蝉花研究进展

梁世伟,王洪凯

(1.浙江中医药大学,浙江 杭州 310053; 2.浙江大学 生物技术研究所,浙江 杭州 310058)

蝉花是我国的一种传统中药,民间对其保健作用很早就有认识,在我国具有悠久的食药两用的应用历史。现代科学研究证实蝉花是由真菌寄生蝉若虫后,生长发育成的菌-虫复合体[1]。目前,蝉花是仅次于冬虫夏草和蛹虫草的虫草属中的食药用真菌[2]。近年来与冬虫夏草面临的情况相似,随着大量采集,野外蝉花数量已经大量减少,因而人工培养是重要的补充。随着人们对中医药在生命健康中作用的重视,蝉花的研究也比较迅速。本文对蝉花在科学分类、药用成分及其治病机理、分子遗传方面的研究进展进行了综述。

1 蝉花的分类地位

蝉花是我国的传统中药,是麦角菌科真菌寄生山蝉(Cicadaeflammata)等的若虫后形成的菌-虫复合体,与冬虫夏草同属[1]。蝉花真菌的有性态(Cordycepscicadae)在自然界很少见到,实际中采集到的多是其无性态。1838年Miquel将蝉花真菌的无性态定名为蝉棒束孢菌(Isariacicadae),1895年Massee在研究有性态-无性态的联系中,将Isariacicadae作为C.cicadae(Miq.)的异名,命名为大蝉草[Cordycepscicadae(Miq.) Massee][3]。

由于蝉花在日本、韩国等地作为药用菌广泛应用,其后出现了多种同物异名,如C.cicadaeS.Z. Shing、IsariacicadaeMiq.、C.cicadae(Miq.) Massee、I.sinclairii(Berk.) Lloyd、Paecilomycescicadae(Miq.) Samson以及Ophiocordycepssobolifera(Hill ex Watson)G.H. Sung et al. 等[4]。1974年,Samson对棒束孢菌及其近似种进行研究,将分生孢子梗瓶形、向上突然变细呈细长颈且分生孢子成链的棒束孢移入拟青霉属,相应地,蝉花菌的无性态命名为蝉拟青霉[Paecilomycescicadae(Miq.) Samson][5]。2005年Luangsa-Ard等[6]根据微管蛋白和ITS rDNA的序列,分析拟青霉属和棒束孢属的进化关系,认为这两个属的真菌进化上区分明显,将包括蝉拟青霉在内的10个种归入棒束孢属,因此,蝉花真菌的无性态阶段应该为蝉棒束孢菌(IsariacicadaeMiq.)。

在2011年学术界已经把“一种真菌一个名称”作为共识,在蝉花的分类上,由于其有性态在自然界很少见到,推荐用I.cicadae作为蝉花的科学名称。但2017年,Kepler等[3]在对虫草科(Cordycipitaceae)的模式标本进行细致研究的基础上,认为虫草属名称比棒束孢属更早确立,并被更广泛应用,提出用虫草属(Cordyceps)替代棒束孢属(Isaria)。2020年,Zha等[7]对世界各地以Isariacicadae或其异名命名的标本细致研究,在分析了84个菌株的ITS序列的基础上,认为蝉花是虫草属中一个独立的种,而I.cicadae是巴西的标本命名的,I.sinclairii是以新西兰的标本命名,没有DNA数据,因而作为异名比较合适。鉴于蝉花和Cordycepscicadae被广泛接受并应用,认为恢复用Cordycepscicadae(Miq.) Massee作为蝉花的科学名称。

由于蝉花菌的有性态很难见到,其有性态-无性态联系方面的资料很少,对于蝉花菌的有性态的学名,在国内外应用中长期混乱,曾有蝉虫草CordycepscicadaeMassee(Massee 1895)、小蝉草Cordycepssobolifera、大蝉草(地方名“独角龙”)CordycepscicadaeShing(TolypocladiumdujiaolongaeY.P. Cao &C.R. Li)及小林虫草CordycepskobayasiiKoval等名称。李增智等[8-9]在井冈山采集到了一份标本,其上既有蝉花有性型,也有无性型。他们采用多基因位点DNA片段序列分析,认为I.cicadae是物种复合群,而历史上曾被误认为是蝉花有性态的小蝉草和大蝉草(独角龙弯颈霉)都不属于蝉花所在的虫草科。他们根据系统发育树上其标本的位置,将其作为一个新种并命名为Cordycepschanhua。关于蝉花菌有性-无性态联系及其在科学分类中的作用,还需要做更深入的研究。

