蔣圓婷,劉 楊,陳德力,梁寒峭*
1北京城市學院生物醫藥學部,北京 100083;2中國醫學科學院北京協和醫學院藥用植物研究所海南分所 海南省南藥資源保護與開發重點實驗室,海口 570311;3中國醫學科學院北京協和醫學院藥用植物研究所,北京 100193
紅樹林植物是生長在熱帶及亞熱帶海岸潮間帶的一類植物,受海水周期性浸淹的木本群落,具有很強的環境適應能力[1,2]。紅樹林是紅樹林生態系統的重要組成部分,覆蓋了全世界60%~70%的熱帶及亞熱帶海岸線,對抵御海浪、保護海岸,維護周邊的生態平衡起到積極作用[3,4]。紅樹植物通常分為真紅樹植物和半紅樹植物這兩種,前者只能出現在潮間帶,后者不僅能出現在河口潮間帶,還能延伸進入到陸地生態系統,如黃槿(Hibiscustiliaceus)、海芒果(Cerberamanghas)、玉蕊(Barringtoniaracemosa)、楊葉肖槿(Thespeaisapopulnea)等[5-7]。黃槿(H.tiliaceus)為錦葵科(Malvaceae)木槿屬(Hibiscus)泛熱帶的半紅樹植物[8,9]。黃槿在熱帶和亞熱帶的沿海及內陸都有分布,并且在太平洋群島最多見,而在我國,黃槿主要分布在海南、廣東、廣西及福建等沿海省市[10,11]。黃槿不僅是優良樹種,而且具有很高的經濟及生態價值。其木材可以加工制作為工具,樹皮纖維可用于制作繩,由于其根系發達,具有防風固沙的功能[12]。同時,黃槿的各部分還存在著潛在藥用價值。
《全國中草藥匯編》[13]中僅有收載黃槿(H.tiliaceus)和海芒果(C.manghas)兩種半紅樹植物。其中黃槿的葉、樹皮和花均有藥用價值,其性甘、淡、微寒,且具有清熱止咳、解毒消腫等功效[14]。在國外熱帶沿海地區,如巴西等地,也會將黃槿作為治療高血壓、發熱、肝臟疾病的傳統民間藥物在使用[15]。根據現代藥理學的研究,黃槿具有抗炎[16]、抗氧化[12]及抗腫瘤[17]等多種生物活性。半紅樹植物黃槿含有豐富多樣的內生菌及代謝產物,綜述相關的研究進展,有助于對黃槿及其內生菌的藥效物質基礎來源做出深入探究。
植物內生菌是指其生活史中某一階段或整個階段生活在生長健康的植物組織或細胞內,并對宿主植物沒有引起明顯病害癥狀的一類微生物群[18]。許多研究表明,植物內生菌會產生與宿主植物相同或相似的結構[19,20]。Xiao等[21]采用高效液相色譜法測定人參培養須根及內生菌中10種人參皂苷單體的含量,結果Rg1、Re、Rb1的含量測定均符合2010版藥典的要求。曼瓊等[22]篩選出與宿主植物甘草具有相同或相似藥理活性的甘草內生菌,并證實其對痰濁阻肺模型大鼠有較好的治療效果。目前對于此項發現其中的原因提出了三種學說,雖然具體作用機制尚不明確,但都強調了植物內生菌的作用[23]。植物內生菌的次級代謝產物常用于進行微生物轉化,目的是得到具有新穎結構的活性先導化合物[24]。目前已有眾多報道,從植物內生菌中得到結構合理,活性更優的藥物先導分子,這充分表明植物內生菌蘊藏巨大潛力[25-31]。從黃槿植物體中分離出能具有活性物質的內生菌,不僅可以為黃槿的藥用資源開發利用進一步提供科學依據和有利參考,還可以為新藥的發現提供先導化合物。該文就半紅樹植物黃槿內生菌的多樣性、菌種鑒定、藥理作用和活性成分進行了整理和綜述,以期為黃槿內生菌的后續研究提供思路和參考。
紅樹林是位于陸地海洋間的典型熱帶生態系統,生長環境特殊,具有強光照、強酸性、高含鹽量和高溫等特點,因此紅樹林擁有豐富的內生菌資源,是天然活性產物的有效來源[32-34]。黃槿作為宿主植物常用以研究紅樹林內生菌資源及其次級代謝產物。據文獻報道表明,目前對內生菌的研究主要集中于內生真菌和放線菌,黃槿也同樣不例外[35]。
