药用植物内生细菌多样性及其生物学作用

吕艳娜，孙小萌，赵 芮，李文静，刘晓晶，蒲高忠

(1.潍坊医学院 药学院，山东 潍坊 261053； 2.广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所,广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室,广西 桂林 541006)

药用植物内生细菌多样性及其生物学作用

吕艳娜1，孙小萌1，赵 芮1，李文静1，刘晓晶1，蒲高忠2*

(1.潍坊医学院 药学院，山东 潍坊 261053； 2.广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所,广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室,广西 桂林 541006)

药用植物内生细菌资源丰富，其产生的多种活性成分，在医药业、农业等方面表现出良好的应用前景，是人类生存与发展的重要资源。该文综述了近年来药用植物内生细菌的研究进展情况，特别是对其多样性、产生的活性成分及其生物学作用进行了系统总结，并从药用植物内生细菌研究的特殊性出发，对其前景进行了展望。该文对于药用植物功能内生细菌的研究、开发与利用具有重要的理论指导和现实意义。

药用植物；内生细菌；多样性；活性成分；生物学作用

药用植物是筛选天然药用成分的主要原料之一，许多药用成分往往是从原植物中直接提取获得，但该方法提取的药用成分不仅含量低，工艺复杂，同时易受到地理环境及时令的限制[1]。过度采伐药用植物将可能导致物种枯竭、生物多样性的破坏，进而破坏自然界的生态平衡[1]，而人工种植药用植物不仅占用大面积耕地，同时将会面临农药污染、种子带病、品质退化等问题[2]。

近年来相关研究表明，从植物的根、茎、叶等组织器官中分离到许多内生菌，通过筛选，其中部分内生菌能产生与宿主相同或相似的药用活性成分[3]。通过培养药用植物内生菌来生产药用活性成分不仅可以突破植物生长周期长、产量低、不可再生等限制，同时为内生菌大规模发酵生产药用活性物质开辟了新途径[4]。由于药用植物内生菌产生的活性成分在医药业、农业与工业发酵等方面表现出良好的开发价值，近年来，有关药用植物内生菌的研究逐渐受到微生物学家、植物学家及生态学家的重视，然而这些研究多集中在内生真菌方面[3]，而对于药用植物内生细菌的研究却鲜有报道。本文以药用植物内生细菌为研究对象，结合内生细菌的独特性，介绍了药用植物内生细菌的研究现状，特别对其多样性、产生的活性成分及生物学作用作了系统介绍，以期为药用植物功能内生细菌的研究、开发与利用提供重要的参考依据，同时对植物药的新生产途径、功能药用植物的可持续发展及保护，均具有重要的经济及生态效益。

1 植物内生细菌

植物内生细菌的概念由Kloepper于1992年首次提出，他指出植物内生细菌能存在于植物体内，与植物体长期共生，且不会给宿主本身带来实质性的伤害[5]。随后，Wilson、Hallmann对这一概念进行了补充，1997年Hallmann等人将其定义为从表面消毒的植物组织中分离得到或者从植物体内部获得的，能定殖在健康植物细胞间隙或细胞内，但它们的存在并未使植物的表型特征和功能发生任何改变的细菌[5]。

自1876年Pasteur等人从无菌的葡萄果汁中提取到第一株内生细菌以来[6]，关于内生细菌的研究开始不断发展。国外自20世纪中叶起就已经在多种植物中分离到多种内生细菌，我国虽起步较晚，但已从水稻、玉米、马铃薯、番茄、柑桔、柠檬等50多种植物中分离鉴定出革兰氏阳性和阴性菌共计50余属，主要为芽孢杆菌属、黄单孢菌属、短小杆菌属、假单孢菌属等，其中以芽孢杆菌属最为常见，分离到的菌株数最多[2]。植物内生细菌的群落结构与植物的种类、器官、生长阶段和环境条件等因素有关，同时亦受分离时所采用的培养基、培养条件等因素的影响[7]。

内生细菌对宿主植物的生物学作用主要有三种：第一种对植物的作用是中性的，它们的定殖对植物的生长发育没有产生明显影响或尚未发现其作用，大部分内生细菌属于这一类；第二种对植物的生长发育具有促进作用，约5%～10%的内生细菌属于这一类[8]；第三种对植物的生长具有抑制作用，在一定条件下会诱发宿主植物病害，约10%～20%的内生细菌属于这一类[9]。然而，同一种细菌定殖于不同的宿主植物可能对宿主植物产生不同的生物学作用[2]。根据植物与内生细菌的关系一般将内生细菌分为两类，一类是专性内生细菌，只能在植物体内分离得到；另一类是兼性内生细菌，既能在植物体内分离得到，也能在植物根际与根际土壤中分离得到[2]。研究发现，大多数内生细菌属于兼性内生细菌[5]。

