北部湾海洋微生物物种多样性与化学多样性研究进展*

徐新亚，杨 宏，宁小清，易湘茜，刘永宏，高程海

(广西中医药大学海洋药物研究院/药学院，广西南宁 530200)

0 引言

海洋微生物，包含细菌、古菌、真核生物和病毒等多个类群，生物量占海洋总生物量的90%。除了具有重要的生物学、生态学功能外，海洋微生物还是新物种、新基因、新药物、新生物材料的重要来源。海洋微生物的多样性，狭义范围包括海洋微生物的遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性，广义上还包括化学多样性、代谢多样性及其生存环境多样性[1]。北部湾位于中国南海的西北部，东临广东雷州半岛和海南岛，北临广西壮族自治区，西临越南，与琼州海峡和南海相连。北部湾海域地处热带和亚热带，分布有红树林、珊瑚礁等多种生物群落，是我国生物多样性最为丰富的区域之一，目前已逐渐成为海洋微生物研究的热点区域之一。

海洋微生物因其独特的生存环境以及代谢途径，可产生多种结构新颖、活性显著的化合物，具有潜在的开发利用前景。相比海洋动物和植物，海洋微生物易于采集、保存和放大培养，更便于开发利用。目前，海洋环境中已分离获得30 000多个结构新颖的化合物，其中，来源于海洋细菌(包括海洋放线菌)、海洋蓝细菌和海洋真菌的新颖化合物所占比例逐渐增多，而来源于海洋动植物的新化合物有减少的趋势[2]。截至2017年底，欧美等发达国家和地区共有13个海洋药物批准上市，其中有2种来源于海洋微生物(头孢菌素C来源于海洋真菌，利福霉素来源于海洋放线菌)。截至2017年，美国FDA批准进入临床的54个海洋药物中，有68.5%(37个)来源于海洋微生物，尤其是海洋蓝细菌[3]，这表明海洋微生物正在成为海洋药物的重要来源。

至今，已有许多学者开展针对广西北部湾海洋微生物和化学成分的研究，但综述性的文献报道欠缺，仅于清武[4]2014年对其情况进行简单总结，但引用文献数量很少，且没有涉及近几年的新成果。为更全面地了解北部湾海洋微生物研究现状，促进北部湾海洋微生物资源的研究和开发利用，本文对2010—2020年国内北部湾海域的微生物物种多样性和代谢产物活性成分多样性方面的文献进行整理、统计和综述分析，为进一步研究和合理开发北部湾海洋微生物资源提供参考。

1 北部湾海洋微生物的物种多样性

海洋微生物数量庞大、种类丰富，广泛存在于海洋环境中。北部湾海域拥有大量的动植物资源，据统计，北部湾海洋动物有14门1 000多种，海洋植物有3门43种[5]，丰富的物种多样性为动植物共附生微生物多样性的发展提供了基础。北部湾滩涂分布着大片的红树林，红树林是世界上生产力最高、生物学特征最多样化的生态系统之一，其独特的生态环境有助于孕育北部湾特有的微生物种类。

1.1 北部湾海洋细菌多样性

文献统计表明(表1)，广西北部湾已发现海洋细菌1 843种，隶属于5门30目59科120属。在属水平，链霉菌属Streptomyces(383种)为优势属，其次是微杆菌属Microbacterium(140种)、壤霉菌属Agromyces(130种)。整体来看，从红树林土壤以及淤泥中分离得到的海洋细菌种类最多，共有71属。海洋动物中，海绵中发现的海洋细菌种类最多(45属)，其次是珊瑚(12属)。海洋植物中发现海洋细菌最多的是红树林植物(47属)。物种分布统计表明，在不同物种间分布最广的海洋细菌为Streptomyces属和Nocardiopsis属，其在红树植物、珊瑚、海绵等身上都有发现，Microbacterium属分布也较为广泛。

表1 北部湾海洋细菌种类统计

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大量研究发现,北部湾海洋细菌具有丰富的生物活性功能[8,21,23,32]。其中，关于抗菌活性的研究最多，涉及多种致病菌，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镰刀菌[19]。其他活性研究还涉及抗海洋生物污损活性[34]、卤虫致死毒性[6,9]、细胞毒活性[27]、延缓衰老活性[12,14,17]、杀线虫活性[26]、抗血栓[15]、抑制癌细胞[22,33]、抑制蛋白质生物合成[7]等。

