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乌头内生菌及其代谢物在农业领域的研究进展论文

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  关键词:乌头,内生菌,次级代谢物,病虫害,研究进展

  乌头(Aconitum carmichaeli Debx.),别名独白草、奚毒、乌喙、土附子等,分类学中属毛茛科(Ranunculaceae)乌头属(Aconitum)草本植物,从全球范围来看,在亚洲分布居多,欧洲和北美洲次之。在我国,除了海南省外,其在其他各省份均有分布,主要分布于我国西南地区(包括云、贵、川等)的高山地带及青藏高原地区[1],约200余种。乌头属可分为三个亚属,分别为牛扁亚属、乌头亚属和露蕊乌头亚属[2]。其中,乌头亚属约150余种,而露蕊乌头亚属只有1种[3]。相关研究表明,露蕊乌头亚属是从乌头亚属中分化而来的[4]。在我国,乌头主要被视作药用植物,多以块根入药,极少以全株入药,具备扶阳救逆、祛风除湿、温经止痛、补火助阳的功效,具有极高的药用价值和较为广阔的开发前景[5]。

乌头内生菌及其代谢物在农业领域的研究进展论文

  近年来,随着农产品质量安全和绿色有机农业的不断发展,人们对药用植物生物碱在杀虫[6]、抑菌[7]等方面的研究与应用逐渐增多。植物内生菌指的是植物体内与植物形成共生关系的微生物,与植物存在互利共生的关系,植物为其提供合适的环境和营养物质,而内生菌通过与植物的相互作用,为植物提供一系列有益功能[8]。植物内生菌的主要种类有内生真菌、内生细菌和内生放线菌[9-10],且绝大多数内生菌可以产生与宿主植物相同或相似的次生代谢产物[8-11]。具有杀虫抑菌活性的植物较为常见,但由于其自身具有的生长条件苛刻、生长周期较长及人工采集难度较大等特点,导致难以实现相关产业的工业化生产。而植物内生菌可以通过人工培养的方式进行大规模生产,是解决以上问题的有效手段。研究表明,乌头内生菌及其次生代谢物具有较好的促进植物生长[12-13]和杀虫抑菌的功能。本文通过梳理相关文献,对乌头内生菌的种类分布、乌头及其内生菌的活性成分、乌头内生菌在植物病虫害防治方面的应用和作用机制,以及当前国内外有关乌头内生菌的研究水平展开综述,以期为我国生物源农药的研发和应用,以及现代农业生态的可持续发展提供理论基础和参考依据。

  1乌头内生菌

  1.1种类

  乌头内生菌包括真菌、细菌和放线菌三类,但当前关于放线菌的研究报道并不多。从2008年至今,在发现的植物内生菌中,子囊菌亚门、半知菌亚门和接合菌亚门的真菌相对来说比较多,例如曲霉属[14-15]、毛霉属[16-17]、青霉属[18]等;同时,对细菌中的假单胞菌属[13]、芽孢杆菌属[19-21]等也有相关研究。

  1.2分布

  乌头内生菌在乌头的各个部位均有分布,包括根、茎、叶、花、种子[7,18]。具体而言,其主要分布在根部,其次是茎部,再其次是种子、花、叶,且在乌头的侧根处分布最多。不同季节,乌头内生菌的群落结构会发生变化,例如,对于内生细菌而言,植株生长旺盛期>植株生长采收期>植株生长苗期[22-23]。当前,对乌头根部和茎部内生菌的研究更多。

  2活性成分

  2.1乌头中的活性成分

  乌头中的活性成分主要有生物碱、类固醇、黄酮、糖苷等化合物,而其中发挥主要作用且被广泛研究的是异戊烯二萜类生物碱。二萜生物碱主要包括C18-型、C19-型和C20-型二萜生物碱,以及双二萜类,分别为乌头碱、次乌头碱、新乌头碱、苯甲酰乌头原碱[24]。

  近年来,对于C18二萜生物碱中高乌宁碱、冉乌宁碱和C19中川乌头碱、牛扁碱的相关研究较多。此外,最近有学者从乌头侧根中发现了两个C21磺化生物碱[25],该发现扩展了乌头活性成分的种类。而在对乌头活性成分的研究中,共发现了19个新的二萜生物碱。其中,发现最多的是C19二萜生物碱,共有15个,分别是从宾川乌头、短距乌头、黄草乌、保山乌头和玉龙乌头这5种乌头中分离出来的[26-27]。另外,从白喉乌头和黄草乌中发现了2个C18二萜生物碱,从剑川乌头和新疆乌头中发现了2个C20二萜生物碱[27-29]。

  2.2乌头内生菌的活性代谢物

  植物内生菌大多都具有产生与其宿主相同或相似化合物的能力。近年来,从乌头内生菌中提取到的化合物中约有20种具有一定活性的次级代谢物,其主要从半知菌门和子囊菌门真菌中提取而来宿主包括碧江乌头[15]、黄草乌[30]、花莛乌头和直缘乌头[31]等。2017年,李桂琼等[15]从碧江乌头中分离得到了4个新的二萜生物碱,分别为8-甲基塔拉胺、查斯曼宁、滇乌碱和粗茎乌头碱甲。2018年,何丹等[30]从直缘乌头中首次分离出了13个化合物,包括过氧麦角甾醇、腾毒素、百日菊链格孢醇和拟盘多毛孢H2倍半萜内酯等。2022年,李幸[31]从黄草乌和花莛乌头内生菌中提取出了19种化合物,其中,麦角甾醇-5,8-过氧化物、demethylincisterol A3、methyl 12,13-epoxyoleate、交链孢醇和3,5-二羟基苯甲酸这5种化合物是首次从乌头内生真菌及其次生代谢物中被发现的。乌头内生菌的具体种类分布如表1所示。

