微生物介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積及在藥用植物作用機(jī)制中的研究進(jìn)展

郜玉鋼 莫琪琪 趙巖 臧埔

摘要：植物次生代謝產(chǎn)物是植物長(zhǎng)期與生態(tài)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果，具有多種藥理、生理和生態(tài)學(xué)功能，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健品、化妝品、食品和農(nóng)藥等行業(yè)。文章重點(diǎn)介紹了病原菌、誘導(dǎo)子和內(nèi)生菌介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積的概況，指出利用病原菌介導(dǎo)植物次生代謝累積作用不持久和不安全，誘導(dǎo)子介導(dǎo)雖安全但更不持久，內(nèi)生菌介導(dǎo)遠(yuǎn)比生物侵害因子更安全、更可控和更持久，且經(jīng)濟(jì)可靠效率高，應(yīng)用前景更理想;同時(shí)總結(jié)了內(nèi)生菌介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積的主要途徑，歸納了內(nèi)生菌與宿主植物次生代謝的互作機(jī)制，并指出內(nèi)生菌在藥用植物藥效成分累積中的作用機(jī)制。今后應(yīng)借助高通量測(cè)序、SSH、HPLC、TLC、IR、MS和NMR等手段確定內(nèi)生菌介導(dǎo)藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積的途徑、種類及其差異基因，再結(jié)合藥用植物次生代謝單體和差異基因表達(dá)量相關(guān)分析、Unigene注釋、差異基因結(jié)構(gòu)分析篩選候選基因并驗(yàn)證其功能，綜合Unigene蛋白互作網(wǎng)絡(luò)等分析和關(guān)鍵酶基因作用信號(hào)通路，確定內(nèi)生菌介導(dǎo)藥用植物次生代謝累積的分子機(jī)制。

關(guān)鍵詞： 微生物;植物;藥用植物;次生代謝產(chǎn)物;互作機(jī)制

中圖分類號(hào)： S182? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：2095-1191（2019）10-2234-07

Microbial mediated accumulation of plant secondary metabolites and its action mechanism in medicinal

plants： A review

GAO Yu-gang1，2，? MO Qi-qi1，2，? ZHAO Yan1，2，? ZANG Pu1，2*

（1College of Traditional Chinese Medicinal Materials， Jilin Agricultural University， Changchun? 130118， China; 2Ginseng Engineering Technology Research Center of Jilin Province， Changchun? 130118， China）

Abstract：Plant secondary metabolites are the result of long-term adaptation of plants to the ecological environment， they have a variety of pharmacological， physiological and ecological functions and are widely used in medicine， health care products， cosmetics， food and pesticide industries. The accumulation of plant secondary metabolites mediated by microorganisms was reviewed in this article， focusing on the pathogens， elicitors， endophytes to mediate plant secondary metabolism：pathogens were not persistent and unsafe. Elicitors were safe but less persistent. Endophytes were far safer， more controllable and lasting， and economically reliable and more efficient than biological aggressor. The main pathways of secondary metabolism mediated by endophytes， and the interaction mechanism between endophytes and host plants were summarized. The function mechanism of endophytes in effective component accumulation of medicinal plants was pointed out. High-throughput sequencing， SSH， HPLC， TLC， IR， MS and NMR were used to determine the pathways and species and differential genes of endophytes mediated medicinal plants secondary metabolism accumulation. In combination with the secondary metabolites of medicinal plants and differential gene expression analysis， Unigene annotation and differential gene structure analysis， candidate genes were screened and their functions were verified. The molecular mechanism of endophytes mediated the accumulation of secondary metabolism in medicinal plants were determined combining with the Unigene protein interaction network and key enzyme gene signaling pathways.