2 蝉花的应用现状

2.1 蝉花的药用实践

蝉花是生活在土壤中的真菌-蝉复合体,其药用部分包括两部分: 地上部分为真菌子实体(子座),地下部分为菌核(蝉蛹中充满了真菌的菌丝体)。蝉花广泛分布于中国、南亚、韩国济州岛、北美、欧洲[7]。作为药食两用菌,蝉花在我国公元5世纪的南北朝时期就有记载[5],其药用和保健应用比冬虫夏草早3个多世纪。野外采到此菌后,去掉表面泥土,晒干研成粉末即可药用[1]。中国早期的医药著作中记载,蝉花长期以来一直被用于治疗疲劳、夜汗、发烧、儿童惊厥、心悸和头晕。由于冬虫夏草对肾病中的治疗作用,价格越来越昂贵,因此,在临床上有研究者将蝉花用于冬虫夏草的替代试验,发现效果近似,由此引发学术界对蝉花研究的重视。现代医学研究发现,蝉花的功效与冬虫夏草近似,在慢性肾病、免疫调节、癌症治疗方面都有效果[10],还用于哮喘的治疗[11]。现代药理学研究还表明,蝉花具有抗肿瘤、抗疲劳、抗炎、免疫调节、镇痛、保护肾脏和镇静作用,动物试验还显示其有延长寿命的作用[8]。

2.2 蝉花菌在其他方面的应用研究

蝉花作为一种虫生真菌,可寄生多种害虫。蝉花的分生孢子对小菜蛾、桃蛀果蛾、菜粉蝶等鳞翅目昆虫有防治作用,对小菜蛾的致病性达70%[11]。蝉花的分生孢子和发酵液对蚕豆蚜、甘蓝蚜、白粉虱等同翅目害虫有防治作用[4],还具有杀线虫作用,可用于开发防治植物病虫害的生防制剂。作为具有腐生作用的真菌,蝉花菌可以降解除草剂,修复除草剂污染的土壤[12]。发酵产物可以开发成生物絮凝剂,用于水污染物的生物处理[13]。对动物也有保健作用,饲料中添加蝉花菌发酵产物,可提高肉鸡的生长性能,改善机体抗氧化状态,有利于提高鸡肉品质[14]。

3 蝉花的药用成分及其作用

3.1 蝉花的药用成分研究

蝉花具有与冬虫夏草和蛹虫草相似的生物活性物质和药用价值。研究发现,蝉花粗提物具有肾脏保护、肝脏保护、神经保护和抗癌作用[15]。丁醇提取物具有明显抗氧化、消除活性氧的作用,乙醇提取物有抗癌效果[2]。液体培养产生的麦角甾醇过氧化物具有抗癌效果[16]。此外,还从蝉花中分离得到一些具有抗细菌和线虫活性的化合物[2]。

许多生物活性物质从蝉花菌中分离鉴定出来,如腺苷、真菌多糖、麦角甾醇、虫草素、多球壳菌素、肉豆蔻苷、过氧化麦角甾醇、核苷等[8,17],并不断有新的活性物质被发现[18-20]。其中多种种活性物质,包括多糖、虫草素、过氧化麦角固醇、虫草菌素和白僵菌素等对多种细胞具有抗癌作用。此外,N6-(2-羟乙基)-腺苷[N6-(2-hydroxyethyl)-adenosine, HEA]具有保护肝脏、保护肾脏和抗糖尿病的作用[21]。腺苷、虫草素和丁醇提取物具有神经保护作用。

3.2 蝉花的药用机理

3.2.1 利用细胞系体外研究蝉花提高免疫、抗癌的机理

随着研究的深入,蝉花菌的药理机制不断被揭示出来。实验室中可以用特定的细胞系在体外检测蝉花菌的药理作用。蝉花菌可以调节T细胞的免疫活性,抑制肺癌和黑色素瘤的生长[22],抑制T-淋巴细胞的增殖[10]。一种被称为PCIPS3的蝉花多糖对2,2-二苯基-1-吡啶酰肼自由基、超氧自由基、羟基自由基、ORAC自由基具有良好的清除能力,并具有中等的免疫调节活性[23]。蝉花产生的白僵菌素(beauvericin)对人白血病细胞系和人肺癌细胞系具有明显的细胞毒性[24]。蝉花菌水提取物可以抑制肝癌细胞的生长[25]。蝉花孢子破壁后,释放出多种活性成分,具有抗肿瘤潜力[26]。