2006年,Lin等[36]采集海南東寨港紅樹林保護區的黃槿,并且從其各個部位共分離得到17株黃槿內生真菌,各部位菌株的數量分別為根5株、莖6株、葉3株、樹皮3株。其中已鑒定的3株黃槿內生菌菌株為鐮刀菌屬(Fusariumsp.)真菌,部位都在根部。鐮刀屬也同樣為研究較為廣泛的內生真菌類群,已發現存在鐮刀菌屬內生真菌的藥用植物有銀杏[37]、紅茄苳[38]及龍牙草[39]等。2007年,Li等[40]從海南半紅樹植物黃槿的葉片中分離得到了菌株GT20036029,并對該菌株的代謝產物進行了化學成分分析,具體菌種的鑒定結果目前仍未可知。Liu等[41]采集來自海南省文昌的紅樹林半紅樹植物黃槿,并從其根部分離得到菌株,經鑒定為草酸青霉(Penicilliumoxalicum)。2008年,Li等[42]從海南黃槿中分離得到內生真菌赤散囊菌(Eurotiumrubrum)。2010年,Yan等[43]從我國海南的半紅樹植物黃槿的枝條上分離出內生真菌赤散囊菌(EurotiumrubrumG2)和內生真菌團青霉(Penicilliumcommune)。散囊菌屬(Eurotium)真菌屬于子囊菌綱(Ascomycetes)散囊菌目(Eurotiales)散囊菌科(Eurotiaceae)真菌,在自然界經常可見的是它們的無性階段,如常見的曲霉屬(Aspergillussp.)和青霉屬(Penicilliumsp.)。Yan等[43]對同樣來源于黃槿枝條的內生真菌團青霉(Penicilliumcommune)也進行了研究。青霉屬(Penicillium)真菌屬于半知菌門(Deuteromycotina)絲孢綱(Hyphomycetes)絲孢目(Hyphomycetales)絲孢科(Hyphomycetales)真菌。青霉屬是植物內生菌種研究較多的內生真菌類群之一,在具有藥用價值的植物內生菌中發現有青霉屬內生真菌,如藥用植物番紅花[44]、水飛薊[45]等。2012年,Li等[46]從廣西半紅樹植物如楊葉肖槿、黃槿等12個樣品中,分離出純化的菌株總計86株,其中從黃槿中分離得到了一株內生真菌Penicilliumsp.LD-68。Du等[47]從海南東寨港采集的海洋紅樹林植物黃槿中分離出一株內生真菌AspergillussydowiiEN-198。
放線菌主要是分布在土壤中,且以鏈霉菌、小單孢菌及游動放線菌為主。Li[48]從海南紅樹林自然保護區中采集黃槿,并且將黃槿的根際土壤、根部、莖部、葉部分別作為樣品進行研究。由于放線菌在自然界中主要棲息的地方是土壤,因此從黃槿的根際土壤樣本中分離得到的放線菌的數量和種類數相對較多,共分離出73種放線菌,包括鏈霉菌屬、原小單孢菌屬、小單孢菌屬、諾卡氏菌屬等共4個屬。從黃槿根部分離出63種放線菌,其中的優勢菌群同樣是鏈霉菌。從黃槿莖部和葉部分別分離出27種和19種放線菌,其中莖部放線菌包括鏈霉菌、諾卡氏菌屬,葉部分離出的放線菌中包括鏈霉菌屬、小單孢菌屬和束村氏菌屬。在研究中,黃槿相較于同為紅樹林植物的海漆和秋菊,黃槿的植株體生長環境最為放線菌所偏好。目前對植物內生菌中內生放線菌的研究也同樣較為集中,不僅是黃槿,還有雷公藤[49,50]、秋茄樹[51]、益智[52]等藥用植物中都發現有鏈霉菌或諾卡氏菌屬。
內生菌的鑒定方法主要包括外觀形態學鑒定、生理生化水平鑒定以及分子生物學鑒定等。黃槿內生菌的鑒定:首先結合《常見細菌系統鑒定手冊》[53]、《真菌鑒定手冊》[54]等,觀察并記錄內生菌菌落的大小、生長速度、顏色、氣生菌絲形態等特征,并且利用光學顯微鏡觀察菌絲顏色、有無產孢、孢子形態、有無橫隔等微觀特征,進行形態學的初步鑒定[55];之后進行生理生化鑒定(包括碳氮源利用能力、酶反應和血清學反應等)[56];最后是進行分子生物學鑒定。Yan等[43]通過克隆真菌核糖體rDNA基因轉錄間隔序列(ITS1-5.8S-ITS2全長序列)測序并與Genbank中已知真菌菌株相應序列比對結果鑒定出內生真菌赤散囊菌(EurotiumrubrumG2)以及內生真菌團青霉(Penicilliumcommune)。2012年,Li[48]將三株放線菌的16S rDNA序列在Ez Txon上進行BLAST比對,應用N-J法構建其系統發育樹確定三株放線菌的系統發育地位,從而初步鑒定菌種。
