藥食同源念珠藻的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景

王 捷，李 博，張志雄，白 蕓，郭偉楠，尤敏如，劉 璇，石 瑛

(1.太原師范學院 生物系， 山西 晉中 030619；2.太原師范學院 地理科學學院， 山西 晉中 030619)

0 引言

念珠藻隸屬于藍藻門(Cyanophyta)、藍藻綱(Cyanophyceae)、段殖藻目(Hormogonales)、念珠藻科(Nostocaceae)、念珠藻屬(Nostoc)[1].它是一類具有異形胞的絲狀固氮藻類，廣泛分布于全球七大洲的陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)中[2].即使在低溫、高溫、干旱及高紫外輻射等極端環(huán)境中，念珠藻的一些種類也表現(xiàn)出十分強大的生命力[3].目前最常見的藥食同源念珠藻主要有3種，分別是普通念珠藻(Nostoccommune，也稱地皮菜或地木耳) 、擬球狀念珠藻 (Nostocsphaeroides，也稱葛仙米)和發(fā)狀念珠藻 (Nostocflagelliforme，也稱發(fā)菜).這三種念珠藻具有極高的食用、藥用和保健價值，不僅含有多種人體所必需的氨基酸、微量元素和維生素，還具有高蛋白、低脂肪的特點[2，4，5].而念珠藻源生物活性成分既能夠在體內(nèi)外直接清除自由基，又具有特殊的抗腫瘤活性，其作用機制與抑制腫瘤細胞增殖、誘導細胞死亡以及抑制細胞的侵襲遷移有關(guān).此外，念珠藻還有較強的免疫作用，可以提高患病或正常動物的免疫功能，具有成為天然免疫增強劑的潛力[4，6].為了充分開發(fā)和利用念珠藻資源，本文綜合近年來國內(nèi)外文獻對地木耳、葛仙米和發(fā)菜的研究報道，綜述這三種念珠藻在全球的分布情況、影響念珠藻生長的因素和念珠藻源生物活性成分及作用，以便能為念珠藻的保護和合理利用提供理論指導.

1 藥食同源念珠藻的分布、生長及其影響條件

1.1 地木耳、發(fā)菜和葛仙米的分布

地木耳等念珠藻具有極強的抗寒、紫外輻射、極端干旱、低光、高溫等能力[9]，因此可以在極端環(huán)境中存活.地木耳主要分布在石灰石或喀斯特地形區(qū)，多生長在潮濕的土壤和巖石表面[7].發(fā)菜群體外形呈絲狀或帶狀，貌似頭發(fā).由于其生長的局限性和特異性，主要分布于中國、法國、蒙古、美國、捷克、墨西哥、摩洛哥、索馬里和阿爾及利亞等國家，在我國主要分布于青海、新疆、寧夏、甘肅、陜西、內(nèi)蒙古、河北和山西等西部和西北部省、市、自治區(qū)，因其生長的特殊性和局限性，主要生長在干旱或半干旱的荒漠草原地帶，是荒漠草原中特有的陸生藻類植物[7，8].葛仙米主要分布在我國的湖北省恩施自治州鶴峰縣、房縣、神農(nóng)架林區(qū)等地的土壤或水體表層、池塘、湖泊、溪流的沙石間或潮濕的泥土上[9].

1.2 影響念珠藻生長的條件

1.2.1 溫度

溫度是影響念珠藻生長的最重要因素之一.主要從光合作用和呼吸作用兩方面考慮，溫度影響酶的活性，進而影響呼吸速率以及光合速率，甚至固氮能力[10].發(fā)狀念珠藻細胞在25 ℃下培養(yǎng)可獲得最大比生長速率[11]，溫度越低，對其生長的抑制作用就越顯著，低溫會影響葛仙米蛋白合成酶的表達，使可溶性蛋白含量保持在較低水平，葛仙米在10 ℃條件下可基本恢復光合活性，更低的溫度則會給葛仙米光合活性造成不可逆?zhèn)12].而高溫培養(yǎng)時會出現(xiàn)藻體偏軟，顏色變淺和破裂現(xiàn)象[13].還有研究表明，高溫會提高發(fā)菜對高鹽脅迫的耐受性[14].總的來說，每種念珠藻有其各自的最適生長溫度，分布地域十分廣泛.低于最適溫度時，各種生理指標隨溫度升高而增強，而在高于最適溫度時隨溫度升高而降低.在南極和北極發(fā)現(xiàn)過念珠藻的蹤跡，在溫泉中也發(fā)現(xiàn)過有念珠藻生長[13].

