林木组织内生真菌研究及应用进展

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  摘要 对林木组织内生真菌的普遍性和生物多样性进行了归纳和概括,并且对内生真菌生物学作用以及与林木组织的互作机制进行综述,总结了林木内生真菌次生代谢产物研究、应用进展,为植物内生真菌更加深入的开发利用提供参考。
  关键词 树木;内生真菌;互作机制;次生代谢
  中图分类号S718.81文献标识码A文章编号0517-6611(2014)29-10066-04
  基金项目国家基础科学人才培养基金(J1210053);国家自然科学基金(31101171,31200428)。
  作者简介战妍(1986-),女,内蒙古牛尔河人,硕士研究生,研究方向:植物内生真菌功能研究。*通讯作者,副教授,博士,硕士生导师,从事植物次生代谢调控与细胞工程利用方面的研究。
  植物内生真菌是指寄生在植物组织内部不引起寄主显著病害症状的一类真菌,经过长时间的进化,内生真菌与寄主植物构成一种互利的合作关系,共同生存,并且靠吸收寄主的营养供自身使用,而宿主的生长发育或抵抗病虫害则利用寄生真菌代谢产物来完成[1]。按照“内共生理论”,林木内生真菌可以产生与宿主相同或相似的代谢产物。从林木内生真菌中提取有药理活性的物质,不仅可以解决许多药用植物被大量采伐引起的资源和生态危机,而且为新药的研发提供了新的途径[2-5]。另外,我国林木资源丰富,药用林木种类多,且基本为多年生,抗逆性远高于草本类植物,其内生真菌的挖掘潜力更大。目前国内对药用林木内生真菌次生代谢产物的研究已经开展起来[6-10]。从内生真菌中挖掘、筛选到有应用前景的次生代谢产物越来越成为可能。笔者就树木组织内生菌的多样性、生物学功能及次生代谢产物的研究进展进行综述,以期为林木内生菌资源的开发、利用提供参考。
  1林木内生真菌的普遍性和生物多样性
  植物内生真菌普遍存在于各类水中生长和陆地生长的植物中,从低级的苔癣植物、藻类植物、蕨类植物到高级的被子植物、裸子植物的多种植物组织中,遍及整个植物界[2,4,11],具有种类多、分布广的特点。据统计,地球上约25万种植物,而内生真菌的总数就超出十万种[12]。在不同种植物类型中,内生真菌的分布种类、位置和数量都不同,主要分布在植物的皮、叶、根、茎、枝、种子等细胞间[4]。自20世纪80年代初期,在一部分重要的经济树种如各类云杉、冷杉、松树、柏树、紫杉以及栎、桦、桉树等树木的外皮以及叶中都发现了内生真菌,并且被广泛的研究[5,13-14]。吴令上[15]从3个产地(江西井冈山、浙江景宁、重庆给云山)南方红豆杉不同组织中共分离到2 000余株内生真菌,共鉴定为145个分类单元,归属到真菌界3个门6个纲20个目66个属,其中125个分类单元(占总数的86.2%)属于子囊菌门,14个属于担子菌门,并且认为红豆杉枝条、树皮内生真菌更丰富。
  2林木内生真菌的生物学作用
  2.1树木内生真菌对宿主植物生长发育的促进作用内生真菌对寄主植物的种子萌芽、幼苗发育、花的萌生和植物生物量积累等方面具有促进作用。有些内生真菌能够产生植物生长调节剂。它可以促使植物吸收氮、磷和其他元素,以促进植物生长[16-18]。植物内生真菌能促进植物的生长和发育的原理为:①调节和控制寄生植物内部物质的新陈代谢,控制碳源和氮源的有效代谢,将蔗糖转化生成糖醇来阻止反馈抑制,增强植物的光合作用;②通过改变植物本身的激素代谢或产生生长素及其类似物,促进植物生长发育[10]。
  2.2树木内生真菌能够提高宿主植物的抗逆性树木抗逆性的产生是树木为适应多种易变、复杂生长环境长期进化的结果。树木内生真菌对宿主的抗逆性表现在2个方面:一方面是非生物胁迫,另一方面是生物胁迫。它主要体现在提高宿主树木对干旱、洪水、贫瘠土壤、高温等不良环境的适应性,调节植物的渗透能力,提高宿主在群落中的竞争力等。大量研究表明,内生真菌-植物共生体可以增加宿主植物的应急耐受性,甚至有些植物在没有内生真菌存在的情况下,因不能忍受所处极端环境的生物胁迫或非生物胁迫而无法生存[17]。同时,内生菌可以协助植物体在环境相对贫瘠的状况下成活[18-19]。当植物体感染内生真菌后,宿主对环境的应急耐受性极大地增强,提高了宿主在恶劣环境下的生存能力。比如,一种不在高盐环境下生长的植物感染镰刀属的一种真菌后,其对盐的耐受性提高了,并且能在沿海地区生长。感染炭疽属内生真菌后的宿主有较强的耐热能力[20]。
