苦馬豆素生物合成研究進(jìn)展

白曉南，余永濤*，趙清梅，何生虎

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)系，寧夏銀川 750021；2.北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；3.國家民委發(fā)酵釀造工程生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750021)

苦馬豆素生物合成研究進(jìn)展

白曉南1，余永濤1*，趙清梅2,3，何生虎1

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)系，寧夏銀川 750021；2.北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；3.國家民委發(fā)酵釀造工程生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750021)

苦馬豆素(SW)是苦馬豆屬、棘豆屬、黃芪屬、番薯屬和黃花稔屬等某些有毒植物的主要毒性成分，動物采食該類植物后，會發(fā)生以神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂為特征的中毒病。研究表明，豆類絲核菌、金龜子綠僵菌和瘋草內(nèi)生真菌均可以產(chǎn)生苦馬豆素。植物和真菌中苦馬豆素的生物合成研究可為人類從根本上解決含有SW有毒植物引起的動物中毒問題和促進(jìn)SW的醫(yī)學(xué)研究及應(yīng)用提供重要的科學(xué)依據(jù)。論文根據(jù)近年來的最新研究，重點(diǎn)圍繞植物和真菌中苦馬豆素的生物合成及其相關(guān)研究進(jìn)行綜述，以期為該類研究的開展提供思路。

苦馬豆素；植物；真菌；生物合成

苦馬豆素(swainsonine，SW)是一種吲哚里西啶生物堿，它是豆科棘豆屬、黃芪屬、苦馬豆屬、旋花科番薯屬和Turbina、錦葵科黃花稔屬中某些有毒植物的主要毒性成分。該類有毒植物廣泛分布于亞洲、北美洲、南美洲和大洋洲等地區(qū)。SW可抑制哺乳動物細(xì)胞內(nèi)溶酶體α-甘露糖苷酶和高爾基體甘露糖苷酶Ⅱ的活性，引起細(xì)胞內(nèi)低聚糖代謝和糖蛋白合成障礙，導(dǎo)致細(xì)胞空泡變性和組織器官功能紊亂。動物長期過量采食含有SW的有毒植物會發(fā)生以神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能紊亂為特征的慢性中毒病。中毒家畜可出現(xiàn)共濟(jì)失調(diào)、癱瘓、流產(chǎn)、不孕不育等癥狀，嚴(yán)重的甚至發(fā)生大批動物死亡，給草原畜牧業(yè)帶來嚴(yán)重危害[1]。目前，人們?nèi)晕赐耆U明SW導(dǎo)致動物中毒的發(fā)病機(jī)理和在該類植物中的生物合成機(jī)理，含有SW有毒植物引起的動物中毒問題仍沒能從根本上得到解決。近年研究表明，部分含有SW有毒植物的內(nèi)生真菌能夠在體外獨(dú)立合成SW，已經(jīng)證實(shí)豆科棘豆屬和黃芪屬植物中的Undifilum內(nèi)生真菌與該類植物的毒性及其SW的合成緊密相關(guān)。從控制內(nèi)生真菌角度來降低和消除該類植物的毒性將有望徹底解決含有SW有毒植物引起的動物中毒問題，但要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需進(jìn)一步闡明植物和內(nèi)生真菌中SW的生物合成途徑和代謝機(jī)理。

SW還具有抑制腫瘤細(xì)胞生長和免疫調(diào)節(jié)作用，目前已進(jìn)入Ⅱ期臨床應(yīng)用階段，具有廣闊的醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用價值[2]。從植物中提取和純化是人們獲取SW的主要手段之一，但由于工藝復(fù)雜，效率低等原因，導(dǎo)致SW價格極其昂貴，嚴(yán)重制約了SW在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，人們發(fā)現(xiàn)植物病原真菌豆類絲核菌和昆蟲病原真菌金龜子綠僵菌能夠合成SW，國內(nèi)外學(xué)者對其SW生物合成工藝和合成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，部分闡明了SW在該類真菌中的合成機(jī)理，顯著提高了SW在該類真菌中的生物合成效率，這些研究為SW生產(chǎn)成本的降低奠定了重要基礎(chǔ)。目前，利用真菌發(fā)酵合成SW已經(jīng)成為人們獲取SW的另一重要途徑。此外，豆類絲核菌、金龜子綠僵菌中SW合成機(jī)理的研究也為植物及其內(nèi)生真菌中SW的合成代謝機(jī)理提供了重要參考依據(jù)。

