药食同源念珠藻的研究现状及其应用前景

王 捷，李 博，张志雄，白 芸，郭伟楠，尤敏如，刘 璇，石 瑛

(1.太原师范学院 生物系， 山西 晋中 030619；2.太原师范学院 地理科学学院， 山西 晋中 030619)

0 引言

念珠藻隶属于蓝藻门(Cyanophyta)、蓝藻纲(Cyanophyceae)、段殖藻目(Hormogonales)、念珠藻科(Nostocaceae)、念珠藻属(Nostoc)[1].它是一类具有异形胞的丝状固氮藻类，广泛分布于全球七大洲的陆生和水生生态系统中[2].即使在低温、高温、干旱及高紫外辐射等极端环境中，念珠藻的一些种类也表现出十分强大的生命力[3].目前最常见的药食同源念珠藻主要有3种，分别是普通念珠藻(Nostoccommune，也称地皮菜或地木耳) 、拟球状念珠藻 (Nostocsphaeroides，也称葛仙米)和发状念珠藻 (Nostocflagelliforme，也称发菜).这三种念珠藻具有极高的食用、药用和保健价值，不仅含有多种人体所必需的氨基酸、微量元素和维生素，还具有高蛋白、低脂肪的特点[2，4，5].而念珠藻源生物活性成分既能够在体内外直接清除自由基，又具有特殊的抗肿瘤活性，其作用机制与抑制肿瘤细胞增殖、诱导细胞死亡以及抑制细胞的侵袭迁移有关.此外，念珠藻还有较强的免疫作用，可以提高患病或正常动物的免疫功能，具有成为天然免疫增强剂的潜力[4，6].为了充分开发和利用念珠藻资源，本文综合近年来国内外文献对地木耳、葛仙米和发菜的研究报道，综述这三种念珠藻在全球的分布情况、影响念珠藻生长的因素和念珠藻源生物活性成分及作用，以便能为念珠藻的保护和合理利用提供理论指导.

1 药食同源念珠藻的分布、生长及其影响条件

1.1 地木耳、发菜和葛仙米的分布

地木耳等念珠藻具有极强的抗寒、紫外辐射、极端干旱、低光、高温等能力[9]，因此可以在极端环境中存活.地木耳主要分布在石灰石或喀斯特地形区，多生长在潮湿的土壤和岩石表面[7].发菜群体外形呈丝状或带状，貌似头发.由于其生长的局限性和特异性，主要分布于中国、法国、蒙古、美国、捷克、墨西哥、摩洛哥、索马里和阿尔及利亚等国家，在我国主要分布于青海、新疆、宁夏、甘肃、陕西、内蒙古、河北和山西等西部和西北部省、市、自治区，因其生长的特殊性和局限性，主要生长在干旱或半干旱的荒漠草原地带，是荒漠草原中特有的陆生藻类植物[7，8].葛仙米主要分布在我国的湖北省恩施自治州鹤峰县、房县、神农架林区等地的土壤或水体表层、池塘、湖泊、溪流的沙石间或潮湿的泥土上[9].

1.2 影响念珠藻生长的条件

1.2.1 温度

温度是影响念珠藻生长的最重要因素之一.主要从光合作用和呼吸作用两方面考虑，温度影响酶的活性，进而影响呼吸速率以及光合速率，甚至固氮能力[10].发状念珠藻细胞在25 ℃下培养可获得最大比生长速率[11]，温度越低，对其生长的抑制作用就越显著，低温会影响葛仙米蛋白合成酶的表达，使可溶性蛋白含量保持在较低水平，葛仙米在10 ℃条件下可基本恢复光合活性，更低的温度则会给葛仙米光合活性造成不可逆伤害[12].而高温培养时会出现藻体偏软，颜色变浅和破裂现象[13].还有研究表明，高温会提高发菜对高盐胁迫的耐受性[14].总的来说，每种念珠藻有其各自的最适生长温度，分布地域十分广泛.低于最适温度时，各种生理指标随温度升高而增强，而在高于最适温度时随温度升高而降低.在南极和北极发现过念珠藻的踪迹，在温泉中也发现过有念珠藻生长[13].