2 药用植物资源的多样性

药用植物具有丰富的物种多样性，为内生细菌的筛选提供了广泛的资源。我国幅员辽阔，气候多样，自然条件复杂，是世界上药用植物最丰富的国家之一，具有人参、银杏、独角莲等特有的药用植物[3]。20世纪80年代进行的全面系统的资源调查发现，我国的药用植物资源包括383科，2 309属，11 146种，其中藻类、菌类、地衣类低等植物有459种，苔藓类、蕨类、种子植物类高等植物有10 687种[10]。由于不同药用植物的生理功能及所含化学成分的不同，其内定殖的内生细菌群落结构及药用功能也可能不同，特殊条件下生长的药用植物体内可能含有特殊功能的内生细菌[2]。尽管我国对药用植物内生细菌的研究起步较晚，然而基于如此丰富的药用植物资源，对内生细菌的研究和探索将具有广阔的应用前景。

3 药用植物内生细菌资源的多样性

研究发现，药用植物内生细菌具有丰富的多样性，其多样性主要来自以下三个方面：首先是宿主植物本身的多样性。研究人员在半夏[Pinelliaternata(Thunb.) Druce]、金银花[LonicerajaponicaThunb.]、人参[PanaxginsengC. A. Mey.]、枸杞[LyciumchinenseMill.]、沙冬青[Ammopiptanthusmongolicus(Maxim.) S.H.Cheng ]、长春花[Catharanthusroseus(L.) G. Don]等几十种宿主药用植物中均发现了内生细菌的存在；其次是内生细菌自身的多样性，不同种植物内生细菌具有种群多样性，同一种植物不同组织器官中内生细菌亦呈现多样性；再次是植物分离器官的多样性，纵观对植物内生细菌的研究，内生细菌可存在于植株的根、茎、叶、花、果实等多种组织器官中[9,11](表1)。毕江涛等人[11]从濒危药用植物沙冬青中分离到内生细菌32株，其中根部10株，茎部6株，叶部16株，这32株内生细菌，包括革兰氏阳性菌28株，革兰氏阴性菌4株。许进娇等人[9]从雷公藤组织中分离到23株内生细菌，其中根部6株，茎部13 株，叶片4株。通过对刺五加[12]、冬凌草[13]、五味子[14]、甘草[15]、半夏[16]等药用植物的研究，发现从中分离的内生细菌亦呈现物种的多样性。此外，由于分离时所采用的培养基、培养条件、宿主生长阶段及生存环境等因素的差异，内生细菌的分离种类和数量也受到不同程度的影响[7]。

表1 常见药用植物内生细菌种类及其生物学作用

4 药用植物内生细菌活性成分及生物学作用

目前，药用植物内生细菌发酵产生的活性成分备受专家学者的关注，而已从药用植物内生细菌中发现的许多具有活性作用的新物质，与人们的生产、生活密切联系，并在医药业、农业等方面表现出重要的经济价值。

4.1 抗肿瘤作用

研究发现，一些药用植物中存在能产生抗肿瘤活性成分的内生细菌，并对肿瘤细胞的生长呈现显著的抑制作用。赵明等人[17]从华重楼中分离到的内生细菌能产生重楼甾体皂苷成分，而重楼甾体皂苷具有明显抗肿瘤的药理作用。曲红光等人[32]从人参内生细菌代谢产物中检测到了具有抗肿瘤活性的物质，并初步分析了其体外抗肿瘤活性，发现其对人宫颈癌细胞系HeLa细胞的生长表现出显著的抑制作用。李洁等人[33]从爵床中分离到2株具有较强抗癌活性的内生细菌YIM56081和YIM56077，活性检测表明这两株菌的代谢产物均表现出较强的抗癌活性。

4.2 抑菌作用

研究发现，许多药用植物中存在大量具有抗菌活性的细菌菌株。令利军等人[19]从独角莲块茎中分离到的 TGl16菌株对7种供试植物病原真菌均具有良好的抑制作用，为广谱型植物病原真菌拮抗菌，能使病原菌菌丝扭曲、变形等。金岩等人[14]通过对五味子内生细菌的研究发现其抑菌活性稳定，可作为生防菌使用。朱丽丽等人[20]从叶榕果实中分离到的内生细菌表现出较好的抑菌活性，展现出广阔的应用前景。此外，范晓静等人[29]从银杏中分离到一株对植物病原真菌抑菌效果较好，且具有较广拮抗谱的解淀粉芽孢杆菌，检测表明该菌所产生的挥发性物质具有较强的抗菌效果，为我国新型生物源农药的研制提供了参考菌源。

4.3 促生作用

内生细菌能促进植物的生长发育，其机制主要有两种途径，一是内生细菌通过生物固氮、产生铁载体、溶磷、合成特异酶或分泌产生植物生长素、细胞分裂素以及赤霉素等能促进植物生长的物质[2]，直接促进植物的生长发育。张洁等人[16]从半夏中分离到的嗜麦芽寡养单胞菌通过固氮和溶磷作用向植物提供营养成分，从而促进植株的生长发育。Pan和Vessey[34]报道指出，一些内生细菌能分泌生长素与细胞分裂素等能促进植物生长的化学物质来促进植物生长。张宝骏等人[30]对梨树内生细菌LP-5进行了促生作用研究，发现该菌株显著促进了黄瓜幼苗的生长，高效液相色谱分析表明该菌株具有促生作用可能是因为产生了植物生长激素吲哚乙酸。二是内生细菌通过促进宿主植物自身合成多种植物生长激素(如乙烯、生长素等)、改善宿主植物对N、P等营养元素以及其他矿物质的利用率、诱导宿主植物合成一些小分子物质或者酶来提高植物对有害环境及有害病原生物的敏感性等方面来间接促进宿主植物的生长发育[35]。高绘菊等人[31]研究了桑树内生细菌枯草芽孢杆菌L144对植物生长及营养代谢的影响，发现该菌株的菌体悬浮液及胞外分泌物对玉米幼苗表现出显著的促生作用。内生细菌对植物生长发育的影响是多方面的，同种内生细菌对不同植物品种的影响存在差异，内生细菌促宿主植物生长的效果受到植物体内环境及体外多种因素的影响。

