對蟬花菌絲中抗菌蛋白的抗性機理進行了研究。蟬花菌體粗蛋白提取物對大腸埃希菌有明顯的抑制作用。粗蛋白提取物可破壞細菌的細胞膜,改變整個細胞或膜蛋白的含量,能有效地與細菌DNA相互作用。實時定量PCR結果表明,蟬花粗蛋白提取物可以抑制細菌鞭毛生物合成基因fliP、fliO、flgD和flhB的表達水平下調,從而有效抑制了細菌的生長繁殖。

Tian等[47]研究了蟬花產生的2種胞外多糖對腸道微生物的影響。結果表明,胞外多糖不能被唾液消化,但是可以被腸道微生物降解。在此過程中,胞外多糖對腸道微生物菌群結構具有調節作用。胞外多糖可以增加類桿菌和弧菌的相對豐度,減少致病菌大腸埃希菌志賀氏菌、克雷伯菌和梭桿菌,優化腸道微生物菌群。此外,胞外多糖還可以促進消化道產生短鏈脂肪酸。這些結果表明,蟬花可以作為一種功能性食品,通過促進腸道菌群結構優化來改善健康和預防疾病。

3.2.7 蟬花對腎臟病變的治療作用機理

蟬花具有潛在的腎臟保護作用,被廣泛用于治療多種腎臟疾病。高血壓性腎損害將導致嚴重腎病。為了探討蟬花對高血壓腎損傷保護作用的機制,Huang等[48]以自發性高血壓大鼠模型和血管緊張素Ⅱ處理培養的腎小管上皮細胞(TECs)為實驗材料,研究蟬花對腎小管上皮細胞(TECs)的保護作用。結果表明,蟬花可降低腎組織24 h尿清蛋白、白蛋白/肌酐比值(ACR),降低 β2-MG 水平和腎損傷分子-1(Kim-1)水平,減輕腎間質纖維化,降低腎組織 α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)的表達,顯著減少血管緊張素誘導產物和中性粒細胞明膠化脂質蛋白的產生,能抑制caspase-3的活性,提高細胞活力,減少細胞的凋亡。蟬花在高血壓條件下對腎小管上皮細胞的保護作用可能與其通過調節SIRT1/p53通路抑制凋亡有關。Cai等[49]利用高血壓腎病大鼠模型,研究了蟬花對高血壓腎損傷的治療作用機理。他們研究發現,蟬花顯著降低了對腎小管上皮細胞的損傷以及轉化生長因子(TGFβ1)、α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)、I型膠原蛋白(Col-1)和纖維連接蛋白的表達。同時,蟬花顯著下調Beclin-1和自噬蛋白LC3Ⅱ,降低自噬受體SQSTM1/p62的表達,顯示出對自噬小泡的抑制和自噬應激的緩解。Yang等[50]研究發現,用黃芪經蟬花發酵后,其發酵產物對糖尿病腎病的延緩作用優于黃芪。發酵產物可能通過抑制PI3K/AKT/mTOR信號通路增強腎臟的足突細胞自噬并延緩糖尿病腎病的損傷。

對于蟬花對慢性腎病的治療機理,Zhu等[51]認為蟬花菌的活性成分可以抑制腎臟纖維化;Zheng等[52]研究了蟬花孢子多糖保護腎臟的作用。蟬花孢子多糖CCSP-2對脂多糖誘導的膿毒性急性腎損傷小鼠具有明顯的保護作用,可明顯減輕小鼠腎水腫;降低24 h尿蛋白、血尿素氮和血清肌酐;抑制血清促炎細胞因子的釋放;提高抗氧化酶活性;降低氧化損傷產物的水平。

急性腎損傷是臨床常見的問題,可以導致是腎功能突然喪失,最終發展為腎纖維化和腎功能衰竭,死亡風險高。Deng 等[53]將蟬花的水提取物(WCC)和乙醇提取物(ECC),用于研究腎損傷動物模型中的治療作用。結果表明,WCC和ECC能明顯減輕腎損傷造成的腎臟組織學改變、血清肌酐和尿素氮的產生以及 NO、TNF-α、IL-1β 和IL-6的水平。WCC和ECC均能降低血清丙二醛和谷胱甘肽水平。此外,還發現WCC增加了腎組織中自噬相關蛋白LC3B和Beclin-1的表達水平,并上調了促凋亡蛋白相關基因的表達水平。蟬花菌絲中的腺苷和HEA這兩種活性化合物可抑制患病大鼠組織中一氧化氮和細胞內活性氧的產生?？偟膩碚f,水提取物可以通過抑制氧化應激和炎癥,為預防腎損傷提供一個潛在的治療候選方案。

