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植物内生菌抑菌机制和抑菌次生代谢产物的研究进展

花匠小妙招
2024-11-04 05:22

摘要：植物内生菌是一种不可多得的微生物资源，具有广泛的应用价值，特别是药用植物内生菌近年来受到越来越多学者的青睐。内生菌的代谢产物是新型化合物和药理学的潜在来源，能够帮助人类解决抗生素的耐药性、植物遭遇病虫害侵袭以及动物的健康等问题，因此对具有抗菌作用的内生菌进行总结具有重要意义。从抑菌机制、抑菌活性次生代谢产物方面进行综述，并对植物内生菌的开发利用进行展望。

植物内生菌主要是指无症状地存在于植物组织内或在短时间内对寄主植物造成致病性的微生物。由于它们存在于专门的生态位中，内生菌能够合成多种类型的生物活性分子，且可产生利于宿主生长、繁殖的生物活性，如抗菌、抗肿瘤、抗多糖、杀虫作用[1] 。植物内生菌资源丰富，而采自不同产区和地区的同种植物产生的内生菌多样性有所差异[2] 。内生菌的研究不仅为稀缺或濒临灭绝的植物提供新的繁殖思路，也为更好地开发、保护自然资源作出贡献。目前，抗菌活性是在内生菌及其活性代谢产物研究中挖掘得较多的方面，研究者通过大量的体外抗菌实验研究表明，将近30% 的内生菌次生代谢产物具有抗菌活性[3] 。近年来，由于抗生素的滥用、环境污染等因素导致病原微生物产生耐药性，病虫害侵袭、重金属胁迫导致植物无法正常生长。寻找新的抗菌药物、开发新的生防菌剂将有效应对耐药和植物病虫害问题，而大多数抗菌药物、生防制剂的研发都是从微生物中发现的，所以研究内生的抑菌微生物将不断拓宽药用、生防资源。本文从抑菌机制、活性次生代谢产物两个方面进行综述，并对未来植物内生菌开发利用进行了展望。

1抑菌机制

抑菌机制的探究对扩展抗菌微生物资源有重要意义，有助于开发新型功能，不仅能够为植物–内生菌在生物修复过程中的研究提供重要数据，还能在人类致病菌的防治方面起重要作用。

1.1破坏细胞膜完整性，促进麦角甾醇的合成

1.2诱导宿主形成抗病相关途径，促使多种防御酶活性增加

植物受到病原菌侵染而发生主动防卫反应时，体内一系列防御酶发生了广泛的病理变化，对抗病性表达做出了不同的贡献。通过诱导产生的过氧化物酶（POD ）、过氧化氢酶（CAT ）、脯氨酸、超氧化物歧化酶、ACC 脱氨酶、碱性磷酸酶（AKP ）等功能性代谢抑菌物质酶活性增加。马容荣[7] 发现青稞内生菌Bacillus sp. KLR2 能够在盐胁迫条件下诱导促进拟南芥体内的可溶性糖和脯氨酸含量的增加，从而促进拟南芥的生长。Saravanakumar 等[8] 发现植物内生细菌Pseudomonas fluorescens Pf1 可以诱导产生水胁迫相关蛋白，提高抗氧化酶如CAT 、POD 的活性，同时积累更多的脯氨酸，以增强其抗旱性。Feng 等[9] 利用LC-MS 非靶向代谢组学技术分析毒死蜱处理前后水稻根系分泌物组分变化，发现毒死蜱胁迫能够改变根系分泌物中氨基酸和有机酸组分含量占比，而该组成变化显著影响水稻根际周遭降解菌的趋化性，诱导条件内生菌根系定殖和植株体内转移；通过进一步分析内生菌定殖对水稻生理生化表型的影响，发现降解性内生菌定殖能够有效缓解毒死蜱污染对水稻造成的氧化损伤，并刺激植株体内农药代谢解毒酶系的表达活性，进而加速残留农药的消解代谢，在污染胁迫条件下维持水稻植株正常生长。