Li等[40]從黃槿內生真菌GT 20036029中分離得到1個生物堿類化合物,其化學結構為N-(2-羥基苯乙基)乙酰胺(1)。Li等[57]從黃槿內生真菌赤散囊菌的菌絲體及發酵液中分離出14個含吲哚的二酮哌嗪生物堿類化合物。其中有兩個新的生物堿類化合物,分別是(cyclo-L-alanyl-4,5-diisopentenyl-2-(1′,1′-dimethylallyl)-8-(Z)-ene-tryptophan)(2)、(cyclo-L-alanyl-5,7-diisopentenyl-2-(1′,1′-dimethylallyl)-8-(Z)-ene-tryptophan)(3)。Yan等[43]通過固體發酵培養從黃槿赤散囊菌(EurotiumrubrumG2)的提取物中鑒定出18個含吲哚的二酮哌嗪生物堿類化合物(2~19),其中化合物12確定為新化合物,命名為12-nor-12-oxo-eurotechinulin B。并且從黃槿團青霉的提取物中鑒定出2個吲哚類生物堿,分別為化合物3-(3-indolyl)-2-(N-acetyl)-propanoic acid(20)和化合物(3-indolylacetic acid methyl ester)(21)。Du等[47]利用多種分離手段從黃槿內生真菌AspergillussydowiiEN-198的發酵液中分離出2個生物堿類化合物,分別是N-[2-(4-吲哚)乙基]乙酰胺(22)和N-[2-(4-對羥基苯酚)乙基]乙酰胺(23)。化合物22和23分別命名為dehydrovariecolorin L和dehydroechinulin。化合物1~23的結構見圖1。

圖1 黃槿內生菌中生物堿類化合物的結構Fig.1 Structures of alkaloids in H.tiliaceus endophytes
Li等[40]利用多種色譜技術從黃槿內生真菌GT 20036029中分離得到5個核苷類化合物。分別為環(L-脯氨酸-D-異亮氨酸)(24)、環(L-亮氨酸-L-脯氨酸)(25)、環(D-亮氨酸-L-脯氨酸)(26)、環(亮氨酸-酪氨酸)(27)、環(苯丙氨酸-絲氨酸)(28)。Yan等[43]從黃槿內生真菌團青霉的提取物中分離得到多種結構的化合物,其中有3個屬于核苷類化合物,分別為尿嘧啶-2′-脫氧核苷(thymidine)(29)、尿嘧啶(uracil)(30)、胸腺嘧啶(thymine)(31)。Du等[47]利用乙酸乙酯萃取黃槿內生真菌AspergillussydowiiEN-198的發酵液,采用硅膠柱層析、葡聚糖凝膠柱層析以及制備薄層層析等手段分離確定了6個核苷類化合物的結構。分別是環-(S-脯氨酸-S-苯丙氨酸)(32)、環-(S-脯氨酸-S-亮氨酸)(33)、環-(S-苯丙氨酸-S-色氨酸)(34)、胸腺嘧啶脫氧核苷(35)、尿嘧啶脫氧核苷(36)、尿嘧啶核苷(37)。其中化合物32和33為首次從黃槿內生真菌AspergillussydowiiEN-198中提取分離。Liu等[41]從黃槿內生菌草酸青霉(092007)菌菌絲體的丙酮提取物中分離得到6個環二肽類化合物,利用多種波譜技術確定其結構分別為:環(苯丙異亮)二肽(38)、環(苯丙-纈)二肽(39)、環(異亮-亮)二肽(40)、環(纈-纈)二肽(41)、環(脯-纈)二肽(42)、環(脯-甘)二肽(43)。化合物24~43的結構見圖2。

圖2 黃槿內生菌中環二肽與核苷類化合物的結構Fig.2 Structures of cyclic dipeptides and nucleoside compounds in H.tiliaceus endophytes