植物和真菌中SW的生物合成研究將為人類從根本上解決含有SW有毒植物引起的動物中毒問題和促進(jìn)SW醫(yī)學(xué)研究應(yīng)用提供重要科學(xué)依據(jù)，本文根據(jù)近年來的最新研究，重點(diǎn)圍繞植物和真菌中SW的生物合成及其相關(guān)研究作如下綜述，以期為該類研究的開展提供思路。

1 含有SW的植物及SW在該類植物中的分布

目前已報道含有SW的植物有豆科棘豆屬(Oxytropisspp)、黃芪屬(Astragalusspp)、苦馬豆屬(Swainsonaspp)，旋花科番薯屬(Ipomoeaspp)和Turbinaspp，錦葵科黃花稔屬(Sidaspp)等6個屬約60多種植物(表1)。

1.1 苦馬豆屬植物

豆科苦馬豆屬為多年生草本植物，主要分布于大洋洲的澳大利亞，約有50余種。據(jù)報道，能引起動物中毒的約有8種，分別為S.canescens、S.galegifolia、S.greyana、S.luteola、S.procumbens、S.swainsonoides、S.sejuncta、S.formosa。我國僅有S.salsulaTaubert 1種，主要分布于寧夏、青海、甘肅、西藏等地。SW主要分布于苦馬豆的葉、莖、花、種。Dorling等測得S.galegifolia葉、莖、種中SW含量分別為0.218 g/kg～0.362 g/kg、0.324 g/kg、0.426 g/kg～0.967 g/kg。Martyn等對S.galegifolia、S.sejuncta、S.formosa3種苦馬豆葉、莖、花、種、根等的SW進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)S.galegifolia葉、莖、花、種中的SW質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，而根中相對較低，其含量分別為1.030 g/kg、5.700 g/kg、4.300 g/kg～7.500 g/kg、2.900 g/kg、0.130 g/kg。

表1 含有SW的植物

Table 1 The species of plants containing swainsonine

植物名稱PlantnameSW在植物組織中的分布SWdistributionSW含量/(g·kg-1)SWcontent文獻(xiàn)Ref.豆科Fabaceae苦馬豆屬Swainsonaspp黃芪屬Astragalusspp棘豆屬OxytropissppS.canescens—0.01S.formosa葉Leaf1.03[3]S.galegifolia葉、種子、莖Leaf,seeds,stems0.60[3]S.sejuncta——[3]A.asymmetricus種子Seeds—A.bisulcatus葉Leaf—A.didymocarpusvar.didymocarpus種子Seeds—A.emoryanusvar.emoryanus葉Leaf—A.flavusvar.argillosus葉Leaf—A.hamiensis葉、莖Leaf,stems0.004[4]A.lentiginosusvar.diphysus葉、莖Leaf,stems2.30var.lentiginosus葉、種子Leaf,seeds1.50var.micans種子Seeds—var.nigricalysis種子Seeds—var.wahweapensis葉、莖Leaf,stems—A.mollissimusvar.mollissimus葉Leaf1.40var.earleii—2.20var.thompsonii—0.01A.oxyphysus種子Seeds—A.pycnostachyusvar.pycnostachyus種子Seeds—A.strictus葉、莖Leaf,stems0.101A.wootoni葉Leaf3.78A.variabilis—0.52[5]O.glabra—0.26[6]O.glacialis—0.09[7-8]O.kansuensis葉、莖、花Leaf,stems,flower0.21O.lambertiivar.lambertii葉Leaf—O.latibracteata—0.05O.ochrocephala—0.71O.sericea葉、莖Leaf,stems0.40O.sericopetala—0.36[9]旋花科Convolvulaceaefamily番薯屬IpomoeasppTurbinasppI.carneasubspfistulosa種子、葉、花Seeds,leaf,flower0.35[10]I.calobra種子Seeds1.07[10-11]I.polpba種子Seeds0.48[10-11]I.riedelii—1.10[12]I.sericophylla—1.40[12]T.cordata—0.01～1.40[13]錦葵科Malvaceaefamily黃花稔屬SidasppS.carpinifolia—0.06

注：“—”表示未報道；“0”表示未檢測到。

Note:“—”represents no report; “0”represents not detected.