Xu等[27]研究了蝉花多糖对Hela细胞增殖和细胞毒性的影响。研究表明,蝉花多糖可抑制Hela细胞的增殖,阻断S期细胞周期,促进细胞凋亡。多糖处理抑制了细胞周期蛋白E、细胞周期蛋白A和CDK2的表达,并上调了P53的表达。蝉花多糖能够激活细胞凋亡的级联反应,促进其通路中死亡受体的上调以及促凋亡因子/抗凋亡因子的比值,从而导致细胞周期停滞并诱导细胞凋亡。研究结果为开发低毒、具有高效抗癌效果的天然药物的奠定了基础。

HEA是蝉花产生的一种重要的核苷类生物活性物质,具有抗炎、抗肾上腺皮质激素、拮抗钙离子、抗肿瘤、镇静、杀虫、抗辐射和抗糖尿病等作用。HEA经丁醇提取后处理细胞,能够使抗氧化酶活性升高,抑制脂质过氧化,可以有效降低活性氧对PC12细胞系的诱导性细胞死亡,减少活性氧的产生、氧化应激和保护线粒体功能[28]。

Xie等[29]利用胃癌细胞(SGC-7901和AGS)研究了蝉花菌丝提取物对胃癌的抗肿瘤作用。结果表明,蝉花提取物可诱导细胞caspase依赖性凋亡,抑制SGC-7901细胞增殖并诱导细胞形态异常,将细胞周期阻滞在S期,增加内质网应激。进一步研究发现,蝉花菌丝中的HEA可诱导活性氧产生和线粒体膜电位去极化。HEA可以触发caspase依赖的细胞凋亡,促进细胞内Ca2+相关内质网(ER)应激和自噬。另一方面,HEA能显著抑制裸鼠移植瘤的生长,并诱导体内肿瘤组织细胞凋亡[30]。

3.2.2 利用大鼠模型研究蝉花对神经系统病害的治疗保护机理

蝉花真菌多糖可以保护神经系统,减少活性氧的伤害[31]。虫草素提高神经系统的抗氧化作用,对帕金森氏病有效果[32]。腺苷通过抗氧化作用,可以保护神经系统,减少谷氨酸盐诱发的活性氧伤害[33]。用Aβ40(一种神经毒性蛋白)和链脲佐菌素(STZ)可以诱导大鼠形成阿尔茨海默病。Wu等[34]用深海水的培养基培养蝉花菌丝(DCC)处理阿尔茨海默病大鼠模型,研究蝉花菌丝对阿尔茨海默病的治疗机理。结果发现,DCC通过增加脑内sRAGE的表达,可抑制Aβ40和链脲佐菌素(STZ)输注引起的BACE、促炎因子表达和Aβ40的积累,改善阿尔茨海默病引起的记忆障碍。此外,DCC中高含量的有机镁增强了MAGT1的表达,减轻了阿尔茨海默病症状。

Liu等[35]用大鼠模型,研究了蝉花的核苷的提取物(CCNE)对顺铂诱导的神经毒性的保护作用。大鼠口服CCNE后,降低了顺铂导致的大鼠乙酰胆碱酯酶水平、促炎细胞因子水平和脂质过氧化的上升,同时增加了脑组织中的抗氧化酶谱。此外,CCNE治疗减轻了顺铂治疗引起的脑组织病理学改变。这些结果表明,CCNE通过抑制氧化应激和炎症,改善顺铂治疗大鼠的记忆障碍、神经病变、氧化应激增加和炎症,显著改善顺铂诱导的学习记忆障碍、抑郁行为、运动协调性以及热刺激和机械性痛觉过敏等不良症状。