Yan等[43]從黃槿赤散囊菌(EurotiumrubrumG2)的提取物中鑒定出11個蒽醌類化合物(44~54)。其結構分別為:questin(44)、emodin(45)、citreorosein(46)、emodic acid(47)、erythroglaucin(48)、catenarin(49)、physcion(50)、asperflavin(51)、2-O-methyl-9-dehydroxyeurotinone(53)、2-O-methyleurotinone(53)、9-dehydroxyeurotinone(54)。其中化合物54為新化合物。化合物44~54的結構見圖3。

圖3 黃槿內生菌中蒽醌類化合物的結構Fig.3 Structures of anthraquinones in H.tiliaceus endophytes
Yan等[43]從黃槿赤散囊菌(EurotiumrubrumG2)提取物中鑒定出1個多取代苯類化合物(55),確定其結構為isodihydroauroglaucin。并且從黃槿團青霉的提取物中鑒定出2個多取代苯類化合物,分別為2′,4′-dihydroxy-3′,5′-dimethylacetophenone(56)和2,5-dihydroxybenzeneacetic acid(57)。Li等[58]從來源于海南半紅樹植物黃槿的內生真菌赤散囊菌(Eurotiumrubrum)的菌絲體及發酵液的提取物中分離并鑒定了6個苯甲醛類衍生物的結構。分別為(E)-6-hydroxy-7-(3-methyl-2-butenyl)-2-(3-oxobut-1-enyl)chroman-5-carbaldehyde(58)、2-(1′,5′-heptadienyl)-3,6-dihydroxy-5-(3-methyl-2-butenyl)benzaldehyde(59)、isotetrahydroauroglaucin(60)、isodihydroauroglaucin(61)、2-(2′,3-epoxy-1′,3′-heptadienyl)-6-hydroxy-5-(3-methyl-2-butenyl)benzaldehyde(62)、2-(2′,3-epoxy-1′,3′,5′-heptatrienyl)-6-hydroxy-5-(3-methyl-2-butenyl)benzaldehyde(63)。其中化合物58和59為新化合物。化合物55~63的結構見圖4。

圖4 黃槿內生菌中多取代類化合物的結構Fig.4 Structures of polysubstituted benzene compounds in H.tiliaceus endophytes
Li等[40]利用多種色譜技術從黃槿內生真菌GT 20036029中分離得到2個三萜類化合物,分別為(25S)紐替皂苷元-3-O-α-L鼠李糖-(1→2)β-D葡萄糖苷(64)和(25S)異紐替皂苷元-3-O-α-L鼠李糖-(1→2)β-D葡萄糖苷(65)。Yan等[43]從黃槿赤散囊菌(EurotiumrubrumG2)的提取物中鑒定出1個三萜類化合物,確定其化學結構為zeorin(66)。并且從黃槿團青霉的提取物中鑒定出4個三萜類化合物(67~70),分別為麥角甾醇((22E,24R)-ergosta-5,7,22-trien-3β-ol)(67)、fumigaclavines A和B(68)、penitrem A and roquefortine(69)和啤酒甾醇((22E,24R)-ergosta-7,22-dien-3β,5α,6β-triol)(70)。Du等[47]從黃槿內生真菌AspergillussydowiiEN-198的發酵液中分離出2個三萜類化合物,分別為過氧化麥角甾醇(71)和麥角甾醇(72)。化合物64~72的結構見圖5。