  大量试验结果表明,植物的某些抗性特征与内生真菌的存在有关。但是,内生真菌如何协助植物适应极端环境的机制还不太清楚。一些专家和研究人员在不同的方面进行了探究,他们认为受内生真菌侵染的植物能够通过脯氨酸的合成或激活抗氧化酶系统较快地清除活性氧的积累,以保护机体细胞;内生真菌通过合成、分泌生长素或其他生物活性物质来增强宿主的耐受性[21];通过产生生物碱等毒性物质使宿主免受咬食,并且抑制其他病原微生物的生长[22];通过分泌蛋白酶活性抑制剂,抑制植物热激蛋白HSP90的活性,提高植物的耐热性[23]。可见,内生真菌可以在不同的生理水平上对宿主植物体有协助作用,使得宿主更好地应对极端恶劣的生长环境,以延续内生真菌-植物共生体的生存。
  2.3内生真菌与林木组织的互作机制在2008年,研究学者发现一种物质可以通过限制内生真菌印度梨形孢(Piriform osporaindica)的入侵而削弱宿主产生的防御反应。这种物质是β葡萄糖苷酶(PYK10),存在于拟南芥根部细胞内质网的内部[24]。担子菌P.Indica能分泌如吲哚乙酸的生长素,促进植物的生长[25]。内生镰刀菌能够增强植物生长活力,而抑制植物体内乙烯信号途径[26]。在石斛根与真菌长时间直接或间接的接触中,与石斛根系建立互惠互利关系,在根部形成特定的功能性结构,促进石斛的生长发育和药效成分积累。在这一过程中,真菌的某些分子机制发生变化,并且诱导石斛中的基因发生相应的变化[27]。   3树木内生真菌次生代谢产物的研究进展
  3.1抗肿瘤活性物质近年来,国内外研究学者相继发布有关植物内生真菌能产生抗癌物质的报道,为人类提供抗癌药物开辟了一条新大陆。紫杉醇用于治疗临床上乳腺癌、子宫癌、卵巢癌有效的药物。1993年Stierle等[28]从太平洋红豆杉中分离出一株名叫安德烈紫杉菌的内生真菌。利用该种内生真菌生产抗癌新型药物。该专利已经成功转让。近年,我国在这方面也进行了大量研究(表1)。郭俊柯[42]从曼地亚红豆杉中分离得到6株能够产生紫杉醇的曼地亚红豆杉内生真菌,分别为黑胞属(Nigrospora sp.)、青霉属(Penicillium sp.)、曲霉属(Aspergillum sp.)、头抱霉属(Cephalosporium sp.)、枝抱属(Cladosporium sp.)、拟茎点霉属(Phomopsis sp.),产量最高的是枝抱属,为34.28 μg/L。陈贤兴等[43]从喜树(Camptotheca acuminata Decne.)果实中分离到一株产喜树碱衍生物的内生真菌。胡淑媛等[7]研究发现,DMMP是石楠拟盘多毛孢(Pestalotiopsis photiniae)的次生代谢产物,能有效地抑制人宫颈癌HeLa细胞的增殖。张德武[8]研究发现,从番茄枝内生真菌Periconia sp.F31中分离出的2种化合物P1和P2,它们对3种肿瘤细胞株具有良好的抑制活性。吴运帷等[10]将一株具有抗肿瘤活性成分的内生真菌从楸树体内分离出来。宋萍等[22]从雷公藤植物中分离出2株内生真菌,对人体的乳腺癌细胞MCF7和U937有较强的抑制作用。目前已分离、鉴定的红树林真菌超过200种,成为海洋真菌的第二大类群。红树林内生真菌次级代谢产物中具有抑制肿瘤细胞活性的物质,主要包括生物碱、黄酮、苯丙吠喃(毗喃)酮、有机酸、蒽醌、环二肽、萜类、聚酮和香豆素类等[20,29]。表1部分树木组织内生真菌分离及次生产物作用[29-41]
  名称
  (含拉丁文)分离菌株
  数量∥株次生代谢
  产物类型药用价值三尖杉(Cephalotaxus fortunei)61生物碱类、萜烯类抑菌作用黑果枸杞(Lycium ruthenicum Murr)81多糖类、
  萜类抑菌作用马蔺(Iris lactea)32生物碱类抑菌作用牛鼻栓(Fortunearia sinensis)1 436生物碱类抗氧化作用人参(Panax ginseng C. A. Mey.)28三萜皂苷类抗肿瘤作用核桃(Juglans regia)72生物碱类抑菌作用红树林(Mangrove)50生物碱类抑菌作用天山花楸(Sorbus tianschanica Rupr.)17生物碱类抗菌作用无瓣海桑(Sonneratia apetala)25生物碱类、萜烯类抗菌、抗氧化、抗肿瘤作用海马齿(Sesuvium portulacastrum)秋茄(Kandelia candel)南方红豆杉(Taxus chinensis (Pilger) Rehd.)22生物碱类、萜类抗肿瘤作用交让木(Daphniphyllum macropodum Miq.)8生物碱类抗菌作用木果楝属(Xylocarpus Koenig)24生物碱类抗肿瘤作用杜仲(Eucommia ulmoides)119生物碱类、黄酮类抗菌、抗肿瘤
  作用无花果(Ficus carica Linn.)