1.2.2 水分

水分也是重要的限制因子.念珠藻广泛分布于各种极端环境中，超强的抗干燥能力是其存活的关键.一些蓝藻在干燥复水后可以恢复其生理活性，光合能力和固氮能力在复水后不久就能恢复.一株保存了106年的念珠藻浸水后仍然迅速地恢复了生理活性[13].发菜严重缺水时，生理活动处于“休眠状态”，而抗氧化酶系统和渗透调节物质在其耐旱适应性中发挥着重要作用，其中海藻糖和蔗糖可能对发菜原植体起到了保护作用，当水分供给时可迅速恢复生长特性[15-17].

1.2.3 光照

光是环境中的一个重要生态因子.光质(不同颜色或波长的光)、光强以及光周期变化都可影响植物的生长和生理功能[18].同样，光照也是影响念珠藻生长的关键因素，适量光照有利于其生长[19].光周期早期阶段是ATP和一些重要物质的产生和储存阶段.光周期中期阶段是消耗这些物质以进行固氮的阶段.在光周期后期阶段，由于大量活性氧的产生导致固氮酶受抑制，固氮作用减少.有研究表明，在黑暗条件下，光周期产生的代谢物累积可使固氮作用有短期的持续[20].

培养地木耳细胞或藻丝过程中，光照强度为2 000 Lx，光照和黑暗比(12 h ∶12 h)是比较适宜的环境条件[21].同样，培养发菜细胞或藻丝时，在45 μmol·m-2·s-1光强下培养得到最大比生长速率[11，22].在黑暗与低光强(<1 μmol·m-2·s-1)条件下，难以完成发育过程.而光强在10，20，30和60 μmol·m-2·s-1条件下，细胞生长良好[11].培养葛仙米的过程中，不同的光强和光质对葛仙米藻殖段的诱导分化有控制作用.适宜光照下会形成直径较大的原植体，这时较厚的表层对内层结构就会有明显的遮光效应.通过不同光质来诱导葛仙米和地木耳的培养，可调整各种藻胆蛋白的比例，从而方便所需藻胆蛋白类型的获取[13].卢菁菁等[23]研究发现，在培养葛仙米前期，红光、蓝光和绿光有助于藻蓝蛋白的合成，但是红光抑制藻红蛋白的合成.在培养后期，红光处理有利于叶绿素a和类胡萝卜素积累.红、绿单色光有助于光合色素物质积累，作为工业原料有更高的提取价值.用红光培养葛仙米氨基酸含量更高，作为食用更好.综上所述，不同光质可使葛仙米积累不同的有价值物质.

1.2.4 营养元素

1.2.5 盐胁迫

野生葛仙米要在干湿交替的环境下生存，因此在耐受干旱环境时，盐分的不断富集要求葛仙米也需要承受盐胁迫.室内培养发菜，培养基中含有0.1 mol·L-1NaCl，可使色素含量达到最高，当含有浓度为0.2 mol·L-1NaCl时，光合速率增强，蔗糖和胞外多糖积累最多.而在高盐胁迫下，色素含量迅速下降[24].研究发现，长期高温和干旱可促进发菜对高盐胁迫的耐受性.当NaCl浓度为0.1 mol·L-1时，其光合速率和叶绿素荧光强度几乎没有变化，而且外源硝酸盐可以增强其抗盐性[14].因此，盐胁迫也会影响到念珠藻的各项生理指标.

综上所述，影响念珠藻生长的条件较为复杂，但相比之下细胞对N，P，Ca的需求比较明显，而且对温度和光照的要求均比较低.