4.4 病虫害防治作用

相关研究发现，内生细菌对植株具有良好的病虫害防治作用。陈延熙等人从植物体内筛选出有益的芽孢杆菌并将其制成微生态制剂，从1986年开始示范至今，已在小麦、水稻、棉花等50多种植物上接种应用，对植物具有增产、抗旱、防病、防寒、改善品质等作用[5]。柯杨等人[13]从冬凌草中分离到1株对多种植物病害均具有较强拮抗作用的细菌KD3，作为一种植物内生性的芽孢杆菌，KD3能够在植物组织和叶际的微生态环境中定殖并迅速生长，其所产生的芽孢对于紫外线辐射、低温、干燥等环境具有良好的耐受性，这些特性都是理想的采后病害生防菌的必要条件，因而具有良好的开发潜力和应用前景。

5 药用植物内生细菌研究的特殊性

对药用植物内生细菌的研究与其他植物内生细菌的研究有许多相同之处，在农业研究方面，研究者都注重内生细菌有益的生物学作用，如病害防治、促生、土壤修复、重金属污染等，通过改良作物中内生细菌的种群结构，使它们稳定维持在最佳水平以提高作物生产力[36]。此外，药用植物本身具有特殊性，其含有的特殊化学成分具有独特的药理活性，特别在治疗某些疑难杂症上具有不可替代的作用。基于这些特殊性，对于药用植物内生细菌的研究除注重于有益的生物学作用外，需更加侧重于其产生的活性物质及其作用，同时考虑到有效成分的含量及效果，以期找到具有良好抗肿瘤、抗菌等效果的新型活性物质。因此，对于药用植物内生细菌的研究对人类医药业的发展有着特殊的理论和实践意义。

6 前景与展望

我国药用植物资源丰富，但由于生长周期长、产量低和不可再生等条件的限制，难以满足人们的需求，得益于内生细菌对植物的促生、固氮、生物防治及其能发酵产生药用活性成分等功效，为我国药用植物的开发与利用开辟了一条新途径。而当今我国对药用植物内生细菌的研究开发较少，世界上约有30万种药用植物，目前人们只研究过几百种药用植物，巨大的内生细菌资源宝库尚未被开发利用。研究与开发药用植物内生细菌资源有着极其诱人的前景，其中从内生细菌的代谢产物中寻找新型活性物质，是内生细菌目前研究的主流。研究者们虽已在此方面取得了进展，但药用植物内生细菌产生的活性物质，依然与产业化生产相差甚远。利用药用植物内生细菌资源，筛选药用活性物质或新型化合物，能丰富功能细菌和药物资源，同时为研制新药、解决我国某些药用植物资源缺乏等问题提供了新的途径。

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DiversityandBiologicalEffectsofEndophyticBacteriainMedicinalPlants

Lü Yanna1, Sun Xiaomeng1, Zhao Rui1, Li Wenjing1, Liu Xiaojing1, Pu Gaozhong2*

(1.College of Pharmacy, Weifang Medical University, Weifang 261053, China;2. Guangxi Key Laboratory of Plant Conservation and Restoration Ecologyin Karst Terrain，Guangxi Institute of Botany Guangxi Zhuang AutonomousRegion and Chinese Academy of Sciences，Guilin 541006, China)

Endophytic bacteria in medicinal plants are great resources. Various active ingredients from endophytic bacteria have showed a bright prospect in the pharmaceutical industry, agriculture and so on, and they are important resources for human survival and development. This paper summarizes the recent research progress of endophytic bacteria in the medicinal plant，especially discusses the diversity, bioactive ingredients and their functions. The prospects of endophytic bacteria are also prospected with their specific characteristics. This paper will have important theoretical guidance and realistic significance for the research, development and utilization of functional endophytic bacteria in medicinal plants.

medicinal plants；endophytic bacteria；diversity；active ingredients; biological effects

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.06.010

2016-12-12

国家青年科学基金项目(31600386)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2015CL014)；广西科学基金项目(2015GXNSFEA139001)。

吕艳娜(1985—)，女，博士，讲师。主要研究方向：药用植物内生微生物。E-mail: lynlyna@163.com

*通讯作者：蒲高忠(1980—)，男，博士，副研究员。主要研究方向：微生物生态毒理效应。E-mail: pukouchy@163.com

Q939.95

A

1006-9690(2017)06-0045-05