研究表明，S.galegifolia自身植物組織能夠產(chǎn)生SW。當(dāng)用發(fā)根土壤桿菌(Agrobacteriumrhizogenes)轉(zhuǎn)化S.galegifolia根、莖和葉后，根部組織中SW產(chǎn)量顯著高于莖和葉，經(jīng)A.rhizogenes轉(zhuǎn)化的根部組織中SW的產(chǎn)量是未轉(zhuǎn)化的兩倍多，但體外培養(yǎng)組織中SW的含量仍低于野生植物組織。

Grum D S等[14]從灰苦馬豆(S.canescens)中也分離到能夠產(chǎn)生SW的內(nèi)生真菌，確定在灰苦馬豆中內(nèi)生真菌至少部分承擔(dān)著SW的合成。但人們目前仍不清楚，灰苦馬豆植物組織細(xì)胞是否能夠產(chǎn)生SW，植物組織和內(nèi)生真菌在灰苦馬豆SW合成中誰發(fā)揮著主要作用，是否其他含有SW的苦馬豆屬植物中也含有同類內(nèi)生真菌。這些問題的解答都有賴于苦馬豆內(nèi)生真菌與苦馬豆中SW含量的關(guān)系及SW合成機(jī)理的研究。

1.2 瘋草

瘋草是含有SW的豆科棘豆屬和黃芪屬有毒植物的統(tǒng)稱，因動物過量采食該類植物后發(fā)生以神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能紊亂為特征的臨床癥狀而得名。據(jù)報道，北美洲有350余種黃芪屬植物，20余種棘豆屬植物，其中已確定含有SW的黃芪屬和棘豆屬植物有24種，主要分布于美國和加拿大西南部地區(qū)。在中國，黃芪屬植物有270余種，棘豆屬植物有120余種，其中已確定含有SW的植物主要有10余種，廣泛分布于西藏、青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古、寧夏等省區(qū)。1982年，Molyneux等首先從斑莢黃芪和絹毛棘豆中分離出SW和氧化氮SW，并確定SW是瘋草的主要毒性成分。1989年，我國也從黃花棘豆中分離出了SW。

瘋草中SW的含量變化較大，分布區(qū)域、品種、生長期、群落的不同，其SW含量均存在較大差異。不同采樣點(diǎn)的同品種瘋草中SW含量也不同，采集于新墨西哥州的O.sericea中SW含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采集于猶他州的O.sericea；同一群落不同植株間的SW含量也有較大的差別，如同一群落的O.lambert，不同植株間SW含量相差多達(dá)10倍，部分植株SW含量甚至低于檢測限；同一植株不同生長時期，SW含量也不相同，如O.lambert，夏季開花的SW含量較高，而春季開花的SW含量則較低。在同一植株不同部位，SW含量也不同。研究發(fā)現(xiàn)，植株地上部分SW含量幾乎是地下部分的十倍，瘋草種子、豆莢中SW含量要顯著高于莖、葉等部位。Braun等從瘋草中分離到了可產(chǎn)生SW的內(nèi)生真菌，且該類真菌在瘋草各組織中分離率較高。Braun也報道了在新墨西哥O.lambert中SW含量與內(nèi)生真菌有關(guān)。但某些被該類內(nèi)生真菌感染的植物中卻不含SW，一些含有SW的植物中沒有檢測到內(nèi)生真菌。瘋草植物組織自身是否也能產(chǎn)生SW，瘋草植物組織和內(nèi)生真菌間的相互作用是否也與瘋草中SW的含量有關(guān)，這些問題的研究可為進(jìn)一步闡釋SW在不同分布區(qū)域、品種、生長期、群落瘋草中含量的變化規(guī)律提供重要依據(jù)。