3.2.3 利用模式动物研究蝉花对细胞的抗衰老、提高免疫力机理

蝉花菌的丁醇提取物抗衰老[36]。蝉花多糖的抗氧化活性测试结果显示,所有组分(即 cp30-cp80)均有效,其中cp70的效力最强。cp70能显著延长果蝇的寿命,增加过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性,抑制丙二醛的生成。此外,cp70还上调了果蝇抗氧化相关基因的表达水平从而延长果蝇的寿命[36]。由此可见,蝉花多糖具有显著的抗氧化和抗衰老活性[37],可作为一种延缓衰老的膳食补充。

Xu等[38]从蝉花中分离纯化得到的一种新的多糖(JCH-1),其具有促进一氧化氮(NO)、肿瘤坏死因子(TNF-α)和白细胞介素6(IL-6)分泌的免疫调节作用。真菌多糖JCH-1通过激活 TLR4特异性促进 MAPK信号通路介导的p65核转录,可能有助于免疫细胞中免疫效果的发挥。

蝉花提取物可以通过抑制大鼠氧化应激和促炎症来预防CISP睾丸损伤。顺铂(CISP)是一种用于化疗的有效抗癌药物,但其临床应用的限制因素是其不良的副作用——导致器官毒性,包括造成氧化和炎症级联反应相关的睾丸损伤。Wang等[39]研究发现,顺铂诱导的大鼠在处理前7天服用蝉花提取物,可以抑制睾丸谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、总抗氧化物含量(TAC)的活性,从而抑制CISP诱导的生殖指数改变,恢复睾丸中的抗氧化活性,减轻炎症和组织学损伤。

3.2.4 蝉花的护肝、治疗眼病的作用

蝉花菌的菌丝提取物可以防止肝脏由四氯化碳诱发的肝脏纤维化。Ke等[40]利用对四氯化碳敏感的BALB/c 小鼠研究了蝉花菌丝体对四氯化碳诱导的肝损伤的保护作用。蝉花菌丝体通过TNF-α/IL-6途径、TGF-β1/CTGF途径和抗氧化防御机制实现了保护肝组织纤维化的效果。尽管腺苷、HEA和多糖都对CCl4诱导的肝损伤有保护作用,但Ke等[40]认为HEA应该是蝉花菌丝体中预防肝纤维化的主要生物活性化合物。

Horng等[41]利用激素诱导青光眼大鼠模型,研究了蝉花对青光眼的治疗作用。研究发现,蝉花菌丝的水提取物用药4周后,丙二醛和乳酸脱氢酶水平显著降低,过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶水平显著升高。结果表明,蝉花菌丝具有明显的抗氧化活性和降低眼压的作用,可能有助于预防或治疗青光眼。

3.2.5 蝉花对肥胖糖尿病的作用机理

蝉花对于2型糖尿病患者具有治疗作用[42]。Sun等[43]用链脲佐菌素(STZ)诱导的高脂饮食(HFD)喂养的白化Wistar大鼠,建立了2型糖尿病(T2DM)大鼠模型。用蝉花治疗6周后,治疗组的血糖、总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白(HDL-c)和低密度脂蛋白(LDL-c)都显著降低。为了药效的稳定,他们以腺苷和N6-(2-羟基乙基)腺苷(HEA)作为蝉花药效质量指标,建立了基于高效液相色谱(HPLC)的定性定量方法,作为质量控制标准。他们的质量控制体系是0.90 mg·g-1腺苷和0.89 mg·g-1HEA。这个研究提供了蝉花应用的可靠的质量控制方法,拓展了蝉花的应用空间。

Zhang等[44]研究了蝉花多糖对肥胖和糖代谢紊乱的治疗作用。利用蝉花多糖治疗11周,显著且呈剂量依赖性地降低了体重和肝脏质量、胰岛素和葡萄糖耐量、血清胰岛素和葡萄糖水平。抗氧化和酶活性检测表明,蝉花多糖通过降低脂质过氧化水平(MDA)和上调谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性,减轻肝脏氧化应激,并通过减少肝脏脂质积累改善组织病变,起到了对肥胖的治疗效果。

3.2.6 蝉花对细菌的抑制和对肠道菌群的调节作用

蝉花产生的多糖能够破坏细菌细胞壁和细胞膜,增加细胞膜透性,抑制细菌生长[45]。Cen等[46]对蝉花菌丝中抗菌蛋白的抗性机理进行了研究。蝉花菌体粗蛋白提取物对大肠埃希菌有明显的抑制作用。粗蛋白提取物可破坏细菌的细胞膜,改变整个细胞或膜蛋白的含量,能有效地与细菌DNA相互作用。实时定量PCR结果表明,蝉花粗蛋白提取物可以抑制细菌鞭毛生物合成基因fliP、fliO、flgD和flhB的表达水平下调,从而有效抑制了细菌的生长繁殖。

