海洋弗氏鏈霉菌HNM0089抗真菌活性成分研究

陶琳 叢子文 周雙清 黃東益 吳文嬙 許云 夏薇 張榮萍 黃小龍

摘 要 為了從海洋微生物中尋找農藥先導化合物，本研究通過16S rRNA基因序列分析對具有抗真菌活性的海洋放線菌HNM0089的種屬進行鑒定，并對其抗真菌的活性成分進行研究。結果表明：海洋放線菌HNM0089被鑒定為弗氏鏈霉菌（Streptomyces fradiae）。利用高分辨質譜、一維和二維核磁波譜技術，將其主要活性成分鑒定為星形孢菌素（Staurosporine）。該化合物對芒果炭疽病菌、水稻稻瘟病菌、香蕉枯萎病菌、薯蕷炭疽病菌和橡膠炭疽病菌均有抑制活性，具有開發(fā)成農用抗菌素的潛力。

關鍵詞 海洋放線菌；弗氏鏈霉菌；抗真菌活性；星形孢菌素；農用抗菌素

中圖分類號 Q939.92 文獻標識碼 A

Abstract A marine actinomycetes strain HNM0089 with antifungal activity was identified by 16s rRNA and its antifungal active ingredients was studied. The results showed that strain HNM0089 was identified as Streptomyces fradiae and the main active component was identified as staurosporine by the means of HRESI-MS， 1D-NMR， and 2D-NMR. The compound has inhibitory activity against Colletotrichum asianum， Magnaporthe grisea， Fusarium oxysporum f. sp. cubense race 4， Colletotrichum gloeosporioides Cg9， Colletotrichum gloeosporioides RC178 and has potential to be developed into agrochemical antibiotic.

Key words Marine actinomycete； Streptomyces fradiae； antifungal activity； staurosporine； agrochemical antibiotic

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.04.022

海洋微生物因其特殊的生存環(huán)境形成了獨特的代謝途徑、生存繁殖方式和適應機制，從而產生結構獨特的次級代謝產物，現已成為了海洋活性天然產物的重要來源之一[1-3]。目前，從海洋微生物中發(fā)現了許多具有良好抗菌活性的化合物[4-5]，其中不少活性化合物在植物病蟲害的生物防治中呈現出誘人的應用前景[6-8]。如海洋魯特格斯鏈霉菌鼓浪嶼亞種 （Streptomyces rugersensis subsp. gulangyunensis）產生的春日霉素類抗生素8510-I，對稻瘟病等植物病原菌具有極好的防治效果[9]。海洋細菌BAC-9912產生的寧康霉素，對立枯絲核菌、灰霉病菌、蘋果輪紋病菌等植物致病菌具有很強的抑制作用[10]。因此，海洋微生物正成為尋找結構獨特新型農用抗菌素的重要資源[11-12]。本實驗室前期從海南文昌海域分離得到104株海洋放線菌，并進行了拮抗芒果采后炭疽病菌的活性篩選，結果發(fā)現海洋放線菌HNM0089對本實驗室新報道的芒果炭疽病菌（Colletotrichum asianum）[13]具有良好的拮抗活性（圖1）。為了明確海洋放線菌HNM0089的分類地位和抗菌活性成分，本研究對其16S rRNA基因序列進行分析，并對其活性代謝產物進行結構鑒定和活性評價，為進一步的產物研究和應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株 放線菌HMN0089菌株為本實驗室從海南文昌海域采集的海綿樣品中分離得到。芒果采后炭疽病菌（Colletotrichum asianum T0408）、水稻稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）、香蕉枯萎病菌（Fusarium oxysporum f. sp. cubense race 4）、薯蕷炭疽病菌（Colletotrichum gloeosporioides Cg9）和橡膠炭疽病菌（Colletotrichum gloeosporioidesRC178）為本實驗室保存菌株。

1.1.2 儀器與試劑 1H NMR、13C NMR及二維（HSQC、1H-1HCOSY、HMBC）相關核磁共振由Bruker DPX-400 Bruker DPX-600核磁共振儀測定；質譜測試使用Agilent公司的6210 TOF LC-MS儀器；ZF-I 型紫外分析儀。半制備高效液相層析：層析柱為250 mm×10 mm，粒徑5 μm的Hypersil反相高效液相層析柱（美國Thermo Fisher Scientific），配備L-7110泵和L-7420 UV/Vis檢測器的Hitachi HPLC系統(tǒng)。薄層層析用黃海硅膠TLC板（煙臺江友硅膠開發(fā)有限公司）。凝膠層析所用填料為Sephadex LH-20（瑞典Pharmacia Biotech）。柱層析所用硅膠（200～300目）（青島海洋化工廠）。常規(guī)提取分離用甲醇（MeOH）、乙酸乙酯（AcOEt）、石油醚（PE）、二氯甲烷（CH2Cl2）均為工業(yè)用化學純產品，液相色譜甲醇（EtOH），液相色譜純水，洗脫劑添加的酸為分析純的三氟乙酸（TFA）。

