牛蒡低聚果糖生理活性的研究进展

郭默然，张鹏英，郭艳玲，3，陈靠山*

1山东大学生命科学学院和国家糖工程技术研究中心;2山东大学微生物技术国家重点实验室，济南 250100;3德州学院农学系，德州 253023

牛蒡(Arctium lappa)又名东洋参、大力子、牛鞭菜等，属菊科2年生大型草本植物，在我国从东北到西南均有野生分布，后传入日本驯化成蔬菜种植。牛蒡根中含有大量菊糖和少量棕榈酸，且维生素和矿物质含量丰富均衡，综合营养价值远远高于其他蔬菜。同时，牛蒡子、根均可入药，改善体内循环，尤其对糖尿病、高血脂、性机能减退、风湿、肝毒、便秘等有显著疗效［1，2］，对治疗 HIV 也有一定作用［3］。现在对牛蒡研究开始于90年代，主要是对其有效成分的提取和鉴定，如采取双酶法提取牛蒡根中水溶性膳食纤维［4］，通过超声波辅助法提取多酚［5］，用硅胶色谱柱法分离纯化牛蒡有效成分的化合物［6］，用高效液相色谱法从牛蒡根和叶子中提取活性组分［7］。但是对牛蒡有效活性成分及其作用机制的报道较少，特别是对小分子有效成分及其活性的研究有限。

牛蒡低聚果糖(burdock fructooligosaccharide，BFO)是从牛蒡根中提出的水溶性菊糖型低聚糖，由呋喃型的果糖与吡喃型的葡萄糖构成。目前，对于BFO活性研究发现其具有广泛的生理活性，不仅可以作为免疫刺激剂，提高动物的免疫力，提高若干免疫因子的含量和抗肿瘤;还能诱导植物产生系统性抗性，抵抗多种病害，增加果实产量。下面主要从动物和植物两个方面进行综述。

1 BFO对动物的生理效应

1.1 整体水平

BFO能够明显提高动物免疫力、促进其生长增肥。饲料中添加BFO可显著促进大菱鲆(Scophthalmus maximus)的生长，从而提高其对饲料的利用率，并显著提高大菱鲆多种免疫相关酶:酸性磷酸酶、溶菌酶、超氧化物歧化酶等的活性及血液中白细胞对金葡菌的吞噬活性，增强免疫活性，提高了非特异性免疫力。此外，BFO还能够有效地改善鱼体的营养成分和肌肉品质［8］。200 mg/kg/day的BFO灌胃处理42 d后，能够显著提高小鼠运动耐力和耐缺氧时间，提高肌、肝糖元含量，降低运动后血乳酸量和血尿素氨的含量［9］。饲料中添加5～10 g/kg的BFO，不仅提高绵羊的饲料转化率和消化率及其日增重，而且提高了绵羊血清免疫球蛋白lgG、IgA水平［10］。此外，BFO灌胃处理也能提高小鼠的脾淋巴细胞增殖及小鼠细胞因子 IL-2、IFN-γ 的分泌［11］。

Dandan Li证实BFO不可被消化，但它可以作为一种益生素促进哺乳动物肠道中乳酸杆菌和双歧杆菌的生长，调节肠道微生态的平衡。有趣的是，BFO不同于其他的菊芋菊糖、长链聚糖或其他果糖，不会引起肠道不适如腹胀或暖气［12］。BFO可以通过激活体液免疫和细胞免疫等多种方式提高肠粘膜淋巴系统的免疫活性，从而局部或整体性调节机体免疫功能［13］。BFO能改善末梢组织对胰岛素的敏感性，调节糖尿病患者的血糖水平;摄入BFO减缓胃排空速度，并且在结肠发酵产生短链脂肪酸，影响小肠对其他物质的吸收，对糖尿病有一定的预防作用［14］。魏东等研究表明，不同剂量BFO的灌胃处理，与对照相比，均能显著提高小鼠抗体生成细胞数、小鼠巨噬细胞吞噬指数和小鼠脾脏、胸腺器官重量，降低高脂大鼠的血清总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白水平，降低动脉硬化指标［13，15］。

此外，Cooper PD观察到菊糖颗粒对小鼠具有抗肿瘤的作用［16］。本实验室研究也显示BFO对正常小鼠、环磷酰胺致免疫低下小鼠和S180肉瘤小鼠的免疫系统均有增强作用，特别是BFO预处理组，不同剂量组的抑瘤率均明显提高，1000 mg/kg/day剂量组达到33.14%，同时能提高荷瘤小鼠巨噬细胞产生一氧化氮及吞噬活性［13］。以牛蒡中的菊糖为主要成分的依西亚(Essiac)，在临床上已经被证实具有治疗并治愈癌症及其他慢性病的功效［17］。

1.2 细胞水平

Kardošova(2003)发现牛蒡低聚果糖具有镇咳作用，类似于非麻醉性合成剂。体外胸腺细胞促有丝分裂实验表明，其效果和商业的酵母多糖免疫制剂相当［18］。体外研究发现25 ～1000 μg/mL BFO 能提高小鼠脾淋巴细胞的活性，能明显促进巨噬细胞酸性磷酸酶的活性，药剂量为100 μg/mL时就可达到显著性差异。这说明BFO在机体免疫中可能通过刺激淋巴细胞和巨噬细胞的作用，提高整个免疫系统活性［13］。

