微生物对植物化学成分的影响研究进展*

张祺玲，谢丙炎，谭周进，申可佳

(1.湖南农业大学生物安全科学技术学院，湖南 长沙 410128； 2.中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100086；3.湖南中医药大学基础医学院，湖南 长沙 410208）

微生物对植物化学成分的影响研究进展*

张祺玲1，谢丙炎2，谭周进3，申可佳3

(1.湖南农业大学生物安全科学技术学院，湖南 长沙 410128； 2.中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100086；3.湖南中医药大学基础医学院，湖南 长沙 410208）

微生物在整个生命科学中占有举足轻重的地位，对人类具有极为重大的影响，如何让植物资源能最有效地被利用也是广泛关注的问题。该文从多个方面就微生物对植物化学成分的影响进行了介绍。

内生菌；微生物转化；降解；肠道微生物

Abstract：The microorganism occupies the pivotal status in the entire life sciences and has the extremely significant influence on the human.How to enable the plant resources to be used most effectively is also the widespread matter of concern.In this paper，the effects of microbes to plant chemical compositions are introduced in many respects.

Key words：endophyte；microbial transformation；degradation；gut microbes

微生物具有其他生物不具备的生物学特性及多样性，在整个生命科学中占有举足轻重的地位。植物作为生物链中的生产者，各种化学成分均被人类利用，但毕竟植物资源有限，如何让其能最有效地被利用备受关注。因此，关于微生物与植物化学成分关系的科学研究越来越多，在此主要就微生物对植物化学成分的影响进行了阐述。

1 微生物在植物化学成分合成中的作用

植物体内存在许多腐生、寄生和共生的微生物，此类细菌和真菌统称为内生菌。在地球上近30万植物种类中，每一个种类至少是1个内生菌的宿主[1]。内生菌可以增强植物的固氮作用，促进植物的生长作用，增强植物对病虫害的抵抗能力[2-3]。内生菌的所有生物学活性都涉及植物化学成分的改变。

1）内生菌对植物化学成分合成含量的影响

大量内生菌具有合成生长素和类生长素物质的能力，许多微生物可以合成1种以上的生长素。张集慧等[4]从兰科药用植物中分离出5种内生真菌，提取出的5种植物激素(赤霉素、吲哚乙酸、脱落酸、玉米素、玉米核苷)能增加植物体内生长激素的含量，影响植物生长[4]。Dobereiner J[5]在墨西哥分离到的18株重氮营养醋杆菌都能产生生长素，表明重氮营养醋杆菌不仅增强植物的固氮作用，而且可促进植物生长。陈世苹等[6]研究了在干旱胁迫和渗透胁迫条件下感染内生真菌的黑麦草中反映水分胁迫的脯氨酸含量的变化，结果显示前期至中期高感染种群叶片游离脯氨酸含量低于低感染种群，而在末期则有高出低感染种群的趋势。

2）内生菌对植物化学成分活性的影响

大量研究表明，内生菌侵染与未侵染植物对植物防御性酶的活性有不同的影响。刘冰江等[7]发现，接种AM真菌可诱导棉花根内苯丙氨酸解氨酶(PAL)、几丁质酶、β-1，3-葡聚糖酶、过氧化物酶(POD)等酶的合成，提高了这些防御性酶的活性。任安芝等[8]发现，内生真菌的感染使得宿主黑麦草在干旱胁迫反应下POD及超氧化物歧化酶（SOD）等酶的活力迅速升高。王志勇等[9]发现，内生真菌激发了高羊茅β-1，3-葡聚糖酶、苯丙氨酸解氨酶等防御酶的活性。胡桂馨等[10]发现，在干旱胁迫过程中，内生菌侵染的高羊茅茎、叶中过氧化氢酶(CAT)的活性均显著高于未侵染的高羊茅植株CAT的活性，茎中的变化差异极显著，但内生菌侵染的高羊茅植株的POD酶活性显著低于未侵染高羊茅植株。