1.1. 3 培養(yǎng)基 酵母膏麥芽膏培養(yǎng)基（ISP2）：酵母膏4 g，麥芽浸粉10 g，葡萄糖4 g，蒸餾水1 L，瓊脂20 g，pH 7.3。

種子培養(yǎng)基：胰酪蛋白胨17.0 g，大豆蛋白胨 3.0 g，葡萄糖 2.5 g，氯化鈉 5.0 g，磷酸氫二鉀2.5 g， 蒸餾水1 L，pH 7.3。

發(fā)酵培養(yǎng)基K：可溶性淀粉25 g，黃豆粉15 g，酵母浸粉2 g，CaCO3 4 g，海鹽27 g，純水1 L，pH 7.2。

1.2 方法

1.2.1 菌株HNM0089的分子生物學鑒定 參照周雙清等[14]的方法進行菌株DNA的提取、16S rRNA基因序列PCR擴增及序列測定，將獲得的序列登錄EzTaxon數據庫（https：//www.ezbiocloud.net/）中作同源序列比對搜索，同時下載相關相似菌株序列，用Mega6.0軟件構建系統(tǒng)發(fā)育樹，確定其分類地位。

1.2.2 菌株的發(fā)酵 將斜面保存的菌種HMN0089接種到ISP2固體培養(yǎng)基平板上，在28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d。將活化的菌種HNM0089轉接到裝有200 mL種子培養(yǎng)基的1 L三角瓶中，于28 ℃，142 r/min搖床培養(yǎng)48 h，作為種子液。取10 mL種子液接種到裝有200 mL發(fā)酵培養(yǎng)基K的1 L三角瓶中，共接種200瓶，于28 ℃，142 r/min 搖床培養(yǎng)10 d。

1.2.3 化合物的分離、純化及結構鑒定 將1.2.2中所得的發(fā)酵液經3倍體積的乙酸乙酯溶劑萃取后減壓旋蒸濃縮得到黃色粗提物6.0 g，該粗提物經200～300目硅膠柱色譜，以石油醚-二氯甲烷-甲醇（V：V：V，100：0：0，0：100：0，0：100：1，0：100：2，0：100：4，0：100：8，0：100：16，0：0：100）梯度洗脫，HPLC檢測和活性分析后選取第5個和第6個流分，合并后經HPLC-C18反相制備（體積分數為90：10：0.15的MeOH-H2O-TFA洗脫，流速為2 mL/min）得到化合物TL-1（30 mg）；再通過HRESI-MS確定分子式和分子量，并確定1H NMR、13C NMR、1H-1H COSY、HMQC等的化學結構。

1.2.4 抗植物病原真菌活性測定 采用微量稀釋法對抗5種供試植物病原真菌的活性進行測定，以無菌DMSO為溶劑，將化合物TL-1配制成1 280 μg/mL的母液。然后采用倍比稀釋法依次稀釋得到濃度為256、128、64、32、16、8、4、2、1、0.5、0.25、0.125 μg/mL的樣品液。陽性對照放線菌酮的稀釋方法同上。通過血球計數板計數將供試病原真菌的孢子制備成（2～4）×106個孢子/mL的菌液。取96孔細胞培養(yǎng)板，每孔分別加入100 μL的樣品液和100 μL的孢子液（每種菌同時作空白對照），于28 ℃培養(yǎng)48 h后觀察各孔中孢子的生長狀況，以無菌生長的最低濃度為最小抑菌濃度（MIC值）。

2 結果與分析

2.1 菌種鑒定

采用PCR擴增得到菌株HNM0089的16S rRNA基因序列，有效片段長度為1 594 bp，提交GenBank數據庫獲得序列號MG020663。在EzTaxon數據庫中進行有效種的序列相似性搜索，結果發(fā)現菌株HNM0089與鏈霉菌屬標準菌株的同源性最高，其相似率在98.13%～100%之間。其中與之相似率最高的鏈霉菌為Streptomyces fradiae NBRC 3439T（相似率為100%），基于16S rRNA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育分析顯示菌株HNM0089與Streptomyces fradiae NBRC 3439T聚在同一分支，且遺傳距離幾乎為零（圖2）。故鑒定菌株HNM0089為弗氏鏈霉菌（Streptomyces fradiae）。