1.3 其他植物

除豆科植物外，近年來，人們發(fā)現(xiàn)錦葵科(Malvaceae)黃花稔屬(Sida)、Turbina和旋花科(Convolvulaceae)番薯屬(Ipomoea)的某些有毒植物中也含有SW，動物采食這些植物后會出現(xiàn)和與瘋草中毒相似的癥狀。Haraguchi M等[11]從I.carnea花、葉和種子中分離出SW，其中花、葉中SW的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，種子中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為葉、花中含量的10倍。Molyneux等也從I.polpba和I.calobra種子中分離到SW。Dantas等從錦葵科植物Turbinacordata中也檢測到SW，SW含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化也較大。錦葵科黃花稔屬植物S.carpinifolia含有SW,其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于瘋草和苦馬豆屬植物。

2 真菌中SW的合成研究

2.1 豆類絲核菌和金龜子綠僵菌中SW的合成研究

2.1.1 豆類絲核菌和金龜子綠僵菌中SW的合成機(jī)理研究 豆類絲核菌(Rhizocroniuleguminicola)是真菌門半知菌亞門絲核菌屬真菌，是一種廣泛寄生于大豆、葛根、苜蓿、紅三葉等豆科牧草的植物病原真菌[27]。動物采食被豆類絲核菌感染的植物后，會出現(xiàn)以流涎為特征的中毒癥狀。研究表明，導(dǎo)致動物中毒的主要原因是該菌產(chǎn)生的一種叫做根霉菌胺的吲哚里西啶生物堿。在分析豆類絲核菌合成根霉菌胺的途徑時，Guengerich等從其代謝產(chǎn)物中分離到一種新的生物堿，將其命名為3,4,5-三羥基-8-氫-1-吡啶。隨后，Schneider等通過進(jìn)一步研究確定該化合物為1,2,8-三羥基吲哚里西啶，即SW。

經(jīng)過一系列研究，逐步闡釋了豆類絲核菌合成SW和根霉菌胺的部分途徑[28-29]。在該菌中，L-賴氨酸是合成根霉菌胺和SW的共同前體物質(zhì)，在酵母氨酸脫氫酶作用下，L-賴氨酸和α-酮戊二酸聚合形成L-酵母氨酸；L-酵母氨酸被酵母氨酸脫氫酶催化成1-2-氨基已二酸半醛，然后1-2-氨基已二酸半醛再被轉(zhuǎn)化為△1,6-哌啶甲酸；△1,6-哌啶甲酸被△1,6-哌啶甲酸還原酶還原成L-哌可酸；L-哌可酸與丙二酸聚合成乙酸哌啶，再經(jīng)還原和環(huán)化反應(yīng)形成1-氧-吲哚里西啶。SW和根霉菌胺生物合成途徑的分支點(diǎn)為1-氧-吲哚里西啶，該化合物在還原酶作用下，一部分被還原為(1R,8aS)一羥基吲哚里西啶，再經(jīng)過兩次羥化形成SW；而另一部分被還原成(1S,8aS)一羥基吲哚里西啶，經(jīng)過兩次羥化形成了根霉菌胺。

金龜子綠僵菌(Metarhiziumanisopliae)屬半知菌亞門綠僵菌屬。1985年，Hino等首次從該菌中分離出SW。對綠僵菌合成SW的可能前體物質(zhì)L-賴氨酸、L-哌可酸、酵母氨酸等進(jìn)行了分析，結(jié)果表明,添加L-賴氨酸可促進(jìn)哌可酸合成，該真菌也可以L-賴氨酸為底物，在某些酶的作用下生成L-酵母氨酸，然后L-酵母氨酸在酵母氨酸氧化酶作用下，氧化成△1,6-哌啶甲酸；α-酮戊二酸經(jīng)過一系列反應(yīng)生成α-氨基已二酸半醛，α-氨基已二酸半醛通過非酶促環(huán)化反應(yīng)形成△1,6-哌啶甲酸[30]。然后△1,6-哌啶甲酸再轉(zhuǎn)化成L-哌可酸，L-哌可酸再經(jīng)反應(yīng)形成SW。以上研究表明金龜子綠僵菌合成SW的部分途徑類似于豆類絲核菌。