Tian等[47]研究了蝉花产生的2种胞外多糖对肠道微生物的影响。结果表明,胞外多糖不能被唾液消化,但是可以被肠道微生物降解。在此过程中,胞外多糖对肠道微生物菌群结构具有调节作用。胞外多糖可以增加类杆菌和弧菌的相对丰度,减少致病菌大肠埃希菌志贺氏菌、克雷伯菌和梭杆菌,优化肠道微生物菌群。此外,胞外多糖还可以促进消化道产生短链脂肪酸。这些结果表明,蝉花可以作为一种功能性食品,通过促进肠道菌群结构优化来改善健康和预防疾病。

3.2.7 蝉花对肾脏病变的治疗作用机理

蝉花具有潜在的肾脏保护作用,被广泛用于治疗多种肾脏疾病。高血压性肾损害将导致严重肾病。为了探讨蝉花对高血压肾损伤保护作用的机制,Huang等[48]以自发性高血压大鼠模型和血管紧张素Ⅱ处理培养的肾小管上皮细胞(TECs)为实验材料,研究蝉花对肾小管上皮细胞(TECs)的保护作用。结果表明,蝉花可降低肾组织24 h尿清蛋白、白蛋白/肌酐比值(ACR),降低 β2-MG 水平和肾损伤分子-1(Kim-1)水平,减轻肾间质纤维化,降低肾组织 α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)的表达,显著减少血管紧张素诱导产物和中性粒细胞明胶化脂质蛋白的产生,能抑制caspase-3的活性,提高细胞活力,减少细胞的凋亡。蝉花在高血压条件下对肾小管上皮细胞的保护作用可能与其通过调节SIRT1/p53通路抑制凋亡有关。Cai等[49]利用高血压肾病大鼠模型,研究了蝉花对高血压肾损伤的治疗作用机理。他们研究发现,蝉花显著降低了对肾小管上皮细胞的损伤以及转化生长因子(TGFβ1)、α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、I型胶原蛋白(Col-1)和纤维连接蛋白的表达。同时,蝉花显著下调Beclin-1和自噬蛋白LC3Ⅱ,降低自噬受体SQSTM1/p62的表达,显示出对自噬小泡的抑制和自噬应激的缓解。Yang等[50]研究发现,用黄芪经蝉花发酵后,其发酵产物对糖尿病肾病的延缓作用优于黄芪。发酵产物可能通过抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路增强肾脏的足突细胞自噬并延缓糖尿病肾病的损伤。

对于蝉花对慢性肾病的治疗机理,Zhu等[51]认为蝉花菌的活性成分可以抑制肾脏纤维化;Zheng等[52]研究了蝉花孢子多糖保护肾脏的作用。蝉花孢子多糖CCSP-2对脂多糖诱导的脓毒性急性肾损伤小鼠具有明显的保护作用,可明显减轻小鼠肾水肿;降低24 h尿蛋白、血尿素氮和血清肌酐;抑制血清促炎细胞因子的释放;提高抗氧化酶活性;降低氧化损伤产物的水平。

急性肾损伤是临床常见的问题,可以导致是肾功能突然丧失,最终发展为肾纤维化和肾功能衰竭,死亡风险高。Deng 等[53]将蝉花的水提取物(WCC)和乙醇提取物(ECC),用于研究肾损伤动物模型中的治疗作用。结果表明,WCC和ECC能明显减轻肾损伤造成的肾脏组织学改变、血清肌酐和尿素氮的产生以及 NO、TNF-α、IL-1β 和IL-6的水平。WCC和ECC均能降低血清丙二醛和谷胱甘肽水平。此外,还发现WCC增加了肾组织中自噬相关蛋白LC3B和Beclin-1的表达水平,并上调了促凋亡蛋白相关基因的表达水平。蝉花菌丝中的腺苷和HEA这两种活性化合物可抑制患病大鼠组织中一氧化氮和细胞内活性氧的产生。总的来说,水提取物可以通过抑制氧化应激和炎症,为预防肾损伤提供一个潜在的治疗候选方案。