圖5 黃槿內生菌中三萜類化合物的結構Fig.5 Structures of triterpenoids in H.tiliaceus endophytes
Du等[47]從黃槿內生真菌AspergillussydowiiEN-198中分離出1個萜類化合物為(1S)-1-(4′-間羥基苯甲酸)-1,1,5,5-二甲基己二醇(73),以及2個酰胺類化合物分別為(2S,2′R,3R,3′E,4E,8E)-N-(2′-羥基-3′-十六烯酰基)-9-甲基-4,8-二十碳二烯-1,3-二醇(74)和1-O-β-D-葡萄糖基-(2S,2′R,3R,3′E,4E,8E)-N-(2′-羥基-3′-十六烯酰基)-9-甲基-4,8-二十碳二烯-1,3-二醇(75)。Li等[46]采用溶劑萃取?柱色譜層析及制備HPLC等方法對1株分離自廣西紅樹林植物黃槿的內生真菌Penicilliumsp.LD-68菌株發酵產物進行化學結構鑒定。分離得到5個苯并多元環類化合物,其結構分別鑒定為curvularin(76)、dehydrocurvularin(77)、11-β-hy-droxy-12-oxocurvularin(78)、11-β-hydroxycurvularin(79)和11-α-hydroxycurvularin(80)。Li等[40]利用多種色譜技術從半紅樹植物黃槿內生真菌GT 20036029中分離得到1個皂苷類化合物,為腦苷脂B(81)。Yan等[43]從黃槿團青霉的提取物中鑒定出3個其他類型化合物(82~84),分別為1-O-(2,4-dihydroxy-6-methylbenzoyl)-glycerol(82)、1-O-acetyl-glycerol(83)和(4R,5S)-5-hydroxyhexan-4-olide(84),其中化合物82為新化合物。化合物73~84的結構見圖6。

圖6 黃槿內生菌中其他類化合物的結構Fig.6 Structures of other compounds in H.tiliaceus endophytes
黃槿具有抗炎的藥理作用[10],且黃槿內生菌會產生與黃槿相同或相似的結構,因此對于黃槿內生菌代謝產物抗菌活性的研究具有意義。Du等[47]從海南東寨港的海洋紅樹林植物黃槿葉中分離到的一株內生真菌AspergillussydowiiEN-198,利用多種分離手段從發酵液中分離得到14個化合物,以金黃色葡萄球菌為供試菌株,利用濾紙片擴散法測試了所有化合物的抑菌活性。其中發現曲酸表現出較好的抑制活性,在加樣量為100 μg/碟時,抑菌圈直徑為10 mm,陽性對照抑菌圈直徑為22 mm。根據Li[59]的研究表明,曲酸對大腸桿菌也具有良好的抑菌效果,且熱穩定性強。同時,化合物23也表現出一定的抑制活性,該化合物的抑菌活性為首次報道。Yan等[43]對黃槿內生真菌赤散囊菌(EurotiumrubrumG2)次級代謝產物的生物活性研究中,發現在抗菌活性測試中化合物54對大腸桿菌表現出一定的抗菌活性。根據Bi等[60]研究,化合物45對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌具有顯著的抑制作用。在Wakuliński[61]的實驗中,化合物49也同樣表現出抗菌活性。Lin等[36]采用瓊脂塊法對分離出的黃槿內生真菌進行抑菌實驗,實驗結果表明分離出的17株黃槿內生菌具有抗菌活性,其中有4株對至少一種微生物具有抗菌活性。