研究者从北部湾海域发现了一批新型微生物。如Mao等[31]从北部湾海水中分离出1株新的含细菌叶绿素的好氧细菌Roseibacteriumbeibuensis；Zhu等[29]从钦州海洋沉积物中发现1株新链霉属放线菌Streptomycesqinzhouensis；Fu等[35]从北部湾海洋沉积物中分离获得来自黄杆菌属的新菌种Flavobacteriumbeibuense；Wang等[36]从珊瑚中分离获得新细菌Motiroteuscoralliicola。这些研究成果为北部湾海洋微生物资源的开发利用提供了新颖的物种资源和基因资源。

1.2 北部湾海洋真菌多样性

文献统计表明(表2)，广西北部湾现目前已发现海洋真菌197种，隶属于3门19目24科26属。其中，拟盘多毛孢属Pestalotiopsis种数最多(40种)，其次是青霉属Penicillium(24种)、刺盘孢属Colletotrichum(20种)。

大部分北部湾海洋真菌来源于红树林植物和红树林植物根际土壤，尤其是红树植物内生真菌。北部湾红树植物内生菌表现出丰富的多样性，不同物种、植物不同部位以及不同生境都表现出内生真菌类群和分布的差异性[25,37]；红树植物不同组织部位内生菌的优势菌群在干湿两季存在差异，在健康叶片和非健康叶片之间也存在差异[38]。活性研究表明，北部湾真菌具有抑制革兰氏阳性细菌[30,39]、革兰氏阴性副溶血弧菌[39]和农业病原真菌[40]的潜力。

表2 北部湾海洋真菌种类统计

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2 北部湾海洋微生物化学多样性

目前，研究者从北部湾海洋微生物中共分离得到110个化合物(表3)，主要结构类型为生物碱、萜类、酚酸类、萘醌类、甾醇类和环二肽[44-63]。其中新结构化合物有53个，约占总种数的48%，主要由中山大学佘志刚教授、北京大学林文瀚教授、中国海洋大学王长云教授等团队发现。北部湾海洋微生物来源的化合物表现出抗肿瘤、抗菌、抗病毒、抗海洋生物污损、抗炎等多种生物活性，有巨大的潜在应用价值。

表3 北部湾海洋微生物来源的化合物统计

2.1 生物碱类化合物

从北部湾微生物中分离获得的生物碱类化合物共30个，具体结构如图1所示。化合物(2)在10 μg/cm2剂量下可以抑制海洋污损生物网纹藤壶幼虫的附着[45]。王聪等[61]从北部湾来源的一株链霉菌Streptomycessp.的次级代谢产物中分离鉴定了stellate sporin (3)，对香蕉枯萎病菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度分别为10 μg/mL和125 μg/mL。北京大学林文瀚教授研究组[54,55,58]从一株涠洲岛来源海绵Niphatesrecondita共附生真菌StachybotryschartarumWGC-25C-6的大米培养基中，分别得到phenylspirodrimane类成分chartarlactams A—P(4—19)，phenylspirodrimane二聚体类chartarlactams Q—T (20—23)。在10 μmol/L浓度时，化合物8,9,14,18能够显著降低HepG2细胞内甘油三酯水平，化合物7,8,9,15,17能够明显降低HepG2细胞胆固醇含量[54]。化合物18—22能够抑制金黄色葡萄球菌，最小抑菌浓度为4-16 μg/mL，化合物23具有抑制寨卡病毒的活性[54,55]。化合物24和25为新化合物，化合物26具有多种活性，对铜绿假单孢菌和白色念珠菌的最小抑菌浓度为32 μg/mL，对蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)半数抑制浓度为12.2 μmol/L[58]。