2 微生物转化对植物成分化学结构的影响

微生物转化是利用微生物代谢过程中产生的酶使底物进行有机反应，故又称微生物酶法转化[11]。其本质就是某种微生物将一种物质(底物)转化成为另一种物质(产物)的过程[12]。微生物转化可利用完整的微生物细胞或从微生物细胞中提取的酶作为生物催化剂，其区域和立体选择性强、反应条件温和、操作简便、成本较低、公害少，且能完成一些有机化学合成难以进行的反应，以主要涉及羟基化、环氧化、脱氢、氢化等氧化还原反应以及水解、水合、酯化、酯基转移、酯化、胺化、脱水、异构化、芳构化等各类化学反应[13]。通常能进行生物转化的微生物主要有曲霉属、根霉属、毛霉属、红曲霉菌属等霉菌[14]。微生物转化对植物成分化学结构具有明显的影响，主要表现在以下几个主面。

1）增强植物化学成分的活性

由于微生物种类繁多、繁殖快，故微生物转化常被用来对植物化学成分的结构进行修饰，从而产生更多有用的化学物质。苷是由糖或糖衍生物的半缩醛羟基与另一非糖物质中的羟基以缩醛键脱水缩合而成的环状缩醛衍生物，水解后能生成糖与非糖化合物，非糖部分称为苷元。需将苷类成分转化为苷元才能提高其活性[15]。如甘草皂苷是甘草中主要的生理活性成分，其基本结构是由1个齐墩果烷型五环三萜在第3位连接2分子的葡萄糖醛酸构成的。米曲霉39和黑曲霉UV-4都能被甘草皂苷诱导出较高活力的甘草皂苷水解酶，而使自身失去2分子糖基得到甘草皂苷元，使某些生理活性增强[16]。喜树碱(CPT)及其类似物具有显著的抗癌活性，10-羟基喜树碱是CPT类似物中活性最高的一种[17]，但自然界植物中10-羟基喜树碱含量很少。朱殿生等[18]用毛霉和禾谷镰刀菌对CPT进行生物转化，得到了10-羟基喜树碱等CPT类衍生物。植物甾醇的结构特点决定其可以作为甾体激素药物半合成的原料。诺卡氏菌、分枝杆菌、节杆菌和假单胞杆菌等微生物都能将甾醇类化合物作为碳源利用，使甾醇C-17位长链断裂得到的C-17酮化合物中，以雄甾-4-烯-3，17-二酮(简称 4-AD)和雄甾 -1，4-二烯 -3，17-二酮 (简称 ADD)最重要[19]。雄甾4-AD是甾体激素类药物不可替代的中间体，对机体起着非常重要的生理调节作用[20]。

2）降低植物化学成分的活性

青蒿素是1972年我国学者从传统中药青蒿中分离出的一种高效、低毒、对脑型和抗氯喹恶性疟疾有特殊疗效的抗疟药物，用华根霉和雅致小克银汉霉青蒿素进行转化分离出了去氧青蒿素、3α-羟基去氧青蒿素和9β-羟基青蒿素3个产物[21]。30位、9位羟基化引起的结构改变均使青蒿素体外抗疟原虫活性有一定程度的减弱，过氧桥的断裂同样使该活性降低[22]。

3）对植物化学成分的减毒作用

雷公藤在传统中药中用于治疗多种疾病，包括风湿性关节炎、肾炎、系统性红斑狼疮和皮肤病，也应用于男性节育，从其中分离到的雷公藤内酯是主要活性成分，但由于其剧烈的毒性而使应用受限。用短刺小克银汉霉 Cunninghamella blakesleana AS 3.970对雷公藤内酯进行微生物转化，得到了7个产物，其中4个为新化合物，且都具有对人肿瘤细胞株的细胞毒效应[23]，从而降低了雷公藤内酯的毒性。

