植物内生菌次生代谢产物活性多样性及其应用前景

马莲菊, 王金缘, 张韫璐, 姚展鹏, 赵 颍, 何美婧, 柳福丹, 韩媛媛

(沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

植物内生菌次生代谢产物活性多样性及其应用前景

马莲菊, 王金缘, 张韫璐, 姚展鹏, 赵 颍, 何美婧, 柳福丹, 韩媛媛

(沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

植物内生菌(endophyte)包括内生真菌、内生细菌和放线菌,是一类新型微生物资源,在农业和医药业上有潜在应用价值。植物内生菌次生代谢产物具有丰富的化学结构多样性和广泛的生物活性,能够促进植物生长,提高植物对生物胁迫和非生物胁迫抗性等。从植物内生菌的种类及具有各种生物活性的植物内生菌次生代谢产物方面进行了介绍,并对他们在杀虫、抗菌、抗肿瘤等生物胁迫和在促进土壤修复、促进植物生长、抗氧化、抗渗透等非生物胁迫中的作用进行了阐述,分析了内生菌次生代谢产物在研究中存在的问题以及对这些植物内生菌次生代谢产物的应用前景和潜在价值进行了探讨。

植物内生菌; 次生代谢产物; 生物活性物质; 多样性

植物内生菌可以定义为那些在其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织、器官内部的真菌或细菌,被感染的宿主植物( 至少是暂时) 不表现出明显的症状[1]。植物内生菌是植物微生态系统中必不可少的一部分,具有分布广,种类多的特点,在演化过程中与寄主植物和睦相处,形成一种互利共生的和谐关系。宿主植物在感染内生菌时比没有感染内生菌更具生存竞争力,比如生长速度快,抗逆境、抗病害、抗动物危害能力强等。研究表明植物内生菌次生代谢产物在发挥这些作用时起了重要作用。植物内生菌产生的次生代谢产物十分丰富,并且具有多种生物活性,在农业和医药业中的应用潜力巨大。

1 植物内生菌种类

植物内生菌包括内生细菌、内生真菌和放线菌。

1.1 内生真菌

植物内生真菌包括核菌纲(Pyrenomycetes)、盘菌纲(Discomycetes)和腔菌纲(Loculoascomycetes)的许多种类以及它们的一些衍生菌。内生真菌象镰刀菌属、芽枝霉属、交链孢属、根霉属、毛壳菌属、青霉属、曲霉菌属、向基孢属、盘多毛孢属、头孢霉属、枝顶孢属等在药用植物中皆有分布[2]。除药用植物外,内生真菌也大量存在于禾本科植物中。

1.2 内生细菌

目前已从多种作物根组织中分离得到的内生细菌种类有219种,分别属于71属,以假单孢菌属、芽孢杆菌属最常见[3]。杨海莲等[4]从水稻中分离出了既具有固氮活性,又对水稻稻瘟病和纹枯病有较好防治能力的内生细菌阴沟肠杆菌MR12(Enterobactercloacae)。何红等[5]从辣椒中分离出1株内生枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),分泌的抗菌多肽对多种植物病原真菌和细菌如植物炭疽病菌和番茄青枯病菌等都有较强的抑制作用。

1.3 内生放线菌

植物内生放线菌是一个巨大的抗生素来源库,目前却被开发的很少。内生放线菌主要是丝状放线菌和链霉菌属。澳大利亚的Coombs研发小组从小麦根部分离出60多株放线菌,可以将小麦全蚀病的菌株降低到原来的30%[6]。Pullen等从卫矛科植物中分离出1株内生链霉菌,产生的chloropyrrol抗生素能够抑制多种耐药性细菌和分枝杆菌活性[7]。

2 植物内生菌次生代谢产物活性多样性及其作用

植物内生菌产生的次生代谢产物对植物的生长及抗逆性等方面也起到很大作用。植物内生菌主要通过2种途径来促进活性成分的产生和积累,包括自身产生植物所需要的活性成分以及刺激植物产生一些活性成分[8]。研究发现内生菌除了产生与宿主相同或者相似的化合物外,还产生醌类、萜类、异香豆素、生物碱类、甾体、苯并呋喃类和多肽化合物、酚类等次生代谢产物[9]。这些活性代谢产物不仅具有抗菌、抗肿瘤、抗氧化、杀虫剂、促生长等生物活性,而且有利于维持和宿主植物之间的许多动态平衡关系,如互利共生、拮抗、竞争等[10]。这些次生代谢产物既可以使植物适应对非生物的胁迫,又可以在生物胁迫方面表现出较强的适应力,如昆虫的袭击和微生物的侵害等[11]。

