漢麻內(nèi)生菌的研究進展

吳瓊 王雷 曹滌非 李瑤 孫堯 孫鑫 薛佳瑩 黃國慶

(黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020)

漢麻又名大麻，人類很早就將其作為紡織纖維原料使用。由于漢麻纖維擁有天然的抗菌及消毒作用，研究發(fā)現(xiàn)，麻類織物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有天然的抗菌抑菌性能，漢麻葉對多種細菌和真菌具有抑制作用。漢麻制品有其它材質(zhì)產(chǎn)品不能代替的特殊功效。對漢麻纖維研究的同時，發(fā)現(xiàn)漢麻同其它天然產(chǎn)物一樣，含有黃酮、多酚、多糖、生物堿等活性成分，這些成分具有抗炎癥、抗氧化、抑菌、免疫調(diào)節(jié)、防曬等廣泛的藥理活性，具有很高的藥用價值。所以，漢麻作為服用天然抗菌纖維材料極具開發(fā)和應(yīng)用前景。

1 漢麻內(nèi)生菌的研究意義

在我國，生物農(nóng)藥一般指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際應(yīng)用中可以進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)的微生物源農(nóng)藥。生物農(nóng)藥的出現(xiàn)及發(fā)展經(jīng)歷了曲折的過程，與生物防治研究的發(fā)展和化學(xué)農(nóng)藥的使用息息相關(guān)。1853年，Agostino bassi首次報道了由白僵菌引起的一種家蠶傳染性病害“白僵病”，證實了白僵菌能夠在家蠶幼蟲體內(nèi)生長和發(fā)育，如通過接種、接觸或污染飼料的方式傳播發(fā)??；1879年，俄國的梅契尼可夫為防治小麥金龜子幼蟲應(yīng)用綠僵菌；1901年，日本的石渡從家蠶中分離得到一種叫蘇云金芽孢桿菌的致病芽孢桿菌；G B fanford于1926年使用拮抗體防治馬鈴薯的瘡痂病。

受不同宿主植物種類和外在環(huán)境影響，植物內(nèi)生菌的種類和數(shù)量差異很大。不同植物其體內(nèi)菌種不同，同種植物在不同地點、溫度或環(huán)境下其菌種不同，即使同一植物在不同的時間，菌種也會不同。這一特點使得內(nèi)生菌菌種更加多種多樣。19世紀首次出現(xiàn)內(nèi)生菌一詞，Vogl在100多年前就從黑麥草種子中分離得到了內(nèi)生菌，但由于內(nèi)生菌的生長環(huán)境十分獨特，人們一直忽視其的存在。到了1993年，美國學(xué)者分離短葉紫衫樹皮的內(nèi)生菌次級代謝物得到紫杉醇和紫杉烷類化合物，至此之后，人們開始關(guān)注到藥用植物內(nèi)生菌的研究。作為一種微生物新資源，植物內(nèi)生菌有菌種易于選育、代謝易于控制、生長周期短且可通過大規(guī)模發(fā)酵來實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，人們對其日益關(guān)注，從中找尋活性成分漸漸成為研究的熱點。研究漢麻組織中分離出的內(nèi)生真菌，并對其進行分類組學(xué)和次生代謝產(chǎn)物的研究，可以擴充漢麻內(nèi)生真菌的種群資源。當(dāng)前，國內(nèi)外對漢麻的研究主要集中在漢麻育種、纖維紡織、軍需裝備、油脂、藥物、漢麻籽營養(yǎng)組成及功效等，并沒有利用漢麻內(nèi)生菌及其提取物制備生物源農(nóng)藥的報道。因此，開發(fā)漢麻內(nèi)生菌，尋找新的抗生素具有廣闊的前景。