豆類絲核菌和金龜子綠僵菌合成SW的前體物質(zhì)均為L-賴氨酸，經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)生成L-哌可酸，并最終合成SW。但以L-哌可酸為前體進(jìn)一步合成SW的途徑并不完全相同。在豆類絲核菌中，L-哌可酸經(jīng)過一系列反應(yīng)生成1-氧-吲哚里西啶，并以1-氧-吲哚里西啶為分支點(diǎn)，一部分1-氧-吲哚里西啶在還原酶的作用下生成SW，而另一部分生成根霉菌胺。而在金龜子綠僵菌中，L-賴氨酸和α-酮戊二酸分別作為兩個反應(yīng)的最初產(chǎn)物，經(jīng)過一系列反應(yīng)，均生成△1,6-哌啶甲酸，△1,6-哌啶甲酸再反應(yīng)生成SW。豆類絲核菌中，生成SW的前體物質(zhì)1-氧-吲哚里西啶在反應(yīng)過程中存在分支，最終反應(yīng)產(chǎn)物有兩種；而在金龜子綠僵菌中，生成SW的反應(yīng)不具有分支，但是得到前體物質(zhì)△1,6-哌啶甲酸有兩條途徑。

2.1.2 豆類絲核菌和金龜子綠僵菌中SW的生物合成工藝研究 國內(nèi)外學(xué)者對豆類絲核菌和金龜子綠僵菌生物合成SW的各種影響因素進(jìn)行了一系列研究，優(yōu)化了生物合成工藝，為利用真菌生物合成SW奠定了重要基礎(chǔ)。Tamerler等研究了pH對金龜子綠僵菌合成SW的影響，結(jié)果表明，維持穩(wěn)定的pH不會導(dǎo)致SW產(chǎn)量顯著降低。Sim和Perry研究表明，當(dāng)pH為7時，金龜子綠僵菌中SW的產(chǎn)量最高。Patrick等發(fā)現(xiàn)真菌在查氏、燕麥培養(yǎng)基中SW的產(chǎn)量較高，在胰蛋白胨、麥芽浸膏和營養(yǎng)肉湯等培養(yǎng)基中不產(chǎn)生SW。在添加D-賴氨酸的培養(yǎng)基中SW產(chǎn)量顯著高于添加L-賴氨酸的培養(yǎng)基，Patrick等認(rèn)為，細(xì)胞外過多的L-賴氨酸可能會抑制真菌細(xì)胞內(nèi)L-賴氨酸合成，使細(xì)胞內(nèi)L-賴氨酸濃度下降，但D-賴氨酸進(jìn)入真菌細(xì)胞后，可轉(zhuǎn)化為L-賴氨酸，使細(xì)胞內(nèi)L-賴氨酸濃度增高，從而提高SW的產(chǎn)量。Patrick等還發(fā)現(xiàn)在高溶解氧量下能提高真菌菌絲產(chǎn)量，但會降低SW產(chǎn)量。

2.2 植物內(nèi)生真菌

內(nèi)生真菌是指在其生活史的一定階段或全部階段生活于健康植物的組織器官內(nèi)部，對宿主植物組織不引起明顯病害癥狀的真菌，包括那些在其生活史中的某一階段營表面生活的腐生真菌和對宿主暫時沒有傷害的潛伏性病原真菌和菌根菌。內(nèi)生真菌廣泛存在于各種植物中，很多內(nèi)生真菌能夠合成宿主植物的化學(xué)成分。據(jù)報道，在瘋草中普遍存在著能夠產(chǎn)生SW的內(nèi)生真菌，近年在苦馬豆屬和番薯屬的某些植物中也分離到能夠產(chǎn)生SW的內(nèi)生真菌。

