内生真菌与植物相互作用的研究

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内生真菌(endophytic fungi或fungal endophyte),是指那些在其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织和器官内部的真菌,被感染的宿主植物(至少是暂时)不表现出外在病症,可通过组织学方法或从严格表面消毒的植物组织中分离或从植物组织内直接扩增出微生物DNA的方法来证明其内生。植物内生真菌几乎存在于所有目前已研究过的植物中,分布广,种类多。内生真菌与植物之间存在共生关系,这主要表现在:一方面植物为内生真菌提供光合产物和矿物质;另一方面内生真菌的代谢物能刺激植物的生长发育,阻抑食草动物的采食,并能提高植物对病虫害和非生物胁迫的抵抗能力。 黄花蒿(Artemisia annua L.),又名黄蒿、青蒿,为菊科一年生草本植物。青蒿素(artemisinin)是由我国学者于七十年代初期首次从黄花蒿中分离出来的抗疟有效单体,是含过氧基团的倍半萜内酯,为一种高效抗疟新药。青蒿素具有高效、速效、低毒的特点,优于其它抗疟疾药物,特别是对脑型及抗氯喹恶性疟疾有特殊疗效。青蒿素还具有免疫抑制和细胞免疫促进作用、抗流感作用。青蒿素虽已能人工合成,但成本高,难度大,未能投入生产。而野生或人工栽培黄花蒿青蒿素含量均较低,且受自然条件影响很大,所以生物技术及生化工程技术的研究应用显得愈来愈重要。 黄花蒿生长茂盛,分布广泛,能在各种地理条件下生存,生命力极强,很少产生虫害,病害。那么,黄花蒿本身良好的适应性和抗逆性,是否与某些内生真菌的存在关系? 基于这种假设,我们对黄花蒿的内生真菌及其代谢产物进行了深入的化学分析与生物学功能研究,力图揭示该植物中的内生真菌与宿主之间的关系。 Fusaruside 是我们课题组首次发现并报道的一种新型的脑苷脂类化合物。它是从栓皮栎(Quercus wariabilis BL.)内生真菌12-1 代谢产物的氯仿:甲醇(1:1,v:v)部位中分离得到的。本课题组以往的研究发现,Fusaruside具有较强的抗Bacillussubtilis(枯草芽胞杆菌)、Escherichia coli(大肠杆菌)和Pseudomonas fluorescence(荧光假担孢杆菌)活性,MIC值分别为3.9μg/mL,3.9μg/mL,和1.9μg/mL。Fusaruside对黄嘌呤氧化酶也有抑制作用,其IC50为43.8±3.6 μM。 本论文在前期研究的基础上,研究了Fusaruside与黄花蒿发根青蒿素的生物合成以及与黄花蒿发根抗寒能力之间的关系。主要结果如下: 1.从南京市,安徽省琅玡山和重庆市13个采样地点采集的黄花蒿中分离得到60株内生真菌,其中从茎中分离的内生真菌所占比例最高,达66.7%。同时对本实验室保种的49株黄花蒿内生真菌进行了活化。通过核磁共振和薄层层析的方法对所有黄花蒿内生真菌发酵产物进行筛选,最终筛选出3株内生真菌,分别是:4#,7#,Ar2叶-1。对筛选出来的黄花蒿内生真菌的发酵产物进行更深一步的化学分析,最终得到Fusaruside的高产菌株。 2.首次证明脑苷脂类化合物—Fusaruside对Artemisia annua L.发根青蒿素的生物合成有促进作用,同时还可以增强Artemisia annua L.发根的抗寒能力。用6μM Fusaruside 处理 Artemisia annua L.的发根,青蒿素的含量达到0.97 mg/g DW,与对照组相比增加了53.97%。5℃低温处理48 h后,6 μM Fusaruside处理组的LT50为-12.42℃,对照组为-10.48℃;可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸的含量均分别为32.14 mg/g、11.08 mg/g、1.542 mg/g,分别比对照组增加23.57%、31.90%、47.84%;丙二醛含量为0.3625 μmol/g,比对照组减少33.64%。抗氧化酶系CAT、POD和SOD的活性分别达到24.59 unit/g FW min、5.785 unit/g FW min和1.349 unit/mg FW,分别比对照组增加119.55%、195.45%和129.03%。另外,黄花蒿发根的DNA琼脂糖凝胶电泳显示Fusaruside有可能是一种植物细胞程序性死亡的诱导因子。 3.在无菌条件下,首次进行了内生真菌12-1与黄花蒿发根的体外共培养,为进一步研究12-1的代谢产物—Fusaruside对黄花蒿发根生长及青蒿素合成的影响,以及进一步探讨内生真菌与植物之间的相互作用提供了理论依据。 4.首次分离、纯化了Artemisia annua L.发根的低温诱导抗冻蛋白,并发现脑苷脂类化合物—Fusaruside对黄花蒿发根中抗冻相关蛋白的表达有一定的影响。经HPLC纯化后,Fusaruside 处理组与对照组的抗冻蛋白电泳条带有明显的区别。其中59KD蛋白的含量与Fusarlaside的浓度有一定关系,6/μM Fusaruside处理组的含量最高,10 μM和3 μM Fusaruside的含量次之,对照组的含量最少;45KD 蛋白出现在3个Fusaruside处理组中,并且6μM和10μM Fusaruside处理组的蛋白含量多于3μM Fusaruside的处理组;而32KD蛋白仅出现在3/μMFusaruside处理组中,且含量很低。 5.首次证明脑苷脂类化合物—Fusaruside对玉米、水稻、油菜和黄花蒿种子的萌发具有促进作用。低浓度Fusaruside就可以显著促进种子萌发,0.01 mmol/L处理组的效果最好。 本研究为探讨内生真菌代谢产物与植物之间的相互作用、黄花蒿发根中青蒿素生物合成及调控、黄花蒿发根抗逆境能力及机制提供了科学依据,为青蒿素的大规模生产提供了广阔的应用前景。
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