1.3与病原菌产生空间竞争

金利容等[10] 利用GFP 标记法追溯内生菌株HB3S-20 在棉花植株根部的定殖位点，结果显示：该菌株主要定殖在植株根部的维管内，与引起棉花黄萎病的大丽轮枝菌有存在生态位点上竞争的可能性。Bautista-Rosales 等[11] 研究发现菌株可以黏附在果实上，与胶孢炭疽菌竞争生存环境，导致病原菌菌丝上形成非致死性变形或缺口，达到防治炭疽病的效果；经过进一步认定Meyerozyma caribbica 菌株是球孢菌杆菌的有效拮抗剂，其抑菌机制包括对营养物质的竞争，这种竞争是基于球孢菌素引起的水果腐烂的增加，这种行为是因为2 种微生物都受到含有过量碳水化合物的环境，对这些营养物质的竞争可能与酵母对病原体的高抑制有关。

1.4通过降解细胞壁中关键酶

纤维素酶和果胶酶能够起到降解细胞壁的作用，而果胶酶是分解果胶的一类多酶复合体系，通过联合可使植物纤维中的果胶质分解[12] ，而通过抑制病原真菌分泌的胞外水解酶可有效对抗植物病虫害的侵染。周金伟等[13] 对内生菌菌株011 粗体液进行抑菌机制研究发现：经过处理的粗提液可有效降低番茄早疫病菌胞外果胶酶和纤维素酶的活性，从而实现有效的生物防治。植物病原菌木聚糖酶在致病机制中起着关键作用，可能是由于它们能够降解植物结构屏障和操纵宿主免疫，宋利沙等[14] 从肿节风中筛选出能拮抗草珊瑚炭疽病的内生菌株RJ-4 ，其利用发酵液测定抑菌机制结果表明：RJ-4 菌株能分泌几丁质酶、纤维素酶等水解酶，破坏真菌细胞壁，使菌体溶解死亡，其质量浓度分别是76.77 、78.70 pg/mL 。

1.5调控相关信号通路

通过转录组测序可以揭示植物的基因表达，从而为抗病分子育种、抗病毒活性等实际应用提供理论指导。水杨酸（SA ）是一种广泛存在于植物体内的内源性植物激素[15] ，王笑咪[16] 通过实验发现：茅苍术内生细菌ALEB16 可作为一种内共生性的诱导因子，通过脱落酸（ ABA ）/SA 依赖的途径促进宿主茅苍术挥发油的积累，且ABA/SA 能够逆转ABA/SA 生物合成途径中关键酶（氟啶酮Flu/ 多效唑PAC ）抑制剂对细菌诱导挥发油的抑制作用。Wang 等[17] 从植物内生菌Penicillium sp. sh18. 中发现了其可通过抑制Wnt 信号通路、Wnt/β- 连环蛋白（β-catenin ）信号通路参与肿瘤细胞的增殖、入侵和转移，并发挥耐药性，是介导组织癌变的关键通路。

2具有抑菌活性的次生代谢产物

内生菌能够合成不同的代谢物，如生物碱、萜类、甾体类、黄酮类等。这些代谢分子被广泛用作农药、抗生素、免疫抑制剂、抗寄生虫剂、抗氧化剂和抗癌药物[18] ，因此，对近年发表的抑菌活性的次生代谢新化合物进行总结，见表1 ，这些具有抑菌活性次生代谢产物将有可能对抗全球生物生态系统和宏观生态系统的现有威胁。