糖尿病腎病(DN)是糖尿病最常見的并發癥之一,是終末期腎病的主要原因。HEA對糖尿病腎病的作用明顯。Wang等[54]利用患糖尿病大鼠研究了蟬花產生的HEA對腎臟的保護作用。用HEA治療6周,可顯著提高腎臟抗氧化水平,降低血糖、血清肌酐、血尿素氮、尿蛋白、血清蛋白和促炎癥介質的水平,并呈劑量依賴性。對糖尿病大鼠腎臟的組織學評估表明,HEA還改善了腎小球和腎小管的變化。Yin等[55]認為,HEA作用的分子機制是調節腎臟血尿素氮和肌酐水平,降低丙二醛、腫瘤壞死因子、白細胞介素1β和白細胞介素6的表達。此外,HEA還上調了超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化酶的活性。Chyau等[56]研究還顯示,HEA治療通過調節GRP78/ATF6/PERK/IRE1α/CHOP(78-ku糖調節蛋白/轉錄激活因子6/蛋白激酶RNA樣內質網激酶/肌醇依賴跨膜激酶/C/EBP 同源蛋白)通路,通過其抗炎作用改善腎功能。

3.3 蟬花的安全性

在我國民間,對野生蟬花的安全性雖未有系統研究,但蟬花長期作為藥食兩用的滋補佳品與功能食品[26,57],經受了長期實踐的檢驗。近年來,研究人員從野生蟬花中分離出蟬花菌的無性態,進行人工培養,其活性成分和藥理作用與野生蟬花很相近,為解決蟬花的資源和藥用開發打下了基礎[4]。隨著人們對蟬花人工培養物安全性的日益關注和重視。陳祝安等[58]以每kg體重每天飼喂9 g的計量,對小鼠飼喂28 d未見任何不良反應。Chen等[59]研究表明,以每kg體重每天飼喂2 g的計量,對小鼠飼喂90 d未見任何不良反應,解剖也沒有發現不良反應。野生蟬花子實體水提液80 g·kg-1對小鼠無毒,是臨床日用量的444倍,證明了蟬花用于食品的安全性。2021年,我國相關部門已經批準人工養殖的蟬花作為新功能食品,為蟬花的廣泛應用提供了法律保障。

4 蟬花的分子生物學研究進展

利用分子生物學技術研究基因功能和相應的代謝途徑,在蛹蟲草真菌的研究中已經應用,但在蟬花菌中研究還很少[60]。據報道,蟬花菌的基因組大小33.9 Mb, 包含9 701個蛋白編碼基因[61]。本團隊采用三代測序技術,對我們從江蘇宜興采集到的蟬花菌株2-2進行了基因組測序分析,測得的基因組大小超過34.8 M。經過組裝,獲得了19個重疊群,其中超過3 M的有6個,達到染色體水平。通過分析,發現2-2菌株基因組編碼9 942個蛋白。

通過表達譜和代謝組學分析,Lu等[61]發現不同培養階段,不同方法,蟬花真菌細胞中的基因表達量不同,細胞中成分含量也有差異。人工培養條件下,無性態階段與交配型基因的表達無關,說明無性態和有性態在基因表達層面是相互獨立的。He等[62]對蟬花代謝組學研究顯示,與野生蟬花相比,人工培養的代謝更活躍,它們含有與三羧酸循環相關的代謝物,如肉堿、乙酰肉堿、煙酸、乙醛酸、檸檬酸、γ-氨基丁酸和琥珀酸,而相比之下,野生的新陳代謝要弱。采用質譜等多種分析方法對破壁的分生孢子成分分析發現,分生孢子中至少含有59種揮發性成分,這些成分具有潛在的醫療保健作用[26]。

真菌幾丁質酶在蟲生真菌寄生昆蟲過程中的幾丁質降解、細胞壁構建、幾丁質循環、營養獲取、自溶和毒力等方面發揮著重要作用。Peng等[63]結合蟬花的基因組和基因表達分析,發現蟬花基因組中有18個糖苷水解酶基因,其中17個是幾丁質酶基因。這些基因可以分為A、B、C共3個組,其中A組(包括7個基因)的表達量大,并在蟬花生長的各個階段都表達;B組(包括7個基因)在含有幾丁質的基質上高表達,可能與寄生昆蟲相關;C組(4個基因)表達量相對較低,其功能可比與其他真菌的互作相關。