糖尿病肾病(DN)是糖尿病最常见的并发症之一,是终末期肾病的主要原因。HEA对糖尿病肾病的作用明显。Wang等[54]利用患糖尿病大鼠研究了蝉花产生的HEA对肾脏的保护作用。用HEA治疗6周,可显著提高肾脏抗氧化水平,降低血糖、血清肌酐、血尿素氮、尿蛋白、血清蛋白和促炎症介质的水平,并呈剂量依赖性。对糖尿病大鼠肾脏的组织学评估表明,HEA还改善了肾小球和肾小管的变化。Yin等[55]认为,HEA作用的分子机制是调节肾脏血尿素氮和肌酐水平,降低丙二醛、肿瘤坏死因子、白细胞介素1β和白细胞介素6的表达。此外,HEA还上调了超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶的活性。Chyau等[56]研究还显示,HEA治疗通过调节GRP78/ATF6/PERK/IRE1α/CHOP(78-ku糖调节蛋白/转录激活因子6/蛋白激酶RNA样内质网激酶/肌醇依赖跨膜激酶/C/EBP 同源蛋白)通路,通过其抗炎作用改善肾功能。

3.3 蝉花的安全性

在我国民间,对野生蝉花的安全性虽未有系统研究,但蝉花长期作为药食两用的滋补佳品与功能食品[26,57],经受了长期实践的检验。近年来,研究人员从野生蝉花中分离出蝉花菌的无性态,进行人工培养,其活性成分和药理作用与野生蝉花很相近,为解决蝉花的资源和药用开发打下了基础[4]。随着人们对蝉花人工培养物安全性的日益关注和重视。陈祝安等[58]以每kg体重每天饲喂9 g的计量,对小鼠饲喂28 d未见任何不良反应。Chen等[59]研究表明,以每kg体重每天饲喂2 g的计量,对小鼠饲喂90 d未见任何不良反应,解剖也没有发现不良反应。野生蝉花子实体水提液80 g·kg-1对小鼠无毒,是临床日用量的444倍,证明了蝉花用于食品的安全性。2021年,我国相关部门已经批准人工养殖的蝉花作为新功能食品,为蝉花的广泛应用提供了法律保障。

4 蝉花的分子生物学研究进展

利用分子生物学技术研究基因功能和相应的代谢途径,在蛹虫草真菌的研究中已经应用,但在蝉花菌中研究还很少[60]。据报道,蝉花菌的基因组大小33.9 Mb, 包含9 701个蛋白编码基因[61]。本团队采用三代测序技术,对我们从江苏宜兴采集到的蝉花菌株2-2进行了基因组测序分析,测得的基因组大小超过34.8 M。经过组装,获得了19个重叠群,其中超过3 M的有6个,达到染色体水平。通过分析,发现2-2菌株基因组编码9 942个蛋白。

通过表达谱和代谢组学分析,Lu等[61]发现不同培养阶段,不同方法,蝉花真菌细胞中的基因表达量不同,细胞中成分含量也有差异。人工培养条件下,无性态阶段与交配型基因的表达无关,说明无性态和有性态在基因表达层面是相互独立的。He等[62]对蝉花代谢组学研究显示,与野生蝉花相比,人工培养的代谢更活跃,它们含有与三羧酸循环相关的代谢物,如肉碱、乙酰肉碱、烟酸、乙醛酸、柠檬酸、γ-氨基丁酸和琥珀酸,而相比之下,野生的新陈代谢要弱。采用质谱等多种分析方法对破壁的分生孢子成分分析发现,分生孢子中至少含有59种挥发性成分,这些成分具有潜在的医疗保健作用[26]。

真菌几丁质酶在虫生真菌寄生昆虫过程中的几丁质降解、细胞壁构建、几丁质循环、营养获取、自溶和毒力等方面发挥着重要作用。Peng等[63]结合蝉花的基因组和基因表达分析,发现蝉花基因组中有18个糖苷水解酶基因,其中17个是几丁质酶基因。这些基因可以分为A、B、C共3个组,其中A组(包括7个基因)的表达量大,并在蝉花生长的各个阶段都表达;B组(包括7个基因)在含有几丁质的基质上高表达,可能与寄生昆虫相关;C组(4个基因)表达量相对较低,其功能可比与其他真菌的互作相关。