2.1生物碱类

研究发现，哌嗪类、吲哚类、吡啶类等生物碱都具有抗癌、抗病原菌作用，Koolen 等[19] 从马钱属植物南美箭毒树Antiaris toxicaria Lesch. 内生菌Gliocladium sp. CR2.3.1 中分离出含有抗癌活性的内生菌，其代谢产物结构为二酮哌嗪生物碱，被用于抗乳腺癌、人结直肠癌。Ortega 等[20] 从巴拿马Desmotes incomparabilis (Riley) J. A.Kallunki 内生真菌Mycoleptodiscus sp. 的液体培养物中分离得到2 个新的橙红色生物碱mycoleptodiscin A 、B ；利用1D 和2D NMR 结合IR 、MS 数据对其结构进行了解析。这些化合物是吲哚–萜烯类化合物，具有自然界中少见的新骨架。mycoleptodiscin B 具有抑制癌细胞系生长的活性，其抑制浓度IC 50 为0.60 ～0.78 μmol/L 。Yang 等[21] 从黄花蒿Artemisia annua Linn. 中得到1 株内生链霉菌，经光谱数据鉴定为新吡啶类衍生物类生物碱，可用于对抗细胞毒性。研究者从鱼腥草Houttuynia cordata Thunb. 内生真菌Aspergillus sp. GZWMJZ-636 的发酵产物中分离鉴定出6 个化合物，其中新的吲哚二酮哌嗪生物碱18- 氧代曲普鲁斯太汀B 可产生抗植物病原菌活性[22] 。

2.2萜类

金玉等[23] 从短柄龙胆Gentiana stipitata Edgew. 中分离的内生真菌菌株WZ-6 发酵液中含有环烯醚萜类代谢产物，具有抗真菌活性。雷丹丹等[24] 从头花蓼Polygonum capitatum Buch. -Ham. ex D. Don 代谢物的活性组分中分离得到17 个化合物，其中萜类化合物1,2- 二氢烟曲霉酸为内生菌Aspergillus terreus PC-038 的抗菌主要活性成分，这个发现能为新型抗生素的研发提供思路。CR115 培养物的发酵提取物是从哥斯达黎加Daphnopsis Americana (Mill.) J. R. 中分离的植物内生菌，对抗生素抗性细菌有活性。其代谢物被鉴定为一种新型二萜类抗生素[25] 。Silva 等[26] 从美丽决明Cassia spectabilis DC. 中分离到1 株内生真菌拟茎点霉Phompis cassiae ，其发酵液可产生5 种不同的倍半萜，化合物5对球孢菌和枝孢菌具有较强的抗真菌活性。张国建[27] 从红树林植物蜡烛果Aegiceras corniculatum (L.) Blanco 的内生菌裸孢壳菌Emericella nidulans 中共分离得到20 个单体化合物，其中有6 个新颖的混源萜类emeriphenolicin A ～F 。

2.3甾体类

赵倩倩等[28] 从碱蓬Suaeda glauca (Bunge) Bunge 其中1 株具有较高清除DHHP 自由基作用菌株进行分离纯化，从中得到的2 个甾体类化合物有防御病虫害威胁的可能。元超等[29] 从地衣内生菌Elaphocordyceps sp. 的发酵液中分离得到3 个化合物4,8- 二羟基-1- 四氢萘酮、麦角甾醇和去邻甲基二苯甲醚，均能抑制白色念珠菌活性，其中去邻甲基二苯甲醚具有极高的植物毒活性。

2.4黄酮类

Mao 等[30] 从窿缘桉Eucalyptus exserta F. V. Muell 内生真菌Lophiostoma sp. 中分离得到3 个已知化合物，其中黄酮类化合物6- 二氢-2 H - 吡喃-2- 酮对青枯病菌有抗菌活性。邓振山等[31] 从酸枣Ziziphus jujube Mill. var. spinosa (Bunge) Hu ex H. F. Chou 中筛选出内生菌株B-03 的发酵液能产生黄酮类或与黄酮类类似的化合物，说明此内生菌Bacillus axarquiensis 具有合成黄酮类药物的潜力。

