徐新亞,楊 宏,寧小清,易湘茜,劉永宏,高程海
(廣西中醫(yī)藥大學(xué)海洋藥物研究院/藥學(xué)院,廣西南寧 530200)
海洋微生物,包含細(xì)菌、古菌、真核生物和病毒等多個類群,生物量占海洋總生物量的90%。除了具有重要的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)功能外,海洋微生物還是新物種、新基因、新藥物、新生物材料的重要來源。海洋微生物的多樣性,狹義范圍包括海洋微生物的遺傳多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性,廣義上還包括化學(xué)多樣性、代謝多樣性及其生存環(huán)境多樣性[1]。北部灣位于中國南海的西北部,東臨廣東雷州半島和海南島,北臨廣西壯族自治區(qū),西臨越南,與瓊州海峽和南海相連。北部灣海域地處熱帶和亞熱帶,分布有紅樹林、珊瑚礁等多種生物群落,是我國生物多樣性最為豐富的區(qū)域之一,目前已逐漸成為海洋微生物研究的熱點(diǎn)區(qū)域之一。
海洋微生物因其獨(dú)特的生存環(huán)境以及代謝途徑,可產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)新穎、活性顯著的化合物,具有潛在的開發(fā)利用前景。相比海洋動物和植物,海洋微生物易于采集、保存和放大培養(yǎng),更便于開發(fā)利用。目前,海洋環(huán)境中已分離獲得30 000多個結(jié)構(gòu)新穎的化合物,其中,來源于海洋細(xì)菌(包括海洋放線菌)、海洋藍(lán)細(xì)菌和海洋真菌的新穎化合物所占比例逐漸增多,而來源于海洋動植物的新化合物有減少的趨勢[2]。截至2017年底,歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)共有13個海洋藥物批準(zhǔn)上市,其中有2種來源于海洋微生物(頭孢菌素C來源于海洋真菌,利福霉素來源于海洋放線菌)。截至2017年,美國FDA批準(zhǔn)進(jìn)入臨床的54個海洋藥物中,有68.5%(37個)來源于海洋微生物,尤其是海洋藍(lán)細(xì)菌[3],這表明海洋微生物正在成為海洋藥物的重要來源。
至今,已有許多學(xué)者開展針對廣西北部灣海洋微生物和化學(xué)成分的研究,但綜述性的文獻(xiàn)報道欠缺,僅于清武[4]2014年對其情況進(jìn)行簡單總結(jié),但引用文獻(xiàn)數(shù)量很少,且沒有涉及近幾年的新成果。為更全面地了解北部灣海洋微生物研究現(xiàn)狀,促進(jìn)北部灣海洋微生物資源的研究和開發(fā)利用,本文對2010—2020年國內(nèi)北部灣海域的微生物物種多樣性和代謝產(chǎn)物活性成分多樣性方面的文獻(xiàn)進(jìn)行整理、統(tǒng)計和綜述分析,為進(jìn)一步研究和合理開發(fā)北部灣海洋微生物資源提供參考。
海洋微生物數(shù)量龐大、種類豐富,廣泛存在于海洋環(huán)境中。北部灣海域擁有大量的動植物資源,據(jù)統(tǒng)計,北部灣海洋動物有14門1 000多種,海洋植物有3門43種[5],豐富的物種多樣性為動植物共附生微生物多樣性的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。北部灣灘涂分布著大片的紅樹林,紅樹林是世界上生產(chǎn)力最高、生物學(xué)特征最多樣化的生態(tài)系統(tǒng)之一,其獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境有助于孕育北部灣特有的微生物種類。
文獻(xiàn)統(tǒng)計表明(表1),廣西北部灣已發(fā)現(xiàn)海洋細(xì)菌1 843種,隸屬于5門30目59科120屬。在屬水平,鏈霉菌屬Streptomyces(383種)為優(yōu)勢屬,其次是微桿菌屬M(fèi)icrobacterium(140種)、壤霉菌屬Agromyces(130種)。整體來看,從紅樹林土壤以及淤泥中分離得到的海洋細(xì)菌種類最多,共有71屬。海洋動物中,海綿中發(fā)現(xiàn)的海洋細(xì)菌種類最多(45屬),其次是珊瑚(12屬)。海洋植物中發(fā)現(xiàn)海洋細(xì)菌最多的是紅樹林植物(47屬)。物種分布統(tǒng)計表明,在不同物種間分布最廣的海洋細(xì)菌為Streptomyces屬和Nocardiopsis屬,其在紅樹植物、珊瑚、海綿等身上都有發(fā)現(xiàn),Microbacterium屬分布也較為廣泛。