漢麻是?？茖僖荒晟荼局参?，英文名Hemp，世界各地均有栽培。麻仁潤滑腸道，通便，雌花和葉止咳定喘，解痙止痛。大麻纖維具有抗菌、除臭的作用，根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)研究報告，漢麻纖維制品對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠膿桿菌、白色念珠菌等有明顯的殺滅、抑制作用。大麻是多種生物活性化合物的來源，如大麻素、萜烯和酚類化合物具有抗菌作用，抗真菌、抗炎和抗癌特性。大麻作物生長無需任何化學(xué)物質(zhì)，自身既可抵御各種病蟲害，是典型的綠色環(huán)保作物，更是一種天然的抑菌劑。這些主要來源于漢麻內(nèi)生菌產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物。

2 漢麻次生代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)途徑

2.1 直接從漢麻中提取次生代謝產(chǎn)物

由于次生代謝產(chǎn)物在植物中含量一般較低，在栽培過程中不易控制各種影響因素，有效成分含量較低低，品種品質(zhì)不穩(wěn)定，將投入大量人力、物力及財力等。研究漢麻內(nèi)生菌使其易于選育、代謝更易于控制、生長周期短，且可通過大規(guī)模發(fā)酵來實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。天然活性物質(zhì)的重要來源是植物內(nèi)生菌與其宿主植物共同生長與共同進化的相互作用過程。在這個過程中，可產(chǎn)生具有與宿主植物活性成分相同或相似的生物活性的代謝產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物。還有一些生物活性成分與宿主植物完全不同，這些成為天然活性物質(zhì)的重要來源。

2.2 化學(xué)合成模擬

在完全了解植物體外次生代謝產(chǎn)物的反應(yīng)步驟的前提下，利用化學(xué)工業(yè)手段，可對次生代謝產(chǎn)物進行完全合成或半化學(xué)合成。但是化學(xué)合成的方法會遇到一些問題，如成本高、收率低、毒性大。漢麻中活性物質(zhì)種類繁多，如黃酮、萜類、生物堿及酚類物質(zhì)，這些物質(zhì)成分的某些化合物可以產(chǎn)生同分異構(gòu)體，使操作工藝流程復(fù)雜及環(huán)境污染嚴重等。漢麻中大麻酚類成分具有一定的抑菌作用，Giovanni A等研究發(fā)現(xiàn)，具有不同結(jié)構(gòu)的大麻酚的抑菌性差異顯著，其中對金黃色葡萄球菌抑菌性較強的是含有異戊二羥基的大麻酚。

2.3 微生物(細菌或真菌)發(fā)酵

微生物的生命力非常旺盛，具有驚人的繁殖速度，一個繁殖周期可能只需要短短幾十分鐘，且分布廣泛。Strobel等于1993年從短葉紅豆杉的韌皮部中分離得到一株能生產(chǎn)紫杉醇內(nèi)生真菌Taxomyces and reanae，自此以后，利用植物內(nèi)生真菌發(fā)酵法獲得與宿主相同或相似的次生代謝產(chǎn)物已成為科學(xué)家們研究的熱點。

3 國內(nèi)外研究進展

21世紀以來，人們的環(huán)保意識在不斷增強，微生物源農(nóng)藥，因其較高的環(huán)境相容性受到了廣泛的重視，其主要分為活體微生物農(nóng)藥及代謝產(chǎn)物農(nóng)藥2種[1]。內(nèi)生真菌與菌根真菌類似，能夠賦予植物優(yōu)良的生長性狀，并且能增強宿主植物抗逆性，此特性是內(nèi)生真菌成為新的研究熱點的重要原因之一[2]。內(nèi)生真菌能夠提高植物的抗逆性主要表現(xiàn)在以下2個方面：非生物脅迫，包括抗高溫、抗旱等，以往的研究顯示，正常條件下，感染內(nèi)生真菌的黑麥草體內(nèi)的保護酶系統(tǒng)，如過氧化物酶、超氧化物酶等的活性明顯比未感染內(nèi)生真菌的植株高，由此可以得出，內(nèi)生真菌可能提高了植物的超氧化物酶活性的調(diào)節(jié)能力，從而提高植株的抗旱性[3]，另外，有些真菌能通過分泌糖類物質(zhì)或在植物表面形成菌膜來進行協(xié)同抗旱；生物脅迫，包括抵抗病蟲害、阻抑昆蟲和食草動物的采食等，植物受內(nèi)生真菌感染能夠產(chǎn)生多種生物堿，致使植物害蟲蟲體重量下降、幼蟲的生長發(fā)育速度減慢、繁殖能力下降、發(fā)育歷期延長、死亡率上升、吸引害蟲天敵及對害蟲產(chǎn)生驅(qū)避作用[4]，進而使植物擁有更高的抗蟲能力，是植物生物防治病蟲害的新研究思路[5]。綜合以往研究來看，關(guān)于內(nèi)生菌提高宿主植物抗逆性的作用機制相關(guān)研究報道較少，并且研究結(jié)論多為間接的或者推論性的[6]。