3 微生物对植物化学成分的降解作用

因植物的有些化学成分如木质纤维素等难以降解而未能得到有效利用。微生物降解木质素的过程是一种非特异的氧化过程，主要依靠微生物产生的胞外酶进行[24]。研究较多的能降解木质纤维素的微生物有白腐菌、褐腐菌和软腐菌等[25]。白腐菌对木质纤维素的降解具有一定的先后顺序和选择性，先降解半纤维素和木质素，再同时降解半纤维素、纤维素和木质素；从降解比例来看，白腐菌对半纤维素和木质素具有很好的降解优势和降解选择性[26]。在降解过程中，纤维素、半纤维素和木质素等大分子物质首先被氧化裂解，具有苯环等环状结构的化合物逐渐被氧化裂解而成链状化合物，羟基、亚甲基基团及羧基数量不断增加，半纤维素和纤维素被降解成小分子酸类（如葡萄糖酸类、乳酸等）或酯类（葡萄糖酯类等）而被白腐菌直接利用[27]。陈耀宁等[28]筛选的组合菌株对植物生物质的生物降解效果均优于单独降解的效果。

尼古丁是多种烟草中的主要生物碱，也是烟叶和卷烟的主要有害成分之一，还是烟叶和烟气中主要致癌成分亚硝胺(TSNA)的重要前体物。烟草中尼古丁大部分是以有机酸盐的状态存在，也有少量以自由状态存在，化学性质较稳定，不易自然降解。在微生物代谢尼古丁途径的研究中，噬尼古丁节杆菌降解尼古丁的代谢途径研究得比较清楚[29]：尼古丁在尼古丁脱氢酶作用下转化为6-羟基尼古丁；后者在6-羟基尼古丁氧化酶作用下氧化为6-羟基-N-甲基麦斯明，再进一步水解为[6-羟基吡啶基-(3)]-甲胺丙基酮，不需酶催化；该产物在酮脱氢酶作用下转化为[2，6-二羟基吡啶基-(3)]-甲胺丙基酮，在未知酶作用下转化为2，6-二羟基吡啶和4-甲胺基丁酸；2，6-二羟基吡啶在2，6-二羟基吡啶-3-羟化酶作用下转化为2，3，6-三羟基吡啶，然后转化为多种有机酸和蓝色素。微生物对尼古丁的降解能力不是种的特征，而与菌株有关[30]。

4 肠道微生物对植物化学成分的影响

人体肠道内寄生有大量的微生物，其中拟杆菌、链状细菌、消化链球菌、螺菌属等专性厌氧菌及乳酸菌、双歧杆菌占优势。许多中草药的活性物质进入体内后，是在肠道微生物的作用下产生生理活性。如芍药苷经肠道菌群作用后产生4种新的代谢产物，厌氧消化链球菌对其作用最强[31]；人参皂苷Rb1经肠道菌作用后转化为人参皂苷Rd，再经人参皂苷F2向化合物K转化时糖链断裂，最终形成代谢产物20(S)-原人参二醇[32]；乌头碱是有毒中药乌头中的主要成分，经肠道菌群作用后代谢为脂乌头碱而使毒性减弱，其中包括8-O-油酰苯甲乌头原碱(OBA)和8-O-十六酰苯甲乌头原碱(PBA)[33]。

5 展望

利用微生物对植物化学成分进行修饰及降解，以提高活性、降低毒性从而增加其利用率，直接影响到植物资源的利用问题。内生菌对植物活性成分的影响则能让我们能更好地了解微生物与植物之间的微妙关系，对于能影响植物活性成分的优良菌株的发展潜力非常巨大，而组合菌株的筛选也是一个发展方向。

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Advance in effects of microbe on plant chemical composition

Zhang Qiling1，Xie Bingyan2，Tan Zhoujin3，Shen Kejia3
(1.School of Biology Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan，China 410128； 2.Institute of Vegetable and Flower，China Academy of Agricultural Science，Beijing，China 100086；3.School of Preclinical Medicine，Hunan University of TCM，Changsha，Hunan，China 410208)

S567

A

1006－4931(2010）02－0017－03

张祺玲（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向为微生物资源开发利用，（电子信箱）xiebingyan2003@yahoo.com。

2009－08－16）

*国家科技部支撑计划课题，项目编号：2006BAD08A08。