1.2.2 水分

水分也是重要的限制因子.念珠藻廣泛分布于各種極端環(huán)境中，超強的抗干燥能力是其存活的關(guān)鍵.一些藍藻在干燥復水后可以恢復其生理活性，光合能力和固氮能力在復水后不久就能恢復.一株保存了106年的念珠藻浸水后仍然迅速地恢復了生理活性[13].發(fā)菜嚴重缺水時，生理活動處于“休眠狀態(tài)”，而抗氧化酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在其耐旱適應(yīng)性中發(fā)揮著重要作用，其中海藻糖和蔗糖可能對發(fā)菜原植體起到了保護作用，當水分供給時可迅速恢復生長特性[15-17].

1.2.3 光照

光是環(huán)境中的一個重要生態(tài)因子.光質(zhì)(不同顏色或波長的光)、光強以及光周期變化都可影響植物的生長和生理功能[18].同樣，光照也是影響念珠藻生長的關(guān)鍵因素，適量光照有利于其生長[19].光周期早期階段是ATP和一些重要物質(zhì)的產(chǎn)生和儲存階段.光周期中期階段是消耗這些物質(zhì)以進行固氮的階段.在光周期后期階段，由于大量活性氧的產(chǎn)生導致固氮酶受抑制，固氮作用減少.有研究表明，在黑暗條件下，光周期產(chǎn)生的代謝物累積可使固氮作用有短期的持續(xù)[20].

培養(yǎng)地木耳細胞或藻絲過程中，光照強度為2 000 Lx，光照和黑暗比(12 h ∶12 h)是比較適宜的環(huán)境條件[21].同樣，培養(yǎng)發(fā)菜細胞或藻絲時，在45 μmol·m-2·s-1光強下培養(yǎng)得到最大比生長速率[11，22].在黑暗與低光強(<1 μmol·m-2·s-1)條件下，難以完成發(fā)育過程.而光強在10，20，30和60 μmol·m-2·s-1條件下，細胞生長良好[11].培養(yǎng)葛仙米的過程中，不同的光強和光質(zhì)對葛仙米藻殖段的誘導分化有控制作用.適宜光照下會形成直徑較大的原植體，這時較厚的表層對內(nèi)層結(jié)構(gòu)就會有明顯的遮光效應(yīng).通過不同光質(zhì)來誘導葛仙米和地木耳的培養(yǎng)，可調(diào)整各種藻膽蛋白的比例，從而方便所需藻膽蛋白類型的獲取[13].盧菁菁等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)葛仙米前期，紅光、藍光和綠光有助于藻藍蛋白的合成，但是紅光抑制藻紅蛋白的合成.在培養(yǎng)后期，紅光處理有利于葉綠素a和類胡蘿卜素積累.紅、綠單色光有助于光合色素物質(zhì)積累，作為工業(yè)原料有更高的提取價值.用紅光培養(yǎng)葛仙米氨基酸含量更高，作為食用更好.綜上所述，不同光質(zhì)可使葛仙米積累不同的有價值物質(zhì).

1.2.4 營養(yǎng)元素

1.2.5 鹽脅迫

野生葛仙米要在干濕交替的環(huán)境下生存，因此在耐受干旱環(huán)境時，鹽分的不斷富集要求葛仙米也需要承受鹽脅迫.室內(nèi)培養(yǎng)發(fā)菜，培養(yǎng)基中含有0.1 mol·L-1NaCl，可使色素含量達到最高，當含有濃度為0.2 mol·L-1NaCl時，光合速率增強，蔗糖和胞外多糖積累最多.而在高鹽脅迫下，色素含量迅速下降[24].研究發(fā)現(xiàn)，長期高溫和干旱可促進發(fā)菜對高鹽脅迫的耐受性.當NaCl濃度為0.1 mol·L-1時，其光合速率和葉綠素熒光強度幾乎沒有變化，而且外源硝酸鹽可以增強其抗鹽性[14].因此，鹽脅迫也會影響到念珠藻的各項生理指標.

綜上所述，影響念珠藻生長的條件較為復雜，但相比之下細胞對N，P，Ca的需求比較明顯，而且對溫度和光照的要求均比較低.

2 藥食同源念珠藻生物活性成分及作用

念珠藻中含有豐富的營養(yǎng)成分，包括果膠、葉綠素a、葉黃素、胡蘿卜素、多糖、必需氨基酸、維生素、礦物質(zhì)、藻膽素和藻藍蛋白 (Phycocyanin，又稱PC)[26，27]，具有很大的醫(yī)療和保健作用，最早在《本草綱目》和《本草綱目拾遺》中就有關(guān)于發(fā)菜、地木耳和葛仙米的藥用價值記載.地木耳富含多種營養(yǎng)物質(zhì)，它不僅含有豐富的氨基酸、蛋白質(zhì)和糖類，而且還含有多種人體必需的微量元素、少量的脂肪和色素，其中總蛋白質(zhì)含量占干重高達55%左右，是人體主要的蛋白質(zhì)來源[28].發(fā)菜富含多種氨基酸、鐵及碘等多種礦物元素，具有清熱解毒、化痰止咳、通便利尿的作用，可治療高血壓、佝僂病、氣管炎、痢疾、鼻出血等疾病，對降低人體膽固醇和血脂含量有特殊功效，手術(shù)后服用可促使傷口愈合[8，29].葛仙米中富含蛋白質(zhì)、多糖、維生素、不飽和脂肪酸、礦質(zhì)元素、微量元素以及人體必需的全部氨基酸[30].其不僅可食用，還具有治療夜盲癥、脫肛、燙傷及美容的功效.