2.5其他类

Cao 等[32] 从银杏Ginkgo biloba Linn. 分离出一株Nodulisporium sp.A21 内生真菌，产生可抑制稻瘟病菌的聚酮类化合物。Mao 等[30] 发现Lophiostoma sp . Eef-7 能产生2- 氮杂蒽醌衍生物，对青枯菌表现出微弱的抗菌活性。Xu 等[33] 从苦参Sophora flavescens Alt. 中分离到Penicillium sp. ，在其次级代谢产物中共分离到9 个化合物，分别是6 个二苯醚（单乙酰炔酸、菊酯、曲地酸、二氯硬脂酸甲酯、青霉素、地霉素A ）、1 个苯酚（硫赭曲菌素）和2 个醌醚（1- 甲基大黄素、isorhodoptilometrin ）。李瑞婷等[34] 从炭角菌属内生菌对三七总皂苷的转化产物中分离鉴定到7 个皂苷类成分，分别为西洋参皂苷F1 、假人参皂苷RT4 、假人参皂苷RT5 、新三七皂苷J 、越南参皂苷R13 、越南参皂苷R10 、西洋参皂苷L16 。巨凤等[35] 从冬虫夏草Stachys geobombycis C. Y. Wu 中分离得到的内生菌Penicillium crustosum 次级代谢产物中共鉴定出16 个化合物，其中圆弧菌素cyclopenin 为首次鉴定得到的苯二氮䓬类化合物。马逢时等[52] 从白花前胡Peucedanum praerupterum Dunn. 中分离得到的内生菌Penicillium sp. MG1 发酵液中鉴定得到3 个香豆素类代谢产物珊瑚菜内酯、紫花前胡素、白花前胡丁素。

3展望

内生真菌是一类有趣的有机体，能定植于植物体内的健康组织，在宿主植物中不引起任何病害症状。近几十年来的研究表明，植物内生菌与其宿主植物共存，能够产生新的抑菌生物活性化合物，对植物代谢产物的形成具有重要的影响，如一些新颖聚酮、混源萜类等化合物，已经预示内生抑菌微生物将在药物工程、植物促生、抗病虫害、抗耐药等领域开启一场新的革命。证据表明，内生真菌可通过破坏细胞膜完整性促进麦角甾醇的合成、诱导宿主形成抗病相关途径，促使多种防御酶活性增加、与病原菌产生空间竞争、降解细胞壁中关键酶等相关机制来形成植物内生菌的抑菌作用。虽然在过去的几十年人们对不同内生植物的抑菌特性和鉴定做了大量研究，但还开发利用上还存在一些不足，主要表现在：（1 ）大量稀有内生抑菌微生物资源待挖掘。因无法完全复制微生物生长的自然环境条件和其特殊的选择性等缺陷，仍然有大部分内生菌不能或未被培养，特别是生活于海洋中的植物，还未能全面探究植物内生菌抑菌的结构和组成。（2 ）对有效的抑菌菌株尚未实现其活性代谢产物的工业化生产。虽然不少研究者已从一些植物内生菌中分离鉴定出有效的抑菌活性物质，但这些都只停留于理论上，未能进一步开发利用在实际的工业或生物防治中。（3 ）分子机制理论研究不够深入。现阶段植物内生菌的研究主要停留在组织分离纯化、种属鉴定、次生代谢产物鉴定等阶段，而在内生菌的侵染定殖途径、抗病虫害机制、抗耐药机制以及宿主与内生菌互作分子机制等方面内容研究较少。

鉴于上述问题，笔者认为未来可在以下方面对植物内生菌进行深入探究：（1 ）利用传统分离方法与现代先进技术的有效结合，并结合地理优势，对植物内生菌抑菌菌株按照不同物种、不同产地、不同季节等方式进行合理归纳总结，全面探索内生菌抑菌的结构和组成，鼓励研究者挖掘更多稀有的植物内生菌资源，丰富内生菌菌种资源库。（2 ）对鉴定出有效的抑菌活性菌株进行进一步的筛选，并采取合理的手段对这些菌株进行大规模发酵和生产，提高内生菌抑菌的有效性和利用率。（3 ）利用微生物组学、生物信息学、细胞悬浮诱导子添加技术、转录组分析等手段对分子机制以及特定宿主的物理和生化环境对内生功能和代谢物诱导进行深入探究，并科学地推动它们的生态作用朝着预期的药理学和生态友好的生物应用发展。这可能有助于揭示来自未开发生态区的内生菌，将其作为有用的生物工具来应对当前医药、农业等行业面临的挑战，为即将到来的挑战奠定基础。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

参考文献（略）

来源：卜宣尹，杨卫丽．植物内生菌抑菌机制和抑菌次生代谢产物的研究进展[J]. 现代药物与临床, 2021, 36(10):２２００-２２０６.

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