2 药食同源念珠藻生物活性成分及作用

念珠藻中含有丰富的营养成分，包括果胶、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素、多糖、必需氨基酸、维生素、矿物质、藻胆素和藻蓝蛋白 (Phycocyanin，又称PC)[26，27]，具有很大的医疗和保健作用，最早在《本草纲目》和《本草纲目拾遗》中就有关于发菜、地木耳和葛仙米的药用价值记载.地木耳富含多种营养物质，它不仅含有丰富的氨基酸、蛋白质和糖类，而且还含有多种人体必需的微量元素、少量的脂肪和色素，其中总蛋白质含量占干重高达55%左右，是人体主要的蛋白质来源[28].发菜富含多种氨基酸、铁及碘等多种矿物元素，具有清热解毒、化痰止咳、通便利尿的作用，可治疗高血压、佝偻病、气管炎、痢疾、鼻出血等疾病，对降低人体胆固醇和血脂含量有特殊功效，手术后服用可促使伤口愈合[8，29].葛仙米中富含蛋白质、多糖、维生素、不饱和脂肪酸、矿质元素、微量元素以及人体必需的全部氨基酸[30].其不仅可食用，还具有治疗夜盲症、脱肛、烫伤及美容的功效.

2.1 多糖

念珠藻多糖是念珠藻保持其完整群体的主要物质，并且具有重要的生理功能和药理活性.研究发现，地木耳、发菜和葛仙米中的多糖主要包括葡萄糖、木糖、半乳糖和海藻糖等组分[31].念珠藻具有极强的抗逆性，这与它极强的生理适应机制密切相关，而胞外多糖在抵御干旱胁迫时就起着重要的作用.最重要的是，念珠藻多糖在抗病毒、抗感染、抗肿瘤和增强机体免疫等方面有显著活性.发菜多糖nostoflan通过抑制病毒与宿主细胞的结合来发挥其抗病毒作用，也可抑制病毒在体内外的复制，是一种潜在的抗病毒辅助药物[28].葛仙米中的多糖成分对超氧自由基和羟自由基有很强的清除作用.而水溶性多糖对霉菌、大肠杆菌和绿脓杆菌均有抑制作用，尤其对绿脓杆菌的抑制作用最强[32].地木耳多糖可诱发人乳腺癌细胞的凋亡，还可抑制人小细胞肺癌细胞的侵袭和转移[33，34].发菜胞外多糖可通过非特异性免疫系统来增强小鼠机体免疫[35].

2.2 蛋白质

念珠藻因其富含高蛋白，具有丰富的营养价值，所以被广泛应用于食品领域.藻蓝蛋白(PC)是一种存在于红藻和蓝藻细胞内的光合辅助色素，是一种特殊的色素蛋白，能高效捕捉光能[36]，在人体外对人的红细胞和血浆的氧化损伤具有良好的保护作用[37]，同时对激动剂诱导的血小板凝集起到抑制作用[38].有研究表明，PC 对小鼠S180 肿瘤具有较高的抑瘤活性，并能提高机体抗氧化功能[39].葛仙米中的藻胆蛋白对生物体内的活性氧有很强的清除作用，其中藻红蛋白清除羟自由基效果最好[40].该藻胆蛋白也可增强机体免疫功能[41].

其中属于蛋白质类的典型代表——超氧化物歧化酶(SOD)，它是藻类中一种重要的修复成分，与藻类的抗逆性有关[42].地木耳所含的水应激蛋白可以有效抑制结肠癌细胞的增殖.在组织缺水的情况下，地木耳内部会合成水应激蛋白，从而抵御干旱、维持组织结构稳定[6，43].

2.3 其他生物活性成分

目前，在地木耳等念珠藻中还发现多种生物源活性成分，如CVN、环肽类化合物、甲醇提取物等具有抗病毒、抗肿瘤、抗感染、抗氧化等作用.其抗肿瘤的作用方式与抑制肿瘤细胞增殖、诱导细胞死亡以及抑制细胞的侵袭迁移有关，其抗氧化的作用方式与体外直接清除自由基或增强细胞内抗氧化酶活性和抑制过氧化产物生成有关，其抗感染的作用方式与调控炎症相关信号通路MAPK，PI3K/Akt，NF-κB 等抑制炎症因子表达并提高抗感染因子表达有关[6].研究表明，CVN能特异地、高亲和性地结合在人免疫缺陷病毒 HIV-I的衣壳蛋白gp120上从而发挥抗病毒活性.除此之外，CVN还有抗单纯疱疹病毒-1(HSV-1)、埃博拉病毒、流感病毒A型和B型、丙型肝炎病毒的活性[44].因其具有抗病毒谱广、性质稳定等特点，CVN成为一种很有价值的抗病毒药[45].从地木耳的甲醇提取物中分离得到一种具有抗真菌活性的氨基酸衍生物——环肽Nostofungicidine，环肽类化合物是从念珠藻中分离的活性化合物中种类最丰富，最有潜力的一类化合物[46，47].从地木耳中提取得到二萜树脂酸和蒽酮类物质，这两种物质具有广谱抗菌作用，从念珠藻中还分离得到几种对能够引起艾滋病患者二次感染的真菌Cryptococcussp.有抑制作用的物质.