2.2.1 瘋草內(nèi)生真菌

2.2.1.1 瘋草內(nèi)生真菌及其與瘋草毒性的關(guān)系 20世紀(jì)80年代，對瘋草(A.oxyphysus)合成SW機(jī)理進(jìn)行了研究，從A.oxyphysus中分離到反式-1-羥基吲哚里西啶和反式-1,2-二羥基吲哚里西啶，認(rèn)為A.oxyphysus中的SW可能是由豆類絲核菌或類似的微生物合成。20世紀(jì)末，Braun等從瘋草中首次分離到能產(chǎn)生SW的內(nèi)生真菌，Braun等將其統(tǒng)一劃分為鏈格孢屬真菌(Embellisiaspp)。Braun K等[17]根據(jù)該類真菌ITS、β-tublin序列及其形態(tài)特點(diǎn)，進(jìn)一步將其劃分到埃里格孢屬中。我國學(xué)者王琦等從中國瘋草甘肅棘豆中分離到1株與Braun等分離的產(chǎn)SW內(nèi)生真菌相似的真菌，將其命名為埃里格孢屬真菌的一個新種，即棘豆埃里格孢(E.oxytropis)。近年來，余永濤等從我國西部5種棘豆屬和2種黃芪屬瘋草中分離到能產(chǎn)生SW的內(nèi)生真菌，并將該類真菌均命名為棘豆埃里格孢[18]。Pryor B等[19]對美國和中國棘豆屬瘋草中分離的先前被劃分到埃里格孢屬的產(chǎn)SW內(nèi)生真菌進(jìn)行了系統(tǒng)分類研究，將已報道的瘋草中產(chǎn)SW內(nèi)生真菌從埃里格孢屬中重新劃分出來，并建立了一個新屬，即Undifilumspp，中文譯名為“波狀芽管蠕孢屬”或“波浪芽管孢屬”，并將棘豆屬瘋草中的產(chǎn)SW菌株統(tǒng)一命名為U.oxytropis(棘豆波狀芽管蠕孢)。目前，國內(nèi)外學(xué)者普遍采納了Pryor等對瘋草中產(chǎn)SW內(nèi)生真菌的分類命名，從近20種瘋草中分離或檢測到波狀芽管蠕孢屬內(nèi)生真菌(表2)。

表2 已報道的能產(chǎn)生SW的植物內(nèi)生真菌

Table 2 The reported fungal endophytes from plants containing SW

宿主植物名稱Plantspecies產(chǎn)SW內(nèi)生真菌名稱NameofendophytescontaingSW內(nèi)生真菌在植物組織中的分布EndophytedistributioninplantsSW的含量/(g/kg-1)SWcontent文獻(xiàn)出處Ref.A.lentiginosusU.fulvum—4.9～32.6[14]A.mollissimusU.cinereum—1.4～22.5[14]A.strictusU.oxytropis葉、莖、種子Leaf,stems,seeds62.67±1.55[8]A.variabilisU.oxytropis葉、莖、種子Leaf,stems,seeds89.15±5.43[8]I.carneaAscomyceteorderChaetothyriales種子Seeds—[20]O.glabra(甘肅)U.oxytropis葉、莖、花Leaf,stems,flower410.30±4.14[21]O.glabra(寧夏)U.oxytropis葉、莖、花、種子Leaf,stems,flower,seeds136.14±4.20[21]O.glacialisU.oxytropis種子Seeds527.85±9.01[21]O.kansuensisU.oxytropis—170[19]O.lambertiiU.oxytropis—30[19]O.ochrocephalaU.oxytropis葉、莖、種子Leaf,stems,seeds571.11±7.79[21]O.sericopetalaU.oxytropis種子Seeds29.12±2.60[21]O.subfalcataAlternariaspp—0[21]O.sericeaU.oxytropis—170[19]S.canescensUndifilumspp—3.7～11.9[14]

注：“—”表示未報道；“0”表示未檢測到。

Note:“—”represents no report; “0”represents not detected.

研究表明，波狀芽管蠕孢屬內(nèi)生真菌與瘋草的毒性密切相關(guān)，是瘋草中SW產(chǎn)生的主要因素。Cook D等[22]研究了U.oxytropis與瘋草中SW含量的關(guān)系，結(jié)果表明瘋草內(nèi)部U.oxytropis數(shù)量較多，其SW含量也較高，即U.oxytropis內(nèi)生真菌數(shù)量與SW含量呈正相關(guān)；Oldrup等研究表明，在瘋草種子中，U.oxytropis只侵染瘋草種子外皮組織，不侵染種胚。由具有外皮的種子培育而成的瘋草幼苗含有SW，去除了外皮的種子培育而成的幼苗不含SW。 Ralphs M H等[23]的研究也表明，被U.oxytropis感染的種子培育成植株后，植株中具有較高含量的SW，而未被U.oxytropis感染的瘋草種子培育成植株后，其植株中不含SW或其SW含量低于檢測限(<0.001%)，認(rèn)為抑制U.oxytropis的生長，有望阻斷或減少SW在內(nèi)生真菌中的合成。Braun等的研究也表明U.oxytropis產(chǎn)SW的能力和宿主體內(nèi)SW含量相關(guān)性較高，被U.oxytropis感染的瘋草SW含量遠(yuǎn)高于未被U.oxytropis菌感染的。