表1 北部灣海洋細(xì)菌種類統(tǒng)計
續(xù)表1
續(xù)表1
續(xù)表1
續(xù)表1
續(xù)表1
大量研究發(fā)現(xiàn),北部灣海洋細(xì)菌具有豐富的生物活性功能[8,21,23,32]。其中,關(guān)于抗菌活性的研究最多,涉及多種致病菌,如甘蔗鞭黑粉菌[11,13,16]、白色念珠菌[33]、番木瓜炭疽病原菌和荔枝炭疽病原病菌[20]、香蕉枯萎病病原菌尖孢鐮刀菌[19]。其他活性研究還涉及抗海洋生物污損活性[34]、鹵蟲致死毒性[6,9]、細(xì)胞毒活性[27]、延緩衰老活性[12,14,17]、殺線蟲活性[26]、抗血栓[15]、抑制癌細(xì)胞[22,33]、抑制蛋白質(zhì)生物合成[7]等。
研究者從北部灣海域發(fā)現(xiàn)了一批新型微生物。如Mao等[31]從北部灣海水中分離出1株新的含細(xì)菌葉綠素的好氧細(xì)菌Roseibacteriumbeibuensis;Zhu等[29]從欽州海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)1株新鏈霉屬放線菌Streptomycesqinzhouensis;Fu等[35]從北部灣海洋沉積物中分離獲得來自黃桿菌屬的新菌種Flavobacteriumbeibuense;Wang等[36]從珊瑚中分離獲得新細(xì)菌Motiroteuscoralliicola。這些研究成果為北部灣海洋微生物資源的開發(fā)利用提供了新穎的物種資源和基因資源。
文獻(xiàn)統(tǒng)計表明(表2),廣西北部灣現(xiàn)目前已發(fā)現(xiàn)海洋真菌197種,隸屬于3門19目24科26屬。其中,擬盤多毛孢屬Pestalotiopsis種數(shù)最多(40種),其次是青霉屬Penicillium(24種)、刺盤孢屬Colletotrichum(20種)。
大部分北部灣海洋真菌來源于紅樹林植物和紅樹林植物根際土壤,尤其是紅樹植物內(nèi)生真菌。北部灣紅樹植物內(nèi)生菌表現(xiàn)出豐富的多樣性,不同物種、植物不同部位以及不同生境都表現(xiàn)出內(nèi)生真菌類群和分布的差異性[25,37];紅樹植物不同組織部位內(nèi)生菌的優(yōu)勢菌群在干濕兩季存在差異,在健康葉片和非健康葉片之間也存在差異[38]?;钚匝芯勘砻?,北部灣真菌具有抑制革蘭氏陽性細(xì)菌[30,39]、革蘭氏陰性副溶血弧菌[39]和農(nóng)業(yè)病原真菌[40]的潛力。
表2 北部灣海洋真菌種類統(tǒng)計
續(xù)表2
目前,研究者從北部灣海洋微生物中共分離得到110個化合物(表3),主要結(jié)構(gòu)類型為生物堿、萜類、酚酸類、萘醌類、甾醇類和環(huán)二肽[44-63]。其中新結(jié)構(gòu)化合物有53個,約占總種數(shù)的48%,主要由中山大學(xué)佘志剛教授、北京大學(xué)林文瀚教授、中國海洋大學(xué)王長云教授等團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)。北部灣海洋微生物來源的化合物表現(xiàn)出抗腫瘤、抗菌、抗病毒、抗海洋生物污損、抗炎等多種生物活性,有巨大的潛在應(yīng)用價值。
表3 北部灣海洋微生物來源的化合物統(tǒng)計
從北部灣微生物中分離獲得的生物堿類化合物共30個,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示?;衔?2)在10 μg/cm2劑量下可以抑制海洋污損生物網(wǎng)紋藤壺幼蟲的附著[45]。王聰?shù)萚61]從北部灣來源的一株鏈霉菌Streptomycessp.的次級代謝產(chǎn)物中分離鑒定了stellate sporin (3),對香蕉枯萎病菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度分別為10 μg/mL和125 μg/mL。