3 念珠藻在生产和生活中的应用

首先，在食用方面，念珠藻蛋白质含量高，具有丰富的营养价值，被广泛应用于食品领域.发菜是植物蛋白质中含量较高的，属人体营养中较理想的蛋白质食品[8].葛仙米和发菜的大规模培养将作为人类蛋白质的新来源，为缓解世界粮食问题做出贡献.其次，在生态方面，念珠藻分泌的高粘度的糖类和蛋白质可以使表层土壤固定，也可以与其他蓝藻、苔藓等共生来防止土壤侵蚀，改善土壤透水性和保水性，促进幼苗生长.念珠藻中含有异形胞，是一种天然无公害的氮源，不仅能够改善土地贫瘠，还能作为重要氮源参与荒漠地区的物质循环以及作为新形成陆地的先锋植物.念珠藻也具有极强的光合作用能力，是荒漠地区重要的初级生产者之一[1].发菜可以实现土壤物质的流转并维持荒漠草原稀疏植被的生态平衡，在干旱、半干旱地区具有重要作用[8]，地木耳被作为拓殖者和先锋生物用于治理荒漠化和恢复荒漠植被，也可作为土壤结构的改良剂、固氮菌，促进土壤结构的改善和植物的生长[7].地木耳本身作为一种天然色素及从中提取的紫外线防护色素可用于化妆品的开发.此外，有些念珠藻还具有生产环保生物材料的潜力.将念珠藻作为絮凝剂、粘性剂应用于工业废水、生活污水的处理，有较好的效果.

4 总结与展望

念珠藻是一类丝状固氮蓝藻，广泛分布于全球七大洲的陆生和水生生态系统中[1].其中三种重要的药食同源念珠藻含有丰富的营养成分，包括果胶、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素、多糖、必需氨基酸、维生素、矿物质、藻胆素和藻蓝蛋白[34，35].念珠藻的价值不仅是作为食品和保健品，而且在生态学上有重要的意义.目前对念珠藻的分布和影响念珠藻生长的主要因素进行了调查研究，为念珠藻的大规模培养奠定了基础.近年来，人们逐渐展开了对发菜等念珠藻的人工繁殖技术和生物学特性的研究，取得了一定进展，为念珠藻的持续开发利用提供一定的方法.但是，在实验室培养条件下，这三种念珠藻的形态都呈现球状或者无规则生长，不能长成其野外形态.而且野外大规模培养还是不可实现，需要进一步研究影响其野外生存的各种因素，综合各种影响因素来发现其野外生存的奥秘，尽快实现药食同源念珠藻的野外大规模培养.最重要的是，药食同源念珠藻生物学活性物质的医学作用.现已研究了念珠藻多种活性成分在抗病毒、抗感染、抗肿瘤和增强机体免疫等方面的活性.还需进一步改进和完善活性成分的提取工艺，提高分离纯化纯度.继续加强对活性成分药理学作用的研究，充分挖掘其价值，探索其在其它免疫、心血管等重大疾病中的作用，具有广泛的开发应用前景.

习近平主席多次强调必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境.但是由于经济的发展和环境的变化，以及人类对主产地药食同源念珠藻的掠夺性采挖，对人类极其重要的三种念珠藻不断减少，现已处于濒临灭绝状态.念珠藻的保护也应引起人们足够的重视.在严格执行草原法、杜绝乱采滥搂的前提下，在适当地域采取有计划的科学采收，并且对其进行规范化管理和经营，可实现社会、经济、生态效益的和谐统一.