【摘要】植物内生真菌作为一种新型的微生物资源,其次生代谢产物丰富且多样,在菌物生态学上作用显著。本文综述了近年来植物内生真菌来源多样性,侧重介绍从内生真菌中发现的具有生物活性的物质的多样性,即次生代谢产物多样性。最后对新型微生物能源在生产生活中的应用前景进行阐述。
【关键词】植物内生真菌 次生代谢产物 生物活性物质
植物内生真菌(Plant endophytic fungi)是指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和器官内部的真菌[1]。内生真菌在各种植物体内广泛存在,分布于植物的根、茎、叶、花、果实和种子等器官的细胞或细胞间隙之中[2]。植物内生真菌资源极其丰富,同时,从内生真菌中能够获得丰富多样的具有多种生物活性的次生代谢产物,这些天然产物不仅可以突破植物资源缺乏、再生周期长等限制,而且利用工业化发酵可以实现天然活性化合物大规模低成本、无污染的生产,在自然界中具有重要的作用。
人类从微生物中筛选天然物质始于1929年青霉素的发现。内生真菌在维护人类健康方面同样发挥着非常重要的作用。目前,国内外学者已经发现了许多具有新颖结构和抗菌活性的植物内生真菌代谢产物。因此,有关内生真菌的研究已越来越引起广泛的关注。
1.内生真菌来源多样性
真菌是由不同进化途径的类群组成的,现已发现69000多种,而且每年尚以1000余种的新种递增。据保守的估计,全世界真菌的总数可达150万余种。
内生真菌主要分成两类:一类是麦角菌科的系统侵染性草生内生菌,多与寄主形成互惠共生;另一类则包括树木、灌木及草本植物上非麦角菌科的内生菌。在宿主植物的叶鞘和种子中含有大量内生真菌,而叶片和根中含量极少[3]。比较植物不同器官和组织可以发现,不同的内生真菌占据不同的生态位。在植物体内,不同的内生真菌相互作用,并建立一种生态平衡,其中一些是分离频率高、数量大的优势种群,而另一些属于稀有种。
植物内生菌的种类、分布、定殖都因植物种类不同而有很大的差异。目前研究的关于微生态的植物已达上百种[4],内生真菌已经相继在许多重要的经济林木叶内被发现,如针叶的冷杉、云杉、红杉、松柏等。还有一些内生真菌存在于阔叶植物的树皮、枝条中,如栎树、桦树、桉树等。此外在许多灌木和草本,栽培作物、果树,甚至在藻类、苔藓和蕨类植物中也发现了内生真菌[5]。
由于某些内生真菌具有显著的抗病原菌作用,所以内生真菌定殖规律的研究受到了越来越的人的关注。
2.内生真菌次生代谢产物
2.1内生真菌产活性物质的多样性
植物内生真菌是一种新的非常具有应用潜力的微生物资源 ,它能够产生多种次生代谢产物,其生物学活性主要为抗菌、抗肿瘤、抗疟、抗结核、抗氧化、杀虫剂、植物激素等作用。其中抗菌活性物质按结构分类主要有萜类、酮类、异香豆素类、醌类、酚类、脂肪族类、生物碱类、苯并呋喃类、多肽类等。
植物内生真菌能产生抗癌、抗肿瘤类活性物质,还能产生其它的具有活性的代谢产物。有研究表明,木生内生真菌表现抗生活性的比例明显高于其它类群。近十年来,在利用植物内生真菌开辟抗肿瘤药物新途径方面研究进展较快。1993年美丽蒙大拿州立大学的strobel等人从短叶红豆杉(Taxus brevifolia)的韧皮部中分离出200余种微生物,并首次得到一株能合成抗癌物质紫杉醇的内生真菌(Taxomyces andreanae)[6]。郭波等从长春花茎的韧皮部分离到的一株内生真菌——尖孢镰刀菌(Fusariumoxysporium),它可以产长春新碱[7];张玲琪等从美登木(Mytenus hookeri)的老叶中分离筛选到一株内生真菌——球毛壳菌(Chaetomium globosum),从其发酵产物中分离得到球毛壳甲素A[8];Zhang和Salituro等[9]从非洲刚果热带植物分离得到的内生真菌(seudomassariasp)产生的次生代谢产物中分离出一种类似胰岛素的小分子化合物。
内生真菌的生物多样性为我们提供了一个巨大的真菌资源库,这些内生真菌必能产生众多的代谢产物及生物活性类物质,这些产物可能对我们的工农业生产,人类健康具有重要的价值。因此,对其代谢产物的研究和利用,具有巨大的经济效益和社会效益。
2.2从内生真菌中寻找有用次生代谢产物的理论基础
植物内生真菌产生的次生代谢产物十分丰富和复杂。有些内生真菌能产生与宿主植物相同或相似的活性物质,此类具有活性物质的内生真菌从药用植物中分离到的几率就会较大[10];有些内生真菌还能够产生与宿主植物不同的活性成分,是由于内生真菌对次生代谢产物的生物转化能力不同,所以在一定程度上宿主决定了自身的内生真菌的种类[11.12]。已有研究证明,内生真菌能够与宿主植物一同作用产生活性物质,也可以将其次生代谢产物转化。目前,有两种理论可以解释内生真菌能产生与宿主相同的代谢产物的原因。