2.1 植物内生菌次生代谢产物提高宿主植物对生物胁迫的抗性

2.1.1 产生杀虫类物质

目前已经从多种植物中分离出能促进植物抵抗病虫害的内生菌,其产生的次生代谢产物发挥了关键作用。陶玲等从红树林内生放线菌I07A-01824的发酵产物中分离纯化得到了一种不饱和脂肪酸-5,8-二烯十四酸,对线虫有较强的致死作用[12]。李晓璐等为筛选水黄皮内生菌中对水稻害虫有毒杀作用的菌株,从健康水黄皮植物的根、茎、叶和种子中进行菌株分离,经初筛及复筛,内生菌麦角菌[Clavicepspurpurea(StF1)]和蜡样芽胞杆菌[Bacilluscereus(SeB3)]的发酵液粗提物对稻飞虱和稻纵卷叶螟致死率达85%以上,是不可多得的生物源杀虫剂[13]。从醉鱼草中分离纯化得到的内生刺盘孢属真菌(Colletotrichumgloeosporioide),其发酵液具有很强的杀卤虫活性[14]。张华娇从雷公藤中分离得到内生真菌菌株11-6-76,并且利用此菌株的胞内和胞外代谢物处理蚜虫,蚜虫死亡率分别达到78.64%和70.75%[15]。

2.1.2 产生抗菌活性物质

抗菌活性物质的种类有很多,它们不仅可以抑杀病原微生物,也可以抑杀其他细菌、真菌、病毒以及一些原生生物,这些活性物质包括多肽、有机酸、萘和萜类等。戴红星从银杏中分离到1株对核盘菌(Sclerotiniaselerotiorum)具有拮抗作用的内生球毛科菌(Chaetomiumglobosum),经研究其发酵产物抑制核盘菌的活性较强,抑菌率可以达到34.5%[16]。陈志敏从火棘属蔷薇科植物中分离得到15 株内生真菌,发现其中13株对一些植物病原真菌表现出50%以上抑菌活性[17]。从大叶冬青茎中分离得到的芽孢杆菌 ZZ185,其正丁醇提取物中得到芽孢菌霉素的混合物对一些植物病原菌的抑制能力很强,尤其是植物病原菌链格孢菌、稻纹枯病菌、栗疫病菌和疫霉菌等 5 种病原真菌[18]。从鬼针草Bidenspilosa的茎中分离得到内生真菌Botryosphaeriarhodina,其发酵液中得到2种缩酚酸环醚对土曲霉、尖孢镰刀菌等致病性真菌有一定的抑制作用[19]。毕江涛等对桃儿七内生真菌做了研究,发现抑菌活性菌株主要分布在曲霉属、单孢枝霉属和梭孢霉属具有多样性和明显的抗外源真菌活性[20]。孙红敏[21]等对蛇足石杉内生细菌的生理活性进行筛选,发现菌株I13A-00415、I13B-00706及I15A-00585在1%发酵液样品浓度下,抗HIV活性高达99.9%;菌株I14A-00814对肺炎克雷伯菌、粪肠球菌HH22、耻垢分枝杆菌以及掷孢酵母SO4均显示出抑制作用。

2.1.3 产生抗肿瘤活性物质

植物内生菌可以产生一些抵抗人类疾病的药物,因此内生菌在医药业中具有很高的开发利用价值。有些植物内生菌产生的抗癌活性物质,如紫杉醇等,与寄主植物相同或相似。但是像球毛壳甲素等却产生和寄主不同的抗癌物质,这为抗癌药物的生产开辟了一条新的途径。植物内生菌产生黄酮、麦角甾醇等化合物也解决了其他药物开发中的资源问题,为新药物的开发指明了方向。

赵宇[22]以海带内生菌 DNN7 粗蛋白为研究对象,经DEAE 52阴离子交换层析分离得到4个峰,分别为P1、P2、P3和P4,其中P3浓度为200 μg/mL时,对MDA-MB-231人乳腺癌细胞的抑制效果最佳,抑制率能达50.95%。Shen等[23]从原始定殖于黄花蒿根中的内生露湿漆斑菌IFB-E091的固体培养物中鉴定出一个新的具有细胞毒性的roridin型化合物roritoxin E,在体外可以抑制胃癌SGC-7901和肝癌SMMC-7721细胞系。Zhang等[24]从黄花蒿内生真菌烟曲霉AspergillusfumigatesSPS-02发酵液中分离到4种ardeemin衍生物,对白血病耐药细胞株 K562/DOX、人肺腺癌顺铂耐药细胞株A549/DDP 和卵巢癌顺铂耐药细胞株SK-OV-S/DDP的耐药性有不同程度的逆转作用。

2.2 植物内生菌次生代谢产物提高植物对非生物胁迫的抗性

宿主植物在干旱、低温、高温、盐碱以及重金属污染等逆境条件下,植物内生真菌能增强其抵抗能力,内生真菌可通过代谢活性产物促进植物免受逆境胁迫危害。Shin等[25]发现了能富集重金属并促进植物在重金属胁迫下生长的内生菌Bacillus sp. MN3-4。在干旱胁迫下,高羊茅植株感染内生真菌的抗旱能力明显远远高于未感染植株[26]。