Key words： microbe; plant; medicinal plants; secondary metabolic products; interaction mechanism

0 引言

植物次生代謝產(chǎn)物是一類特殊的小分子有機(jī)化合物，其種類繁多，但并非是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所必需的物質(zhì)。植物次生代謝產(chǎn)物在增強(qiáng)植物抗病性、抵御害蟲(chóng)侵害及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)中起著重要作用，是植物長(zhǎng)期與生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)的結(jié)果（牛麗麗等，2016;顧小輝等，2017），而植物次生代謝產(chǎn)物作為天然的活性成分，也具有一定的藥理作用和生物活性，在抗菌、抗炎、抗腫瘤、防治心血管疾病及抗心肌缺血等方面發(fā)揮重要作用（華曉雨等，2017;張建紅等，2018），已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健品、化妝品、食品和農(nóng)藥等行業(yè)，但次生代謝產(chǎn)物通常含量低，因而限制了其研究與應(yīng)用。作為藥用植物道地性的物質(zhì)基礎(chǔ)，次生代謝產(chǎn)物的含量及種類通常被用于評(píng)價(jià)植物道地藥材質(zhì)量的優(yōu)劣（Liu et al.，2018;Wang et al.，2018）。生物（病原菌、害蟲(chóng)、有益菌等）與非生物（干旱、鹽堿、重金屬、溫度等）因素可顯著影響植物次生代謝物的含量，尋找次生代謝合成途徑、關(guān)鍵酶基因及其機(jī)理已成為研究熱點(diǎn)。本研究就微生物介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積及在藥用植物中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述，不僅有助于闡明次生代謝產(chǎn)物累積的分子機(jī)制，還對(duì)藥用植物道地性成因及其質(zhì)量調(diào)控研究具有參考價(jià)值。

1 病原菌介導(dǎo)植物次生代謝

植物次生代謝產(chǎn)物與植物的防御反應(yīng)和被脅迫程度有密切關(guān)系。Brader等（2001）研究發(fā)現(xiàn)，胡蘿卜軟腐歐文氏菌（Erwinia carotovora）促進(jìn)擬南芥3-吲哚基甲基芥子油苷增加;Huffaker等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum）接種玉米可合成萜類化合物;Stotz等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥受到核盤(pán)菌（Sclerotinia sclerotiorum）侵染后可合成亞麻薺素，增加芥子油苷含量;龍?jiān)录t等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，尖孢鐮孢菌（Fusarium oxysporum）、葡萄座腔菌（Botryosphaeria dothidea）和角擔(dān)菌（Ceratoba-sidium spp.）在宿主刺五加體內(nèi)可提高刺五加苷E含量1.86～5.23倍;Onrubia等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，單胞菌（Pseudomonas syringae）產(chǎn)生的植物毒素Coronatine使紫杉烷含量增加。植物次生代謝產(chǎn)物合成需要消耗很高能量，對(duì)植物本身也有一定的毒害作用，因此，植物次生代謝受到本身的嚴(yán)格調(diào)控，一般處于關(guān)閉或半關(guān)閉狀態(tài)，只有受到外界侵害時(shí)植物防御反應(yīng)才會(huì)被激活而啟動(dòng)次生代謝產(chǎn)物合成（楊欣等，2013;Xia et al.，2016）。藥用植物被病原菌感染后會(huì)出現(xiàn)病癥，甚至死亡，嚴(yán)重影響藥用植物的生產(chǎn)性能和品質(zhì)?？梢?jiàn)，利用病原菌介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物的累積作用具有不持久性和不安全性。

2 誘導(dǎo)子介導(dǎo)植物次生代謝

誘導(dǎo)子是一種特殊的觸發(fā)因子，分為生物誘導(dǎo)子和非生物誘導(dǎo)子，具有效率高、成本低和可操控性強(qiáng)等特點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于提高植物次生代謝產(chǎn)物含量。生物誘導(dǎo)子如細(xì)菌和真菌的菌絲體、菌絲體降解產(chǎn)物、發(fā)酵液及分泌物等;非生物誘導(dǎo)子包括金屬離子、茉莉酸甲酯、水楊酸、茉莉酸和乙烯等。由表1可知，誘導(dǎo)子能促使植物產(chǎn)生防御反應(yīng)，從而誘導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物的合成，其中，茉莉酸及茉莉酸衍生物是植物次生代謝物合成和積累最有效的誘導(dǎo)子?？梢?jiàn)，直接應(yīng)用誘導(dǎo)子能有效模擬外來(lái)病原菌脅迫因子誘導(dǎo)次生代謝產(chǎn)物合成。但誘導(dǎo)子容易被植物本身降解而快速失活，這種介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積作用更不持久。