據現有研究結果,在紅樹林植物內生真菌的次級代謝產物中,經常能發現具有抑制腫瘤的藥理作用,并且有些化合物的抗腫瘤活性較強,有望能開發為新的抗腫瘤藥物[62,63]。黃槿作為半紅樹林植物,近年來有許多研究人員從其代謝產物中發現具有良好的抗腫瘤活性,以期可以為新型藥物研發提供前體化合物。Li等[46]從廣西黃槿中分離得到一株內生真菌Penicilliumsp.LD-68,以其作為供試菌種對其次級代謝產物以及其生物活性進行研究。通過采用溶劑萃取、柱色譜層析及制備液相色譜等方法對菌株發酵產物進行分離,得到5個彎孢霉菌素類化合物。利用SRB和MTT法評價化合物的抗腫瘤活性,以A549、Hela、BEL-7402、K562這4種人腫瘤細胞株作為指示細胞。經實驗表明,化合物76~80對4種指示細胞具有不同程度的抑制作用。其中化合物77~80對Hela細胞生長具有顯著抑制作用,表現出較好的抗腫瘤活性。并且化合物77~80對4種腫瘤細胞系的細胞毒活性為首次發現。Liu等[41]從草酸青霉(Penicilliumoxalicum)菌絲體的丙酮提取物中分離得到6個環二肽類化合物,并且用MTT法評價各化合物對肝癌細胞HepG-2和前列腺癌細胞LNCaP生長的抑制作用。其中化合物39、40和42在50 μg/mL下對肝癌細胞HepG-2的抑制率分別為31%、32%、17%,對前列腺癌細胞LNCaP抑制率分別為50%、43%、53%,具有一定的細胞毒活性。Li等[40]從海南半紅樹林植物黃槿中分離得到內生菌真菌GT 20036029,并且應用多種色譜技術從中分離得到9個化合物。其中化合物64顯示出較好的腫瘤細胞抑制活性。在對其進行腫瘤細胞生長抑制活性篩選中發現,螺環部分的結構可能為其活性官能團。Yan等[43]在對黃槿內生真菌赤散囊菌(EurotiumrubrumG2)代謝產物的研究中,鑒定了32個化合物的結構式,苯甲醛類化合物、蒽醌類化合物、含吲哚的二酮哌嗪生物堿類化合物這三類化合物是赤散囊菌代謝產物的主要結構類型。其中化合物14對人肝癌細胞SMMC-7721、化合物55對人胰腺膽管癌細胞sw1990和人前列腺癌細胞Du145表現出較強的抑制活性(IC50分別為11、10、15 μg/mL)。在Wang等[64]的研究中,化合物14~16表現出較弱的細胞毒活性及抗氧化活性。根據Zhang等[65]的研究,化合物56在體外實驗中可對多種植物病原真菌表現出抑制活性。Li[48]使用“杯碟法”對分離出的放線菌進行嗜殺酵母系統模型初蹄,結果分離出的184株黃槿共附生的放線菌中有155株顯示了對酵母嗜殺系統的抑制作用。在隨后的細胞毒活性的檢測中,結果顯示其中87株黃槿的共附生放線菌有強的細胞毒活性。對酵母嗜殺系統的抗性較強的菌主要分布在黃槿的根際土壤及其根部,其中分離自黃槿根部的2株放線菌活性強于利巴韋林陽性對照(82%)。結果表明黃槿土壤中分離出的活性放線菌數量最多,根部次之,莖部最少。
半紅樹植物黃槿,是在潮間帶生存的兩棲木本植物,有重要的生態功能。由于其生長環境具有高鹽、強光照、缺氧等特點,使得黃槿生境適應性獨特,既可在海灘上成為優勢樹種,又能在陸地環境自然繁殖。這一特點造就了黃槿內生菌特殊的代謝途徑,使其成為新型天然產物的來源之一。當前,由于抗菌藥物濫用,使得致病菌耐藥性增強等問題頻頻出現[66,67],抗腫瘤藥物由于癌癥治療理念的升級,也同樣亟待新型天然藥物的開發利用[68]。現代藥物的30%~60%與天然產物相關,通過對天然產物的改造和利用是新藥開發的重要手段之一[69,70]。但是從普通的微生物資源中難以得到結構新穎的新骨架化合物,因此藥用植物內生菌以及海洋產物逐步引發關注。根據Schafhauser等[71]研究,中藥紫菀中具有抗腫瘤活性的環肽astins,是由其內生真菌Cyanodermellaasteris通過非核糖體途徑合成的主要骨架。此發現有助于該化合物更好地生產研發,同時也證明了藥用植物內生菌及其次級代謝產物的研究價值。另有研究,從海洋曲霉天然產物Aspergillussp.CNC-139中衍生出血管阻斷劑plinobulin(NPI-2358),用以治療轉移性的晚期非小細胞肺癌[72]。由此根據黃槿內生菌及其代謝產物具有抗菌、抗腫瘤等活性的現有報道,有望將其中結構新穎,特異性強,具有顯著藥用的活性分子,與基因組學、分子生物學等技術結合創制新藥。