2.2 化合物結構鑒定

從菌株HNM0089的代謝物中分離、純化獲得主產化合物TL-1。該化合物為黃綠色無定型粉末，正離子ESI-MS給出m/z 467.2098（[M+H]+），確定其分子式為C28H26N4O3，計算其不飽和度為18，紫外顯示在291 nm處有尖銳特征吸收。1H NMR低場區(qū)給出2個活潑氫信號δH（9.02， 1H， d， 23.7），（8.65， 1H， s），7.2-9.4 ppm給出8個芳香氫信號，高場區(qū)給出12個氫信號；13C NMR中共28個碳信號，低場區(qū)包括1個羧基信號（δC 172.36），18個芳香碳信號，高場區(qū)包括4個次甲基信號，2個亞甲基信號，3個甲基信號。1H-1H COSY數據顯示H-1和H-2相關，H-2和H-3相關，H-3和H-4相關，H-6和H-7相關，H-8和H-9相關，H-10和H-11相關，H-6和H-5相關，H-5和H-4相關，H-4a和H-4b相關，可將關聯片段連出。HMBC數據顯示H-2和C-4、C-13a相關，H-3和C-4a相關，H-4和C-2、C-4b、C-13a相關，H-6和C-4c、C-5、C-7、C-7a相關，H-7和C-4b、C-4c、C-5、C-7a相關，H-8和C-7b、C-7c相關，H-11和C-11a相關，這些信息確定該化合物有吲哚咔唑母核結構。此外H-2a和C-2、C-6相關，H-3和C-3a、C-4、C-5相關，H-3a和C-3相關，H-4b和C-4相關，H-5和C-3a相關，可確定糖環(huán)的結構，同時H-6和C-2、C-12a、C-12b相關，故可將母環(huán)和糖環(huán)連接起來，結構如圖3。其核磁數據如表1 所示，通過文獻比較，化合物TL-1與星形孢菌素的核磁數據一致[15]，因此確定化合物TL-1為星形孢菌素（staurosporine）。

2.3 抗植物病原真菌活性

由表2可知，化合物TL-1對芒果炭疽病菌、水稻稻瘟病菌、薯蕷炭疽病菌、橡膠炭疽病菌和香蕉枯萎病菌均有顯著的抑菌活性，最小抑菌濃度（MIC）值分別為0.125、8、8、8、8 μg/mL。其中對芒果炭疽病菌的抗菌活性優(yōu)于陽性藥放線菌酮，對香蕉枯萎病菌的抗菌活性低于放線菌酮，對其它3種病菌的抗菌活性與放線菌酮相當。

3 討論

星形孢菌素（staurosporine）是Omura等[16]從土壤鏈霉菌Streptomyces staurosporeus AM-2282的發(fā)酵產物中分離的第1個吲哚咔唑類生物堿，顯示有抗真菌的活性。Furasaki等[17]獲得了星形孢菌素的單晶，并確定其化學結構。Tamaoki等[18]發(fā)現星形孢菌素具有極強的抗腫瘤活性，屬于一類細胞膜滲透性良好的非選擇性蛋白激酶抑制劑。從此該生物堿受到廣泛關注，長期被作為一種抗腫瘤先導化合物進行研究[19-20]。但近年來，星形孢菌素的農藥活性也逐漸被人們所發(fā)現。Park等[21]報道了星形孢菌素對Colletotrichum orbiculare、Phytophthora capsici、Rhizoctonia solani、Botrytis cinerea和Cladosporium cucumerinum等植物病原真菌具有相當強的抗性，其防治辣椒疫霉病的效果略低于甲霜靈。Cheng等[22]報道星形孢菌素對由水稻黃單胞菌引起的水稻白葉枯病具有良好的防治功效。此外，也有報道星形孢菌素還具有抗蟲活性，對甜菜夜蛾具有較高殺蟲活性[23-24]。本研究從海洋弗氏鏈霉菌HNM0089中分離到了星形孢菌素，并且發(fā)現其對芒果炭疽病菌、水稻稻瘟病菌、香蕉枯萎病菌、薯蕷炭疽病菌和橡膠炭疽病菌均具有較強的抑制作用，結合文獻報道，充分表明星形孢菌素具有較廣的抗菌譜，具備開發(fā)成廣譜農用抗菌素的潛力，但其抗菌機理還有待進一步研究。

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