3 內(nèi)生菌介導(dǎo)植物次生代謝

內(nèi)生菌廣泛存在于植物體內(nèi)，其長(zhǎng)期與宿主植物協(xié)同進(jìn)化，不僅促進(jìn)植物生長(zhǎng)，還能持續(xù)性促進(jìn)藥用植物活性成分累積，提高藥用植物的品質(zhì)和產(chǎn)量，且不會(huì)引發(fā)宿主植物出現(xiàn)明顯感染癥狀（Cui et al.，2013;Chen et al.，2019）。目前研究發(fā)現(xiàn)，多粘類芽孢桿菌噴施和灌根處理的1～4年生人參中，9種單體皂苷加和值與同年人參比較，分別提高36.83%、44.52%、67.96%和79.44%;多粘類芽孢桿菌與死態(tài)人參共培養(yǎng)顯著提高了12種人參皂苷單體加和值含量，特別是稀有人參皂苷CK和Protopanaxadiol含量分別提高1.38和7.78倍（Gao et al.，2015;Ji et al.，2015）。由表2可知，利用內(nèi)生菌模擬病原菌侵害因子來(lái)誘導(dǎo)植物次生代謝合成的防御反應(yīng)，遠(yuǎn)比生物侵害因子更安全、更可控和更持久，且經(jīng)濟(jì)可靠效率高，應(yīng)用前景更理想。

4 內(nèi)生菌介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積的主要途徑

內(nèi)生菌介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積的主要途徑可能包括：①內(nèi)生菌直接產(chǎn)生各種化合物，成為宿主活性成分，或作為宿主的次生代謝產(chǎn)物前體再通過(guò)宿主合成酶催化合成活性成分，或被植物吸收調(diào)控，進(jìn)而影響宿主次生代謝累積（Hassan and Mathesius，2012）;②內(nèi)生菌通過(guò)誘導(dǎo)子效應(yīng)或橫向基因轉(zhuǎn)移等改變宿主基因表達(dá)和代謝途徑，導(dǎo)致相關(guān)基因活性的變化，進(jìn)而介導(dǎo)某些次生代謝物的累積（Gluck-Thaler and Slot，2015）;③內(nèi)生菌可通過(guò)生物轉(zhuǎn)化作用對(duì)宿主化合物產(chǎn)生影響（Tian et al.，2014）。由內(nèi)生菌促進(jìn)植物次生代謝產(chǎn)物累積的主要途徑（表3）可知，內(nèi)生菌介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積，在不同植物中可能存在各自不同的互作作用，內(nèi)生菌與宿主互作介導(dǎo)次生代謝產(chǎn)物累積的分子機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

5 展望

5. 1 內(nèi)生菌與宿主植物互作機(jī)制研究現(xiàn)狀

內(nèi)生菌與宿主植物互作機(jī)制存在馬賽克理論、獲得性免疫系統(tǒng)、外源性化學(xué)興奮效應(yīng)及平衡對(duì)抗等假說(shuō)（Venugopalan and Srivastava，2015;Khan et al.，2017）。其中，公認(rèn)的平衡對(duì)抗假說(shuō)認(rèn)為，內(nèi)生菌與宿主互作不同于病原菌，是其毒力因子與宿主防御反應(yīng)間的平衡對(duì)抗，二者只有通過(guò)協(xié)同進(jìn)化達(dá)到平衡才能長(zhǎng)期共存，但實(shí)際上平衡維持機(jī)制遠(yuǎn)比平衡對(duì)抗更復(fù)雜和精密（Raman and Suryanarayanan，2017）。研究發(fā)現(xiàn)，喜樹(shù)堿能抑制內(nèi)生菌拓樸異構(gòu)酶的活性，但同時(shí)內(nèi)生菌能通過(guò)特有的氨基酸殘基結(jié)合在拓?fù)洚悩?gòu)酶與喜樹(shù)堿結(jié)合的活性結(jié)構(gòu)域，防止拓?fù)洚悩?gòu)酶失活，進(jìn)而免受自身或宿主產(chǎn)生的喜樹(shù)堿的抵抗，而不產(chǎn)生喜樹(shù)堿的內(nèi)生菌通過(guò)直接編碼拓樸異構(gòu)酶的方式來(lái)抵抗宿主喜樹(shù)堿活性（Kusari et al.，2012）;內(nèi)生菌單培養(yǎng)時(shí)，許多活性內(nèi)生菌的活力不穩(wěn)定，甚至逐步消失，該菌能產(chǎn)生喜樹(shù)堿的前體，但缺少來(lái)自宿主植物提供的活性成分合成酶，而無(wú)法合成活性成分。說(shuō)明平衡對(duì)抗不僅存在二者之間橫向基因的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)移（Kusari et al.，2011），還存在宿主植物同時(shí)與多種微生物間相互作用、同一宿主植物各內(nèi)生菌間相互作用，加之體外試驗(yàn)很難模擬其真實(shí)互作關(guān)系，這些難題在研究中均需排除或加以解決。