虫草素能够诱导肺癌细胞的凋亡,在临床上具有良好的应用前景。但其化学合成的成本高但产量低而难以实际应用。生物合成就成为非常重要的途径。Liu等[64]利用高效液相色谱测定了虫草素在蝉花不同组织中的含量,发现在人工栽培条件下,虫草素在蝉花菌核中含量最高,在子实体中次之,在菌丝中没有检测到。蛹虫草中虫草素的生物合成是由脱氧腺苷(5′-deoxyadenosine)途径进行的,而蝉花菌的基因组中却没有其同源基因。Liu等[64]利用转录组技术,对蝉花菌丝体、子实体和菌核的转录组进行了分析,并鉴定差异表达基因。在菌丝和菌核表达文库中,分别鉴定出1 576个上调基因和2 300个下调基因。在菌丝体-子实体文库和子实体-菌核体文库中,分别有1 604和1 474个基因上调,1 365和1 320个基因下调。Liu等[64]对代谢途径分析认为,腺苷是嘌呤途径的重要中间产物,蝉花中虫草素的合成可以从腺苷开始,经过一系列反应生物合成虫草素。基因差异表达分析发现,与嘌呤途径相关的基因有19个在菌丝与菌核中差异表达,28个基因在菌丝与子实体中差异表达,16个基因在菌丝与菌核中差异表达。通过定量PCR反应验证,发现有6种关键酶基因表达差异明显。其中,参与虫草素生物合成的嘌呤核苷酸代谢途径中的5′-核苷酸酶和腺苷脱氨酶在菌核中显著上调,与虫草素在组织中的含量动态相符,推测这两个酶是以嘌呤途径中的重要中间产物次黄嘌呤单核苷酸(IMP)为底物生物合成虫草素的关键酶[65]。

5 问题与展望

近年来,随着人们对健康生活需求的提高,食药用真菌的研究开发越来越受到重视。作为我国重要的食药用菌,蝉花的研究也取得了很多成果,研究不断深入,但与当前人们的需求还有很大差距。虽然目前认为蝉花与冬虫夏草的许多功能相似,但蝉花与冬虫夏草、蛹虫草研究的科学性、规范性相比,还明显不足[2];对蝉花的有效药用成分和功效了解不足,还没有科学的标准对蝉花品质进行科学评价,目前采用虫草素、虫草酸等成分对冬虫夏草、蛹虫草的评价体系不适合蝉花,由此造成对人工栽培蝉花的质量标准评价不科学;对蝉花的生物学、生态学和与寄主互作关系认识不足,缺乏优质的栽培技术,如有研究认为栽培基质中添加4%的蝉蛹可以提高蝉花的代谢产物[13],而有研究认为蝉花生长环境中细菌群体结构影响蝉花代谢[66-67],不同发酵条件影响代谢产物的种类和含量等,制约了其在各个领域的进一步开发和应用。相对于冬虫夏草、蛹虫草等,蝉花产业相对较小。天然蝉花资源十分有限,且由于对野生资源认识不足,经常将其他菌体误认为蝉花,或因为野外卫生条件不良,而造成负面影响。人工培养将是重要发展方向。蝉花的新功能有待进一步开发,如功能食品、化妆品等方面等。新的加工技术的应用将使产品形式多样化[68]。虽然人工培养的蝉花菌体已经是新资源食品,但是执法实践需要在产业发展中进一步完善。

根据目前蝉花的生产和研究现状,必须用现代前沿生物科学技术,促进蝉花的科学研究,为蝉花可持续高质量的科学应用提供保障。随着蝉花分子转化系统的建立[63],要将功能基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、脂组学等前沿科学技术应用于蝉花的研究,明确蝉花的分子遗传特性和基因调控网络,深入揭示蝉花的生物学特性,明确活性成分的代谢网络;将蝉花的生物学研究与医疗保健效果研究紧密结合,明确蝉花组分的医疗保健作用,为蝉花的科学应用提供依据;在此基础上,发展基因编辑技术,消除蝉花基因组中可能的不良产物基因,提高有用的活性成分和营养组分,为满足人们对蝉花日益增长的需求提供技术支持;将蝉花与其他食药用菌进行(近)远缘杂交[69],结合分子育种,开发优质新品种。