2.2.1.2 瘋草內(nèi)生真菌中SW的生物合成機(jī)理研究 Harris等利用同位素示蹤法發(fā)現(xiàn)了合成SW的前體物質(zhì)，并對瘋草(A.oxyphysus)中SW的合成機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)A.oxyphysus含有SW，認(rèn)為瘋草內(nèi)生真菌合成SW的途徑類似于豆類絲核菌和金龜子綠僵菌。Mukhejee S等[24-25]研究表明，酵母氨酸脫氫酶在瘋草內(nèi)生真菌SW合成中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)酵母氨酸脫氫酶基因受到抑制時，酵母氨酸和賴氨酸含量降低，而哌可酸和SW的產(chǎn)量顯著上升。基于此，Mukhejee等認(rèn)為，瘋草內(nèi)生真菌中SW的合成路徑可能與豆類絲核菌等相似。楊國棟等[26]研究表明，L-賴氨酸和L-哌可酸也是瘋草內(nèi)生真菌合成苦馬豆素的前體物質(zhì)，認(rèn)為在U.oxytropis中存在著一條由L-賴氨酸經(jīng)哌可酸最終合成SW的途徑。

2.2.1.3 瘋草內(nèi)生真菌中SW的生物合成工藝研究 瘋草內(nèi)生真菌的生長繁殖及SW合成可能受植株生長環(huán)境、培養(yǎng)基pH、前體物質(zhì)、其他營養(yǎng)元素、真菌自身遺傳特性等諸多因素影響。Oldrup W E等[27]研究表明，當(dāng)U.oxytropis的生存環(huán)境改變時，SW含量變化也較大，當(dāng)培養(yǎng)基pH為4.5時，U.oxytropis中SW產(chǎn)率最高；當(dāng)溫度為28℃時，U.oxytropis菌絲生長最好；在含有聚乙二醇的ULTO培養(yǎng)基中， SW的產(chǎn)率顯著提高。張蕾蕾等[28]的研究表明，較低的pH可促進(jìn)U.oxytropis合成SW； 高濃度的聚乙二醇可促進(jìn)U.oxytropis的菌絲生長，但會抑制SW的合成；U.oxytropis菌在蛋白胨無機(jī)鹽固體培養(yǎng)基、ULTO培養(yǎng)基中菌絲生長速度相對較快。Creamer等研究表明，瘋草-內(nèi)生真菌共生體合成SW的能力與其生長的內(nèi)、外環(huán)境均有關(guān)系。當(dāng)瘋草及內(nèi)生真菌在干旱脅迫或低pH環(huán)境生長時，SW產(chǎn)率會顯著增加，但在髙溫或高氮磷或鉀匱乏的環(huán)境中生長，SW產(chǎn)率不會發(fā)生變化。

2.2.2 苦馬豆內(nèi)生真菌 Grum D S等[14]從苦馬豆屬植物S.canescens的種子中也分離到一種Undifilum內(nèi)生真菌，證實(shí)該內(nèi)生真菌在體外培養(yǎng)可產(chǎn)生SW，該內(nèi)生真菌產(chǎn)生SW的量平均為0.074 g/kg，變化范圍是0.037 g/kg～0.119 g/kg，但該真菌在形態(tài)和系統(tǒng)發(fā)育上又與瘋草中分離的Undifilum內(nèi)生真菌不完全相同。

2.2.3I.carnea內(nèi)生真菌 Cook D等[22]從錦葵科番薯屬植物I.carnea中分離到能夠產(chǎn)生SW的內(nèi)生真菌，該內(nèi)生真菌不同于瘋草和苦馬豆中分離的Undifilum內(nèi)生真菌，Cook根據(jù)真菌形態(tài)和遺傳進(jìn)化分析結(jié)果將其命名為AscomyceteorderChaetothyriales。Cook用殺菌劑處理I.carnea的種子，經(jīng)處理的種子培養(yǎng)后沒有檢測到SW，而未經(jīng)殺菌劑處理過的種子中SW含量為0.3 g/kg±0.04 g/kg，結(jié)果表明該內(nèi)生真菌對I.carnea中SW的產(chǎn)生可能是必須的。