植物次生代謝產(chǎn)物的生物途徑只有在生物和非生物因子脅迫下才被激活?；蚴敲傅幕A(chǔ)，因此植物受到脅迫時(shí)，激發(fā)植物體內(nèi)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路先將信號(hào)傳遞給受脅迫的轉(zhuǎn)錄因子，提高mRNA的轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)而誘導(dǎo)次生代謝物關(guān)鍵酶的表達(dá)。如促進(jìn)人參皂苷合成的關(guān)鍵酶基因3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶基因（HMGR）、法尼基焦磷酸合酶基因（FPS）、達(dá)瑪烷二醇合酶基因（DS）、角鯊烯合成酶基因（SS）和角鯊烯環(huán)氧酶基因（SE）等，但內(nèi)生菌介導(dǎo)人參單體皂苷的累積具體對(duì)應(yīng)哪個(gè)關(guān)鍵酶基因尚不明確，需更深入探究?？梢?jiàn)，闡明內(nèi)生菌與宿主植物互作介導(dǎo)藥用植物活性成分單體累積的理論及信號(hào)通路等分子機(jī)制，更需要直接證據(jù)加以證明。

5. 2 確定內(nèi)生菌介導(dǎo)藥用植物次生代謝累積的分子機(jī)制建議

宿主植物同時(shí)與多種微生物間相互作用，同一宿主植物各微生物間也存在相互作用，導(dǎo)致體外試驗(yàn)很難模擬其真實(shí)互作關(guān)系，而利用內(nèi)生菌與宿主植物發(fā)根互作試驗(yàn)材料，研究微生物介導(dǎo)植物次生代謝產(chǎn)物累積，既能模擬內(nèi)生菌與植物間的真實(shí)互作關(guān)系，又能排除其他微生物的干擾。

首先，借助高通量測(cè)序與SSH聯(lián)用篩選內(nèi)生菌介導(dǎo)藥用植物轉(zhuǎn)錄組的差異mRNA，且利用HPLC、TLC、IR、MS和NMR分析和鑒定藥用植物次生代謝產(chǎn)物單體，確定內(nèi)生菌介導(dǎo)藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積的途徑和種類及其差異基因;其次，綜合藥用植物次生代謝單體和差異基因相關(guān)分析、Unigene注釋、差異基因結(jié)構(gòu)分析及相關(guān)次生代謝途徑信息，篩選內(nèi)生菌介導(dǎo)藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積的候選基因，再依次用qRT-PCR、原核表達(dá)、真核過(guò)表達(dá)和沉默表達(dá)驗(yàn)證該候選基因功能，確定內(nèi)生菌介導(dǎo)藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積的關(guān)鍵酶基因;最后，綜合Unigene蛋白互作網(wǎng)絡(luò)等分析和關(guān)鍵酶基因作用信號(hào)通路及相關(guān)次生代謝途徑信息，確定內(nèi)生菌介導(dǎo)藥用植物次生代謝累積的分子機(jī)制。

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（責(zé)任編輯 麻小燕）