2.1 多糖

念珠藻多糖是念珠藻保持其完整群體的主要物質(zhì)，并且具有重要的生理功能和藥理活性.研究發(fā)現(xiàn)，地木耳、發(fā)菜和葛仙米中的多糖主要包括葡萄糖、木糖、半乳糖和海藻糖等組分[31].念珠藻具有極強的抗逆性，這與它極強的生理適應(yīng)機制密切相關(guān)，而胞外多糖在抵御干旱脅迫時就起著重要的作用.最重要的是，念珠藻多糖在抗病毒、抗感染、抗腫瘤和增強機體免疫等方面有顯著活性.發(fā)菜多糖nostoflan通過抑制病毒與宿主細胞的結(jié)合來發(fā)揮其抗病毒作用，也可抑制病毒在體內(nèi)外的復制，是一種潛在的抗病毒輔助藥物[28].葛仙米中的多糖成分對超氧自由基和羥自由基有很強的清除作用.而水溶性多糖對霉菌、大腸桿菌和綠膿桿菌均有抑制作用，尤其對綠膿桿菌的抑制作用最強[32].地木耳多糖可誘發(fā)人乳腺癌細胞的凋亡，還可抑制人小細胞肺癌細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[33，34].發(fā)菜胞外多糖可通過非特異性免疫系統(tǒng)來增強小鼠機體免疫[35].

2.2 蛋白質(zhì)

念珠藻因其富含高蛋白，具有豐富的營養(yǎng)價值，所以被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域.藻藍蛋白(PC)是一種存在于紅藻和藍藻細胞內(nèi)的光合輔助色素，是一種特殊的色素蛋白，能高效捕捉光能[36]，在人體外對人的紅細胞和血漿的氧化損傷具有良好的保護作用[37]，同時對激動劑誘導的血小板凝集起到抑制作用[38].有研究表明，PC 對小鼠S180 腫瘤具有較高的抑瘤活性，并能提高機體抗氧化功能[39].葛仙米中的藻膽蛋白對生物體內(nèi)的活性氧有很強的清除作用，其中藻紅蛋白清除羥自由基效果最好[40].該藻膽蛋白也可增強機體免疫功能[41].

其中屬于蛋白質(zhì)類的典型代表——超氧化物歧化酶(SOD)，它是藻類中一種重要的修復成分，與藻類的抗逆性有關(guān)[42].地木耳所含的水應(yīng)激蛋白可以有效抑制結(jié)腸癌細胞的增殖.在組織缺水的情況下，地木耳內(nèi)部會合成水應(yīng)激蛋白，從而抵御干旱、維持組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[6，43].

2.3 其他生物活性成分

目前，在地木耳等念珠藻中還發(fā)現(xiàn)多種生物源活性成分，如CVN、環(huán)肽類化合物、甲醇提取物等具有抗病毒、抗腫瘤、抗感染、抗氧化等作用.其抗腫瘤的作用方式與抑制腫瘤細胞增殖、誘導細胞死亡以及抑制細胞的侵襲遷移有關(guān)，其抗氧化的作用方式與體外直接清除自由基或增強細胞內(nèi)抗氧化酶活性和抑制過氧化產(chǎn)物生成有關(guān)，其抗感染的作用方式與調(diào)控炎癥相關(guān)信號通路MAPK，PI3K/Akt，NF-κB 等抑制炎癥因子表達并提高抗感染因子表達有關(guān)[6].研究表明，CVN能特異地、高親和性地結(jié)合在人免疫缺陷病毒 HIV-I的衣殼蛋白gp120上從而發(fā)揮抗病毒活性.除此之外，CVN還有抗單純皰疹病毒-1(HSV-1)、埃博拉病毒、流感病毒A型和B型、丙型肝炎病毒的活性[44].因其具有抗病毒譜廣、性質(zhì)穩(wěn)定等特點，CVN成為一種很有價值的抗病毒藥[45].從地木耳的甲醇提取物中分離得到一種具有抗真菌活性的氨基酸衍生物——環(huán)肽Nostofungicidine，環(huán)肽類化合物是從念珠藻中分離的活性化合物中種類最豐富，最有潛力的一類化合物[46，47].從地木耳中提取得到二萜樹脂酸和蒽酮類物質(zhì)，這兩種物質(zhì)具有廣譜抗菌作用，從念珠藻中還分離得到幾種對能夠引起艾滋病患者二次感染的真菌Cryptococcussp.有抑制作用的物質(zhì).