2.2.1生物间的“基因水平传递”及“内共生理论”
最近研究显示,己分化的放线菌与子囊菌中均含有同一种次生代谢产物β内酞胺,其它真菌也存在这种情况。因此,产生了这样的假设:产生相同次生代谢产物是缘于获得了相关基因的直接传递。次级代谢过程中生化途径的连续演化使有益物质进入到共生体内,其它生物也能学习到这种能力。在生物早期的系统发育过程中,一些具有完全互补的遗传特性或参与代谢过程的其它整个生物,被认为可组合进真核细胞并发育成线粒体和叶绿体[13]。宿主植物与其内生真菌由于长期的共同生活,因而关系非常密切。他们相互之间的影响是很大的。有研究表明,从药用植物中分离出的一些内生真菌,能够产生与宿主植物相同或相似的生物活性物质。产生这样现象的机制,我们认为是宿主可能将其遗传物质或信息传递给其内生真菌,使之在一定程度上具有和宿主相同或相似的代谢途径,并导致其产生某些特定物质。
2.2.2生物之间的相互作用和“协同进化”
“协同进化”理论认为一些原核生物能够进入到真核中。在它们的次生代谢过程中,如果产生了有用的生化途径,就能被其它生物所利用,表现出相互作用和“协同进化”[13]。通过研究发现,生物之间相互作用所产生的次生代谢产物在细胞分化和生存等方面有明显作用。由此可知生物之间相互作用和协同进化的机制。植物内生真菌可以产生多种具有生物活性的次生代谢产物,对研究医药学、农用药物和其它生物工程学具有十分重要的意义。“协同进化”理论亦适用于高等动物,这对人类研究高等动物有很大的帮助。
3.植物内生真菌代谢产物的应用价值
植物内生真菌的生境特殊性决定了其既有理论研究的广度和深度,又有多方面的应用潜力,是个潜力巨大、尚待开发的微生物新资源。植物内生真菌种类繁多并且来源广泛,从内生真菌中可获得的次生代谢产物丰富多样并且具有多种生物活性,如抗菌、抗肿瘤、抗氧化等等。研究植物内生真菌不但可以发现新的真菌,还可能发现具有新颖结构和生物活性的次生代谢产物,如南海红树林内生真菌产生一种新的多糖[14];从另一株内生真菌中发现了结构奇特、骨架新颖的缩酮类和连烯类化合物[15]。以后还有望从植物内生真菌中发现更多新结构的化合物。
内生真菌与宿主植物的共生关系是在漫长的进化过程中形成的,这种共生关系是互惠互利的。植物内生真菌具有一定的寄主专一性,除对其宿主植物,取食或侵染宿主植物的生物起作用外,对其它植物几乎没有影响。内生真菌可被导入不同的植物内,并可以通过植物种子进行遗传,因此具有作为生物农药开发的优良特性[16]。
植物内生真菌还能够产生一些抗人类疾病的药物,如红豆杉的内生真菌可产生具有良好抗癌效果的次生代谢产物紫杉醇。植物内生真菌可以通过发酵大量生产,或通过改进发酵工艺及菌种选育提高其中多种代谢物质的含量。这样不仅可以突破植物资源缺乏、再生周期长等限制,而且实现了大规模低成本、无污染的生产,这为植物内生真菌代谢产物的开发应用奠定了基础,解决了药物开发中的资源问题,为新药研发提供了新的方向。同时内生真菌的次生代谢产物的多样性也为化合物的提取开发开辟了新途径。
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Diversity research of Plant Endophytic Fungi and Secondary Metabolites
[Abstract] Plant Endophytic fungi as a new type of microbial resources , with a variety of Secondary metabolites ,make a significant effect on Fungi Ecology.This article mainly described the diversity of endophytic fungi,and the diversity of Secondary metabolites which is provided with many kinds of Bioactivesubstances.Finally, the dissertation give an account of the application prospect of microbial resources in daily life。
[Key words] Plant endophytic fungiSecondary metabolites Bioactivesubstances
范涛(1984.1-),男,汉族,吉林长春人,吉林农业大学野生动植物保护与利用专业07级硕士研究生。研究方向:天然产物化学。