北京大學(xué)林文瀚教授研究組[54,55,58]從一株潿洲島來源海綿Niphatesrecondita共附生真菌StachybotryschartarumWGC-25C-6的大米培養(yǎng)基中,分別得到phenylspirodrimane類成分chartarlactams A—P(4—19),phenylspirodrimane二聚體類chartarlactams Q—T (20—23)。在10 μmol/L濃度時,化合物8,9,14,18能夠顯著降低HepG2細(xì)胞內(nèi)甘油三酯水平,化合物7,8,9,15,17能夠明顯降低HepG2細(xì)胞膽固醇含量[54]。化合物18—22能夠抑制金黃色葡萄球菌,最小抑菌濃度為4-16 μg/mL,化合物23具有抑制寨卡病毒的活性[54,55]?;衔?4和25為新化合物,化合物26具有多種活性,對銅綠假單孢菌和白色念珠菌的最小抑菌濃度為32 μg/mL,對蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)半數(shù)抑制濃度為12.2 μmol/L[58]。
圖1 北部灣海洋微生物來源的生物堿類化合物結(jié)構(gòu)
從北部灣微生物中分離獲得20個萜類化合物,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。Botryosphaerin F (31)、13,14,15,16-tetranorlabd-7-ene-19,6b:12,17-diolide (32)、botryosphaerin B (33)、LL-Z1271β (34)由中山大學(xué)林永成教授課題組[52],從一株紅樹共附生土曲霉AspergillusterreusNo.GX7-3B的葡萄糖酵母膏蛋白胨培養(yǎng)基(GYP)發(fā)酵產(chǎn)物中獲得,其中化合物31為新化合物,對人乳腺癌MCF-7細(xì)胞株和急性粒細(xì)胞白血病HL-60細(xì)胞株有抑制作用,半數(shù)抑制濃度分別為4.49和3.43 μmol/L?;衔?4抑制急性粒細(xì)胞白血病HL-60細(xì)胞半數(shù)抑制濃度為0.6 μmol/L[52]。王聰?shù)萚49]從北部灣沉積物來源的真菌Penicilliumsp.H1提取物中分離獲得3個二萜類化合物carbon keratin D (35)、BE-31405 (36)、sordaricin (37),其中化合物35為新化合物,化合物35,36對香蕉枯萎病菌有抑制活性,最小抑菌濃度分別為32.0和16.0 μg/mL。 化合物38—41具有抗腫瘤細(xì)胞毒活性,對HCT-116、HepG2、BGC-823、NCI-H1650、A2780腫瘤細(xì)胞的半數(shù)抑制濃度為0.69-10.00 μmol/L,并且對腫瘤相關(guān)激酶FGFR3、IGF1R、PDGFRb和TRKB有明顯抑制作用[54]。混源萜類成分結(jié)構(gòu)新穎,并且有多種顯著生物活性,但在微生物中分布較少。Zhang等[56]采用生物信息學(xué)比較分析,發(fā)現(xiàn)1株潿洲島海綿共附生青霉菌PenicilliumbrasilianumWZXY-m122-9中含有混源萜合成基因簇clusters A和B,并從其發(fā)酵產(chǎn)物中分離得到8個混源萜,分別為brasilianoides A—F(42—47)、preaustinoid D (48)和preaustinoid A2 (49),其中42—48為新化合物;化合物42能夠劑量依賴性地顯著刺激人永生化角質(zhì)形成細(xì)胞HaCaT中絲聚合蛋白和caspase-14的表達(dá),化合物44和45具有抗炎活性,能中等強(qiáng)度抑制脂多糖誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞RAW264.7的NO形成。
圖2 北部灣海洋微生物來源的萜類化合物結(jié)構(gòu)