3 念珠藻在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用

首先，在食用方面，念珠藻蛋白質(zhì)含量高，具有豐富的營養(yǎng)價值，被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域.發(fā)菜是植物蛋白質(zhì)中含量較高的，屬人體營養(yǎng)中較理想的蛋白質(zhì)食品[8].葛仙米和發(fā)菜的大規(guī)模培養(yǎng)將作為人類蛋白質(zhì)的新來源，為緩解世界糧食問題做出貢獻.其次，在生態(tài)方面，念珠藻分泌的高粘度的糖類和蛋白質(zhì)可以使表層土壤固定，也可以與其他藍藻、苔蘚等共生來防止土壤侵蝕，改善土壤透水性和保水性，促進幼苗生長.念珠藻中含有異形胞，是一種天然無公害的氮源，不僅能夠改善土地貧瘠，還能作為重要氮源參與荒漠地區(qū)的物質(zhì)循環(huán)以及作為新形成陸地的先鋒植物.念珠藻也具有極強的光合作用能力，是荒漠地區(qū)重要的初級生產(chǎn)者之一[1].發(fā)菜可以實現(xiàn)土壤物質(zhì)的流轉(zhuǎn)并維持荒漠草原稀疏植被的生態(tài)平衡，在干旱、半干旱地區(qū)具有重要作用[8]，地木耳被作為拓殖者和先鋒生物用于治理荒漠化和恢復荒漠植被，也可作為土壤結(jié)構(gòu)的改良劑、固氮菌，促進土壤結(jié)構(gòu)的改善和植物的生長[7].地木耳本身作為一種天然色素及從中提取的紫外線防護色素可用于化妝品的開發(fā).此外，有些念珠藻還具有生產(chǎn)環(huán)保生物材料的潛力.將念珠藻作為絮凝劑、粘性劑應(yīng)用于工業(yè)廢水、生活污水的處理，有較好的效果.

4 總結(jié)與展望

念珠藻是一類絲狀固氮藍藻，廣泛分布于全球七大洲的陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)中[1].其中三種重要的藥食同源念珠藻含有豐富的營養(yǎng)成分，包括果膠、葉綠素a、葉黃素、胡蘿卜素、多糖、必需氨基酸、維生素、礦物質(zhì)、藻膽素和藻藍蛋白[34，35].念珠藻的價值不僅是作為食品和保健品，而且在生態(tài)學上有重要的意義.目前對念珠藻的分布和影響念珠藻生長的主要因素進行了調(diào)查研究，為念珠藻的大規(guī)模培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ).近年來，人們逐漸展開了對發(fā)菜等念珠藻的人工繁殖技術(shù)和生物學特性的研究，取得了一定進展，為念珠藻的持續(xù)開發(fā)利用提供一定的方法.但是，在實驗室培養(yǎng)條件下，這三種念珠藻的形態(tài)都呈現(xiàn)球狀或者無規(guī)則生長，不能長成其野外形態(tài).而且野外大規(guī)模培養(yǎng)還是不可實現(xiàn)，需要進一步研究影響其野外生存的各種因素，綜合各種影響因素來發(fā)現(xiàn)其野外生存的奧秘，盡快實現(xiàn)藥食同源念珠藻的野外大規(guī)模培養(yǎng).最重要的是，藥食同源念珠藻生物學活性物質(zhì)的醫(yī)學作用.現(xiàn)已研究了念珠藻多種活性成分在抗病毒、抗感染、抗腫瘤和增強機體免疫等方面的活性.還需進一步改進和完善活性成分的提取工藝，提高分離純化純度.繼續(xù)加強對活性成分藥理學作用的研究，充分挖掘其價值，探索其在其它免疫、心血管等重大疾病中的作用，具有廣泛的開發(fā)應(yīng)用前景.

習近平主席多次強調(diào)必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境.但是由于經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境的變化，以及人類對主產(chǎn)地藥食同源念珠藻的掠奪性采挖，對人類極其重要的三種念珠藻不斷減少，現(xiàn)已處于瀕臨滅絕狀態(tài).念珠藻的保護也應(yīng)引起人們足夠的重視.在嚴格執(zhí)行草原法、杜絕亂采濫摟的前提下，在適當?shù)赜虿扇∮杏媱澋目茖W采收，并且對其進行規(guī)范化管理和經(jīng)營，可實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益的和諧統(tǒng)一.