2.2.1 产生促进土壤修复物质

通过物理和化学手段改善和消除土壤重金属污染,不仅费时费力,而且会造成土壤的一些功能退化,利用植物内生菌次生代谢产物修复土壤是一种环境友好型的解决办法。根际微生物与根系形成联合体,以菌根-内生菌等方式促进根系发展,使植物吸收和向上转运重金属能力增强,污染土壤的修复效率得以提高[27]。植物内生菌对土壤修复是通过菌根分泌物调节和螯合作用。菌根分泌物对菌根根际环境进行调节,使根际氧化还原电位和pH发生变化,通过分泌有机酸和其他物质与重金属结合,降低重金属毒性,以及阻止其向植物根部运输。Lodewyckx等研究发现,感染内生菌的植株根部镍的浓度比对照植株提高了30%,说明内生菌能将土壤中的镍固定在植物根部,从而达到修复土壤作用[28]。

2.2.2 产生促进植物生长调节物质

植物内生菌能够产生刺激植物生长的激素,如IAA、吲哚乙腈、细胞激动素等[29]。从大豆上分离得到的内生真菌PenicilliumfuniculosumLHL06,在铜和镉污染土壤中有较高的生长率,且能显著增加寄主植物生物量[30]。麻黄内生真菌Mh5的菌悬液对种子萌发起到促进作用[31]。Zhang[32]等从铁皮石斛(Dendrobiumcandidum)根中分离到的Myccnasp.,能够显著增大组培苗的根系,株高、鲜重、干重和新芽数。袁源[33]从一株银杏内生真菌中提取分离出6种次生代谢产物,分别为呋喃核糖,腺嘌呤,腺嘌呤核苷,腺嘌呤脱氧核苷,尿嘧啶脱氧核苷,3-甲基哌嗪-2,5-二酮,这些化合物均能促进植物种子萌发。植物内生菌还可以分泌胞外多糖改善土壤结构,改变根部周围环境来缓解非生物胁迫压力,从而使植物根部更适应环境,促进植物更好地生长[34]。

2.2.3 产生抗氧化性物质

植物内生菌还能产生一些具有抗氧化性作用的次生代谢产物。熊党生从健康葛根植株的根、茎、叶中分离得到2株具有抗氧化活性的内生菌S1和S2,其乙醇提取液抗氧化活性较高[35]。Zhao等[36]从植物虎皮檀分离出1株内生真菌Aspergillusfumigates,其代谢产物中含有抗氧化活性很强的黄酮类化合物。张新国[37]等从具有抗氧化活性的药用植物车前草、薄荷、乌头、唐松草、独活等分离到43株内生真菌,显示具有较好的抗氧化活性。

2.2.4 产生抗渗透性物质

植物一般通过调控代谢途径或者改变基因表达,对干旱、盐碱等渗透胁迫条件作出响应。王娜[38]等利用基因芯片技术对10% PEG 渗透胁迫下植物内生菌次生代谢产物处理的玉米进行差异基因表达谱分析,发现渗透胁迫下次生代谢产物能够引起玉米根系基因的表达发生变化。韩坤[39]等从海滨锦葵分离到4株内生细菌,分别是蜡样芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌,发现这4株细菌均且能显著提高盐胁迫下小麦幼苗的干重和叶绿素含量,以及显著提高抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性,表明内生细菌产生的次生代谢产物对盐胁迫的毒害有一定的缓解作用。

3 植物内生菌次生代谢产物的应用前景

植物内生菌分布广、种类多,我国有5 000多种药用植物,可开发的空间很大。许多药用植物的内生菌次生代谢产物不仅具有抗菌和杀虫活性,也可以作为对环境无公害农药的新来源。另外内生菌次生代谢产物也可以应用在卫生保健方面,如作为添加剂改善产品的品质。据报道将从云南烤烟组织中分离出1株内生菌株的发酵液添加到成品烟叶中,发现烟叶中烟碱和亚硝酸盐含量减少[40]。利用植物内生菌进行生物防治,可以减少化学农药的使用,减轻环境污染[41]。

综上所述,在生产实际中可以利用植物内生菌在宿主植物体内产生的次生代谢产物来提高植物对生物胁迫和非生物胁迫抗性,但也有一些问题亟需解决,比如内生菌次生代谢产物在对害虫产生毒害作用的同时,是否对牲畜也有毒害作用;内生菌次生代谢产物使宿主植物增强生存竞争力的同时,是否会导致群落多样性的降低;如何快速准确的提取内生菌次生代谢产物中的有效活性成分,以及如何将这些次生代谢产物利用到生产实际中去等等。

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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。

国家自然科学基金资助项目(31270369); 辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2013421); 沈阳市科学技术计划项目(F16-205-1-50)。

马莲菊(1969-),女,辽宁庄河人,沈阳师范大学副教授,博士。

1673-5862(2017)03-0344-05

Q938

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.03.016