從北部灣微生物中分離獲得的酚酸類化合物共21個,結(jié)構(gòu)如圖3所示。Talaromyone B (52)對枯草芽孢桿菌有抑制作用,最小抑菌濃度為12.5 g/mL[45];talaromyone B (52)、purpactin A (54)、tenellic acid A (55)、colletotric A (58)、colletotric B (59)、3-hydroxy-5-methoxy-2,4,6-trimethylbenzoic acid (60)、 colletotric C (61)、orsellinic acid (62)具有抑制α-葡萄糖苷酶活性[45,46];colletotric A (58)和colletotric B (59)對銅綠假單胞菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和白色念珠菌等耐藥致病菌都有抑制作用[46]。中國海洋大學(xué)的王長云教授研究組[57]從潿洲島肉質(zhì)軟珊瑚Sarcophytonsp.共附生真菌AlternariaalternataL3111中得到3個酚酸類化合物altertoxin I (66)、stemphyperylenol (67)、alterperylenol (68),其中化合物68對腫瘤細(xì)胞株A-549、HCT-116、HeLa都有抑制作用,半數(shù)抑制濃度分別為2.6,2.4和3.1 μmol/L。
圖3 北部灣海洋微生物來源的酚酸類化合物結(jié)構(gòu)
從北部灣微生物中分離獲得的萘醌類化合物共13個,結(jié)構(gòu)如圖4所示。talanaphthoquinone A (72)、anhydrojavanicin (74)、2,3-dihydro-5-hydroxy-4-hydroxymethyl-8-methoxy-2-methylnaphtho [1,2-b]furan-6,9-dione (75)、anhydrojavanicin (76)、anhydrofusarubin (77)、2-acetonyl-3-methyl-5-hydroxy-7-methoxy-naphthazarin (78)、6-ethyl-2,7-dimethoxyjuglone (79)、6-[1-(acetyloxy)ethyl]-5-hydroxy-2,7-dimethoxy-1,4-naphthalenedione (80)、5-hydroxy-6-(1-hydroxyethyl)-2,7-dimethoxy-1,4-naphthalenedione (81)、solaniol (82)、javanicin (83)具有抗炎活性,抑制脂多糖誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞RAW264.7產(chǎn)NO活性,半數(shù)有效濃度均小于陽性對照吲哚美辛(26.3 mol/L),濃度為1.7-22.6 mol/L[47]。
圖4 北部灣海洋微生物來源的萘醌類化合物結(jié)構(gòu)
從北部灣微生物中分離獲得的甾醇類化合物共7個,具體結(jié)構(gòu)如圖5所示?;衔?5為新化合物,化合物85,86,87,89對呼吸道合胞病毒(Respiratory Syncytial Virus,RSV))誘導(dǎo)的人喉癌腫瘤細(xì)胞株Hep-2有抑制作用,半數(shù)抑制濃度為0.11—0.17 mmol/L[59]。
圖5 北部灣海洋微生物來源的甾醇類化合物結(jié)構(gòu)
從北部灣微生物中分離獲得的環(huán)二肽類化合物共7個,具體結(jié)構(gòu)如圖6所示?;衔?2,93具有抑制羅非魚病原菌活性,化合物92—94具有抗藤壺幼蟲附著活性,化合物92具有抗華美管盤幼蟲附著活性[62]。研究者還從北部灣微生物中分離到其他零散種類的化合物,如胸苷thymidine (108)、尿苷uridine (109)等(圖7)。
圖6 北部灣海洋微生物來源的環(huán)二肽類化合物結(jié)構(gòu)
圖7 北部灣海洋微生物來源的其他化合物結(jié)構(gòu)
北部灣具有豐富的海洋微生物資源,但由于研究起步較晚,對北部灣海洋微生物新物種、新基因、新化學(xué)成分的研究還處于早期階段。大部分研究主要集中在共附生微生物多樣性、沉積物微生物多樣性、化學(xué)多樣性以及抑菌活性等前期的基礎(chǔ)研究,尚未見有北部灣海洋藍(lán)細(xì)菌、海洋古菌和海洋病毒等物種多樣性的相關(guān)報道,且尚缺少對北部灣海洋微生物的開發(fā)與利用。因此,仍需要開展大量工作來拓寬海洋微生物的研究廣度和深度,研究更多新的物種資源,豐富北部灣海洋微生物的多樣性,拓寬北部灣海洋微生物學(xué)的各個領(lǐng)域,為其進(jìn)一步開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。