蟲草素能夠誘導肺癌細胞的凋亡,在臨床上具有良好的應用前景。但其化學合成的成本高但產量低而難以實際應用。生物合成就成為非常重要的途徑。Liu等[64]利用高效液相色譜測定了蟲草素在蟬花不同組織中的含量,發現在人工栽培條件下,蟲草素在蟬花菌核中含量最高,在子實體中次之,在菌絲中沒有檢測到。蛹蟲草中蟲草素的生物合成是由脫氧腺苷(5′-deoxyadenosine)途徑進行的,而蟬花菌的基因組中卻沒有其同源基因。Liu等[64]利用轉錄組技術,對蟬花菌絲體、子實體和菌核的轉錄組進行了分析,并鑒定差異表達基因。在菌絲和菌核表達文庫中,分別鑒定出1 576個上調基因和2 300個下調基因。在菌絲體-子實體文庫和子實體-菌核體文庫中,分別有1 604和1 474個基因上調,1 365和1 320個基因下調。Liu等[64]對代謝途徑分析認為,腺苷是嘌呤途徑的重要中間產物,蟬花中蟲草素的合成可以從腺苷開始,經過一系列反應生物合成蟲草素。基因差異表達分析發現,與嘌呤途徑相關的基因有19個在菌絲與菌核中差異表達,28個基因在菌絲與子實體中差異表達,16個基因在菌絲與菌核中差異表達。通過定量PCR反應驗證,發現有6種關鍵酶基因表達差異明顯。其中,參與蟲草素生物合成的嘌呤核苷酸代謝途徑中的5′-核苷酸酶和腺苷脫氨酶在菌核中顯著上調,與蟲草素在組織中的含量動態相符,推測這兩個酶是以嘌呤途徑中的重要中間產物次黃嘌呤單核苷酸(IMP)為底物生物合成蟲草素的關鍵酶[65]。

5 問題與展望

近年來,隨著人們對健康生活需求的提高,食藥用真菌的研究開發越來越受到重視。作為我國重要的食藥用菌,蟬花的研究也取得了很多成果,研究不斷深入,但與當前人們的需求還有很大差距。雖然目前認為蟬花與冬蟲夏草的許多功能相似,但蟬花與冬蟲夏草、蛹蟲草研究的科學性、規范性相比,還明顯不足[2];對蟬花的有效藥用成分和功效了解不足,還沒有科學的標準對蟬花品質進行科學評價,目前采用蟲草素、蟲草酸等成分對冬蟲夏草、蛹蟲草的評價體系不適合蟬花,由此造成對人工栽培蟬花的質量標準評價不科學;對蟬花的生物學、生態學和與寄主互作關系認識不足,缺乏優質的栽培技術,如有研究認為栽培基質中添加4%的蟬蛹可以提高蟬花的代謝產物[13],而有研究認為蟬花生長環境中細菌群體結構影響蟬花代謝[66-67],不同發酵條件影響代謝產物的種類和含量等,制約了其在各個領域的進一步開發和應用。相對于冬蟲夏草、蛹蟲草等,蟬花產業相對較小。天然蟬花資源十分有限,且由于對野生資源認識不足,經常將其他菌體誤認為蟬花,或因為野外衛生條件不良,而造成負面影響。人工培養將是重要發展方向。蟬花的新功能有待進一步開發,如功能食品、化妝品等方面等。新的加工技術的應用將使產品形式多樣化[68]。雖然人工培養的蟬花菌體已經是新資源食品,但是執法實踐需要在產業發展中進一步完善。

根據目前蟬花的生產和研究現狀,必須用現代前沿生物科學技術,促進蟬花的科學研究,為蟬花可持續高質量的科學應用提供保障。隨著蟬花分子轉化系統的建立[63],要將功能基因組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學、脂組學等前沿科學技術應用于蟬花的研究,明確蟬花的分子遺傳特性和基因調控網絡,深入揭示蟬花的生物學特性,明確活性成分的代謝網絡;將蟬花的生物學研究與醫療保健效果研究緊密結合,明確蟬花組分的醫療保健作用,為蟬花的科學應用提供依據;在此基礎上,發展基因編輯技術,消除蟬花基因組中可能的不良產物基因,提高有用的活性成分和營養組分,為滿足人們對蟬花日益增長的需求提供技術支持;將蟬花與其他食藥用菌進行(近)遠緣雜交[69],結合分子育種,開發優質新品種。