1998年，根據(jù)加拿大受管制藥物和物質(zhì)法，工業(yè)大麻作為大田作物開始商業(yè)種植[7]。2009年，漢麻的種子和纖維用于多工業(yè)用途，如油、外用軟膏、服裝纖維、家庭建筑材料、制造電動汽車零部件[8]。自加拿大合法化以來，工業(yè)用地總面積達到3200～44000hm2，大麻產(chǎn)量穩(wěn)步增長[9]。2011年，45種工業(yè)大麻被加拿大衛(wèi)生部授權(quán)THC低于0.3%，這些品種一般都是谷物或多用途，種子和莖都找到了終端市場[10]。McPartland等在2000年發(fā)現(xiàn)，在大麻的成長階段不易受病蟲的侵害[11]。2008年雋美玲等報道了漢麻葉75%乙醇提取物對大腸桿菌沒有抑制作用，而對金黃色葡萄球菌具有較好的抑菌作用；同年，崔廣東對漢麻葉75%乙醇提取物的石油醚浸膏對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、大腸桿菌有顯著的抑制作用。2011年杜軍強等對漢麻葉75%乙醇提取物研究發(fā)現(xiàn)，漢麻葉對須癬毛癬菌、紅色毛癬菌、犬小孢子菌等具有顯著抑制作用。2012年Muhammad研究發(fā)現(xiàn)，大麻葉提取物具有殺根結(jié)線蟲且促進植物生長的作用[12]。2013年Gautam等發(fā)現(xiàn)，藥用野生大麻中含有內(nèi)生真菌和細菌有益于其相關(guān)的寄主植物生長[13]。

漢麻的植物化學(xué)成分和漢麻的品種沒有過多關(guān)聯(lián)，漢麻易受許多植物病原體的影響，如根瘤菌、根腐病和根腐病致病因子，但在漢麻所有成長階段幾乎不易致病。因此，漢麻內(nèi)生菌產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物能夠防止?jié)h麻植物病原體的影響。微生物內(nèi)生菌是有益的植物共生菌，這些有益菌對漢麻植物組織和器官沒有造成傷害或表現(xiàn)出明顯的癥狀，并已經(jīng)被證明通過產(chǎn)生植物激素來幫助植物生長，增加分可用性等[14]。2017年Malhadas研究發(fā)現(xiàn)，漢麻通過其生產(chǎn)具有生物活性的次生代謝產(chǎn)物的能力來保護植物免受疾病和非生物因素的影響[15]。2018年Chakraborty發(fā)現(xiàn)，漢麻葉75%乙醇提取物對金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出良好的抑制作用。

漢麻中內(nèi)生菌的發(fā)現(xiàn)為篩選具有抑菌活性的內(nèi)生菌奠定了理論基礎(chǔ)。其往往會產(chǎn)生新穎的抗生素活性成分，并且為了避免宿主組織的死亡，這些抗生素活性成分的毒性相對較低。因此，開發(fā)漢麻內(nèi)生菌，尋找新的抗生素的相關(guān)研究具有廣闊的前景。