  3.2抗菌活性物质近年,对内生真菌抗菌活性物质的研究也有许多的报道。这种物质不仅在医药行业中有非常重要的作用,在农业、食品工业等方面也有相当大的开发潜力。抗菌活性物质的种类包括类固醇、苯丙烷类、酚、醇、萜类、黄酮类、醌类、生物碱、有机酸、醚和酯。2008年,Rukachaisirikul等[44]最先发现一种新型对称的酰胺二聚体生物碱(phomoenamide),是从来自植物Garcinia的一株内生真菌发酵物中得到的。试验结果表明,该化合物对结核菌分枝杆菌有抑制作用,6.25 μg/ml为最低抑制浓度。Zhao等[45]从大叶冬青(Ilex latifolia)中分离得到内生真菌Bacillus vallismortis ZZ185,发现其发酵液和正丁醇提取物对植物病原菌有较强的抑制活性,如禾谷镰孢菌、链格孢菌、稻纹枯病菌、栗疫病菌、疫霉菌等。同年,Mitchell等[46]研究发现,内生真菌Muscodo rcrispans会产生挥发性有机物。这些物质能够抑制和杀灭人和植物的致病菌,并且对结核分枝杆菌等3株耐药菌有活性作用。一个名叫zjqy610的内生真菌被汪滢等[47]从多花黄精中分离出来。它不但具有抗菌活性,而且其发酵液能够抑制4种病原真菌的活性。Ding等[48]从一株红树林来源的Streptomyces sp.中分离得到4个结构新颖的divergolides化合物。这4个化合物具有相似的生源合成途径,并且有不同程度的抗菌和细胞毒活性。张弘弛[30]从2种药用植物无花果和杜仲分离筛选出4种具有高抗菌生物活性的内生真菌,分别为ER12、EL09、FR02、FL10,为抗菌活性物质的生产提供备选菌种。陈昭华等[20]从红树林植物的根、茎、叶中分离出的25株内生真菌,占76%的菌株使不少于一种指示菌不生长。它们是研究抗菌活性化合物的重要来源。
  3.3抗HIV病毒活性物质研究表明,栎树内生真菌(Cytonaema sp.F32027)产生2种具有抗HIV病毒活性物质,即新三缩酚酸A、B[49]。2004年,来自日本的科研人员从甘遂中获得巨大戟烷型二萜酯,并且对其结构进行不断的改变和完善,最终得到一系列抗艾滋病病毒的活性物质[50]。从Pestalotiopsisfici的发酵物中内生真菌分离出5种新的环丙烷衍生物,其中3种在C8166细胞中有抑制HIV1复制的能力[51]。Liu等[52]从植物内生真菌Pestalotiopsis fici W1061的发酵物中分离到5个环己酮pestalofonesAE。生物活性测试表明,pestalofonesA,B,E能抑制HIVl在细胞株C8166中的复制,其EC50值分别为90.4、64.0和93.7 μmol/L。杨志钧等[53]从牛膝植物内生真菌HCCB03519的代谢产物中分离获得2种新型化合物。它们对HIV1的活性有很强的抑制作用,其生活周期的整合步骤被抑制,很有可能成为新的抗艾滋病病毒药物的先导化合物。
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