此外，前期的工作初步发现肿瘤细胞上存在BFO作用的靶位点，但还不清楚是直接作用还是间接作用。与医学院的合作发现，BFO处理能够缓解小神经胶质细胞介导的炎症反应，预测BFO处理对与炎症相关的神经退行性疾病如阿兹海默病、帕金森氏病等有一定效果，目前研究工作已经展开。

2 BFO对植物的效应

2.1 诱导抗性

施用适量浓度BFO，能够促进植物的生长发育并提高其抗逆性［19］。研究表明，BFO处理可提高植株对灰霉病菌(Botrytis cinerea)，枯萎病(Fusarium vasinfectum)和炭菌病(Colletotrichum gloeosporioides)的抗性［20，21］;BFO预处理可显著抑制接种叶烟草花叶病毒TMV的复制，增强烟草抗TMV能力［22］。此外，还能促进多种植物种子的萌发率，例如3g/L BFO溶液对秦艽种子的发芽率高达87.5%［23］。

BFO处理还可明显降低多种果蔬采后病害的发生，延长保存期。5 mg/mL BFO处理番茄，能够显著降低果实的自然感病率。初步研究发现，BFO可以快速诱导番茄体内病程相关蛋白基因(pathogenesis-related，PR)和苯丙氨酸解氨酶基因转录和表达，在24 h内快速增至高峰，且表达量显著高于蒸馏水处理的对照组;同时提高过氧化物酶活性和酚类物质含量［24］。

2.2 诱导挥发性物质

挥发性物质是植物代谢的一个重要类群，可以由植物多种组织合成和释放，大部分具有抗菌活性，是植物抗性的物质基础和抵御病原侵染的化学防御因素;其中一些组分是防御基因表达的调节因子，是病原侵染过程中植株组织间或相邻植株间传递信息的信号分子，在植物防御、通讯及提高耐受性中发挥着重要的作用。研究发现，BFO处理开花期番茄植株120 h后，叶片挥发性物质大幅度增加，总量增加为对照组的2.34倍。幼叶单萜类和倍半萜类化合物释放量显著降低，大多数脂肪酸衍生物和芳香族化合物类挥发性组分释放量在48 h内升高。其中，反式-2-己烯醛释放量增加为对照组的148.0%［27］。而反式-2-己烯醛在浓度为10 μmol/L时就能完全抑制番茄病原真菌灰葡萄孢和尖镰孢子萌发［27，28］。此外，反式-2-己烯醛还能够抑制TMV在烟草叶片中的增殖;对黄瓜种子具有化感作用，并呈“低促高抑”趋势，改善黄瓜幼苗生理生化活动，进而提高植株的抗逆、抗病性［29］。此外，BFO对不同的叶龄番茄叶片挥发性物质释放的诱导特性也不同，幼叶脂肪酸衍生物的释放量在24 h内显著增加，而衰老叶单萜类的释放量增加则更为显著［30］。

2.3 BFO诱导机制

基于第二代测序技术-数字基因表达谱可以准确、特异地反映基因的真实表达情况，我们以烟草为实验材料，蒸馏水处理为对照，整体研究了BFO处理1h后的表达差异基因。表达谱发现BFO处理烟草后412个基因表达出现差异(倍数差异在2倍以上且FDR＜0.01)，其中169个显著上调表达基因，243个显著下调表达基因。基因本体论分析显示，差异表达基因主要集中参与在植物应激反应，防御反应，次生物质及RNA合成，激素响应以及信号传导等方面［31］。

植物对病原体的诱导抗性按照不同的信号通路可分为系统获得性抗性(systemic acquired resistance，SAR)和诱导系统抗性(induced systemic resistance，ISR)。其中，SAR的发生伴随着系统性水杨酸(salicylic acid，SA)含量的增加和病程相关蛋白质的表达。SA是植物体内普遍存在的一种内源性激素，能够被病原菌诱导产生，作为植物抗病反应的信号分子，还参与PRs抗性基因的诱导合成。对烟草植物外源施用BFO后，可以快速诱导烟草局部叶和系统叶SA和葡糖基水杨酸(salicylic acid 2-O-β-D-glucose，SAG)含量的升高。而SA的累积进而诱导防卫基因PR的表达，从而形成大范围广谱性的抗性［25］。经 BFO 处理可诱导 PR-2，PR-3，PR-4 以及PR-5在植物体内表达，且都呈现出先升高后降低的趋势［22］。上述抗病相关蛋白基因在不同叶龄烟草叶片中都表达，并且都表现出幼叶中表达量最高，成熟叶次之，老叶中最弱的趋势。用荧光探针H2DCFDA标记原生质体，荧光显示BFO处理30 min即可诱导活性氧在烟草中积累，6 h后达到高峰［22］。但BFO并不引起烟草产生过敏反应，这与Shibuya等人观点一致即寡糖激发子不会导致植物产生过敏性细胞死亡［26］。

3 讨论

牛蒡低聚果糖是一个生物结构明确、生物活性广泛的多糖，具有广阔的开发和利用前景。到目前为止，对于其研究越来越多。BFO对机体有独特的生理作用，它不仅可以提高肠粘膜淋巴系统的免疫活性，从而提高动物机体免疫力，还可以通过处理荷瘤小鼠或预给药，治疗效果显著。但是，其药理活性的机制方面的研究工作有待进一步系统的开展。此外，BFO还可以诱导植物产生系统性抗性，增强植物抗病原体及抗病毒的能力。因此，如此活性广泛的BFO有必要进行更深入的研究，有望成为提高免疫或抗肿瘤临床辅助用药或者作为植物诱导子用于农业生产。

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