图1 北部湾海洋微生物来源的生物碱类化合物结构

2.2 萜类化合物

从北部湾微生物中分离获得20个萜类化合物，其结构如图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)由中山大学林永成教授课题组[52]，从一株红树共附生土曲霉AspergillusterreusNo.GX7-3B的葡萄糖酵母膏蛋白胨培养基(GYP)发酵产物中获得，其中化合物31为新化合物，对人乳腺癌MCF-7细胞株和急性粒细胞白血病HL-60细胞株有抑制作用，半数抑制浓度分别为4.49和3.43 μmol/L。化合物34抑制急性粒细胞白血病HL-60细胞半数抑制浓度为0.6 μmol/L[52]。王聪等[49]从北部湾沉积物来源的真菌Penicilliumsp.H1提取物中分离获得3个二萜类化合物carbon keratin D (35)、BE-31405 (36)、sordaricin (37)，其中化合物35为新化合物，化合物35,36对香蕉枯萎病菌有抑制活性，最小抑菌浓度分别为32.0和16.0 μg/mL。 化合物38—41具有抗肿瘤细胞毒活性，对HCT-116、HepG2、BGC-823、NCI-H1650、A2780肿瘤细胞的半数抑制浓度为0.69-10.00 μmol/L，并且对肿瘤相关激酶FGFR3、IGF1R、PDGFRb和TRKB有明显抑制作用[54]。混源萜类成分结构新颖，并且有多种显著生物活性，但在微生物中分布较少。Zhang等[56]采用生物信息学比较分析，发现1株涠洲岛海绵共附生青霉菌PenicilliumbrasilianumWZXY-m122-9中含有混源萜合成基因簇clusters A和B，并从其发酵产物中分离得到8个混源萜，分别为brasilianoides A—F(42—47)、preaustinoid D (48)和preaustinoid A2 (49)，其中42—48为新化合物；化合物42能够剂量依赖性地显著刺激人永生化角质形成细胞HaCaT中丝聚合蛋白和caspase-14的表达，化合物44和45具有抗炎活性，能中等强度抑制脂多糖诱导巨噬细胞RAW264.7的NO形成。

图2 北部湾海洋微生物来源的萜类化合物结构

2.3 酚酸类化合物

从北部湾微生物中分离获得的酚酸类化合物共21个，结构如图3所示。Talaromyone B (52)对枯草芽孢杆菌有抑制作用，最小抑菌浓度为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)对铜绿假单胞菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和白色念珠菌等耐药致病菌都有抑制作用[46]。中国海洋大学的王长云教授研究组[57]从涠洲岛肉质软珊瑚Sarcophytonsp.共附生真菌AlternariaalternataL3111中得到3个酚酸类化合物altertoxin I (66)、stemphyperylenol (67)、alterperylenol (68)，其中化合物68对肿瘤细胞株A-549、HCT-116、HeLa都有抑制作用，半数抑制浓度分别为2.6，2.4和3.1 μmol/L。

图3 北部湾海洋微生物来源的酚酸类化合物结构

2.4 萘醌类化合物

从北部湾微生物中分离获得的萘醌类化合物共13个，结构如图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，抑制脂多糖诱导巨噬细胞RAW264.7产NO活性，半数有效浓度均小于阳性对照吲哚美辛(26.3 mol/L)，浓度为1.7-22.6 mol/L[47]。

图4 北部湾海洋微生物来源的萘醌类化合物结构

2.5 甾醇类化合物

从北部湾微生物中分离获得的甾醇类化合物共7个，具体结构如图5所示。化合物85为新化合物，化合物85，86，87，89对呼吸道合胞病毒(Respiratory Syncytial Virus,RSV))诱导的人喉癌肿瘤细胞株Hep-2有抑制作用，半数抑制浓度为0.11—0.17 mmol/L[59]。

图5 北部湾海洋微生物来源的甾醇类化合物结构

2.6 环二肽类和其他化合物

从北部湾微生物中分离获得的环二肽类化合物共7个，具体结构如图6所示。化合物92，93具有抑制罗非鱼病原菌活性，化合物92—94具有抗藤壶幼虫附着活性，化合物92具有抗华美管盘幼虫附着活性[62]。研究者还从北部湾微生物中分离到其他零散种类的化合物，如胸苷thymidine (108)、尿苷uridine (109)等(图7)。

图6 北部湾海洋微生物来源的环二肽类化合物结构

图7 北部湾海洋微生物来源的其他化合物结构

3 讨论

北部湾具有丰富的海洋微生物资源，但由于研究起步较晚，对北部湾海洋微生物新物种、新基因、新化学成分的研究还处于早期阶段。大部分研究主要集中在共附生微生物多样性、沉积物微生物多样性、化学多样性以及抑菌活性等前期的基础研究，尚未见有北部湾海洋蓝细菌、海洋古菌和海洋病毒等物种多样性的相关报道，且尚缺少对北部湾海洋微生物的开发与利用。因此，仍需要开展大量工作来拓宽海洋微生物的研究广度和深度，研究更多新的物种资源，丰富北部湾海洋微生物的多样性，拓宽北部湾海洋微生物学的各个领域，为其进一步开发利用奠定基础。