3 存在的問題和研究展望

瘋草內(nèi)生真菌的相關(guān)研究為動物瘋草中毒病的防治提供了新的思路。未來，人們有望通過調(diào)控瘋草內(nèi)生真菌的生長和SW合成來控制瘋草的毒性，降低或消除動物瘋草中毒病。此外，隨著瘋草內(nèi)生真菌SW合成機(jī)理的逐步闡明，可以根據(jù)人們的需要，利用該類真菌高效合成SW，促進(jìn)SW的醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用。

近年來，有報道認(rèn)為瘋草中除了波狀芽管蠕孢屬外，還存在其他種屬的能夠產(chǎn)生SW的內(nèi)生真菌。如陳基萍等[29]從甘肅棘豆中分離到能夠產(chǎn)生SW的曲霉屬真菌，馬堯、盧圍等[30-31]從甘肅棘豆、急彎棘豆、小花棘豆等中分離到能夠產(chǎn)生SW的裂褶菌屬、鐮刀屬真菌。但該類研究均未認(rèn)定裂褶菌屬、鐮刀屬、曲霉屬真菌是瘋草內(nèi)生真菌，且該類研究均未分離到已被證實(shí)廣泛存在于這些瘋草中的波狀芽管蠕孢屬內(nèi)生真菌。

豆類絲核菌和金龜子綠僵菌均能夠產(chǎn)生SW，但是合成SW的過程只有部分被闡明，完整的合成過程仍需進(jìn)一步研究，雖然通過人工發(fā)酵的方式可以獲得SW，但效率仍較低。要提高SW在該類真菌中的產(chǎn)率，仍需充分揭示SW在該類真菌中的合成機(jī)理，豆類絲核菌和金龜子綠僵菌中SW的合成機(jī)理的闡明也可以為波狀芽管蠕孢屬內(nèi)生真菌合成SW的研究提供依據(jù)。

初步的研究表明，波狀芽管蠕孢屬內(nèi)生真菌可能通過與豆類絲核菌、金龜子綠僵菌類似的賴氨酸代謝途徑來合成SW，但是并沒有具體的研究表明他們合成SW的研究途徑一致。真菌的一切生命活動均受遺傳物質(zhì)的調(diào)控，基因組學(xué)研究可能是逐步揭示波狀芽管蠕孢菌合成SW的調(diào)控機(jī)制的重要途徑，若以此為基礎(chǔ)，結(jié)合基因敲除、基因沉默等技術(shù)手段，阻斷或抑制SW合成相關(guān)基因的表達(dá)，有望為人工控制內(nèi)生真菌合成SW，降低和消除瘋草的毒性提供新的途徑。

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Advances in Biosynthesis of Swainsonine

BAI Xiao-nan1，YU Yong-tao1，ZHAO Qing-mei2,3， HE Sheng-hu1

(1．SchoolofAgricultureNingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia,750021,China；2.CollegeofBiologicalandEngineering,BeifangUniversityofNationalities,Yinchuan,Ningxia,750021,China;3.KeyLaboratoryofFermentation,BrewingEngineeringandBiotechnology,StateNationalitiesAffairsCommission,Yinchuan,Ningxia,750021,China)

Swainsonine is identified as the principal toxic agent in the poisonous species of the generaSwainsona,Astragalus,Oxytrop,Ipomoea,Sida.The animals with consume the plants exhibit the functional disorder of nervous system.Studies have shown,Metarhiziumanisopliae,Rhizoctonialeguminicolaand fungal endophytes from locoweeds could produce swainsonine.The research of swainsonine biosynthesis in plants and fungi will provide a scientific basis to solve the promble of animal poisoning and promote the medical research application of swainsonine. Based on the recent research,the focus on the biosynthesis of swainsonine in plants and endophytes were summarized to provide new ideas for conducting of such research in this paper.

swainsonine; plant; fungus; biosynthesis

2015-11-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31560713;31201962)；寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NZ1118)

白曉南(1991-)，女，河南南陽人，碩士，主要從事臨床獸醫(yī)診斷技術(shù)工作。*通訊作者

S859.87

A

1007-5038(2016)05-0092-07