  3乌头内生菌的作用范围

  3.1病害防治范围

  有研究发现,乌头内生菌及其次级代谢物对一些植物病原物具有较好的抑制作用。李治滢[17]等从乌头中分离得到了3株抗菌广谱的菌株,分别是曲霉属、毛霉属和毛壳菌属的内生真菌。赵国玉和阿依乃再·孜亚克[19-21]等从准噶尔乌头中分离出的短小芽孢杆菌对苹果斑点落叶病病菌、玉米大斑病病菌、玉米小斑病病菌具有拮抗作用;同时,分离得到的枯草芽孢杆菌,不仅对以上几种病原物有拮抗作用,对西瓜枯萎病、葡萄白腐病也具有拮抗作用,因此也属于抗菌谱广的菌株。此外,相关研究发现,从白喉乌头中提取出的总生物碱不仅对菌丝生长有显著的抑制作用,还可以抑制病原菌的孢子萌发[32]。

  3.2虫害防治范围

  乌头内生菌及其产生的次级代谢物具有一定的杀虫作用,可用于防治多种害虫[32-34]。其中,主要对鳞翅目、半翅目和同翅目的害虫有抑制效果,如甜菜夜蛾[33]、小菜蛾、菜青虫、黏虫、蜀柏毒蛾[24]、蚜虫(桃蚜[6]、棉蚜[32])、白背飞虱和褐飞虱[34]等。对于上述害虫的抑制,乌头内生菌的生物碱可能表现出多种生物学活性,包括触杀作用、麻醉作用、拒食作用和杀卵作用。

  相关研究表明,乌头碱作为一种神经毒剂,主要通过干扰动物神经递质的正常释放和传递过程来发挥作用[35-36]。乌头碱主要影响的是神经系统中的乙酰胆碱受体(Acetylcholine Receptor,AChR),其可作为乙酰胆碱(Acetylcholine,ACh)的拮抗剂结合到神经细胞中的AChR上,从而阻断ACh的信号传递过程。目前,乌头内生菌的乌头碱对害虫的确切灭杀机制尚未得到充分验证,国内对此方面的研究也较少。2010年,陈小平[24]发现川乌头总生物碱可以作用于乙酰胆碱酯酶,使Na+、K+-ATP酶活性发生变化,并对昆虫的解毒酶羧酸酯酶也有影响。2016年,东建丽[37]从高乌头和露蕊乌头内生真菌中分离出了2个化合物,并发现其在一定程度上可以抑制单胺氧化酶的活性。

  3.3对植物的作用

  乌头内生菌对植物的作用可以表现为抑制或促进植物生长,具体效果取决于乌头内生菌的种类及其与植物的相互作用。针对乌头内生菌对植物作用的研究,大部分学者通过浸渍法探讨乌头内生菌发酵液和代谢物对植物生长和种子萌发的影响的;也有的学者通过刺伤法和灌根法对目标植物接种菌株进行研究。研究发现,高乌头中的生物碱对五爪金龙的种子萌发期、幼苗生长期有较强的抑制作用[38]。2015年,张鑫[39]从乌头中分离出了一种对小麦具有促生作用的细菌,经鉴定发现,其为草螺菌属(Herbaspirillum)。罗兴等[13]从乌头中分离出了能够产生吲哚乙酸的内生菌,具有促进水稻幼苗生长、提高水稻种子发芽率的作用。此外,研究还发现,产吲哚乙酸的内生菌具有溶解磷钾、固氮能力[12]。

  当前,对乌头的相关研究多集中在医药领域,包括乌头汤治疗某些疾病的作用机制[40-41]、乌头活性成分对蛋白激酶C等信号通路的调控[42]和乌头碱对细胞凋亡的影响及作用机制[43-44]等方面。然而,对乌头内生菌及乌头在农业方面的探索研究仍较为匮乏且相对趋于浅表。其中,对于花卉观赏,国内在此方面的研究才刚起步;同时,其在家畜应用方面的研究更是十分罕见。

  4问题

  目前,关于乌头内生菌及其代谢物的研究仍处于初级阶段,研究成果尚未被广泛应用于农药研发及农林病虫害防治领域。同时,乌头内生菌作为一种生物资源,在生物源农药的研发和应用过程中,可能会面临一些问题和挑战。第一,毒性和安全性,乌头植物本身含有高毒性生物碱,以乌头碱为主。如果开发乌头内生菌作为农药,则需仔细评估其毒性和安全性,确保其使用不会对人体、动物和环境造成不良影响。第二,研究技术难题,提取和纯化乌头内生菌的有效成分可能面临着一定的技术难题。这些化合物的结构复杂,可能存在稳定性和纯度方面的挑战。第三,抗药性和副作用问题,农药的长期使用可能会导致害虫和病原体的抗药性进化,且由于乌头内生菌及其次级代谢物还未得到广泛使用,故而其抗药性问题尚不明确。在此基础上,乌头内生菌及其次级代谢物对天敌昆虫(捕食性瓢虫、草蛉等)和传粉昆虫(蜜蜂、食蚜蝇、蝴蝶等)等是否有杀伤作用还需进行系统性生态评估。第四,可持续性和效果评估问题,开发农药需综合考虑其可持续性和环境效应,农药必须具备有效的杀虫、杀菌或除草效果,并在目标使用条件下保持稳定性和持久性。此外,在乌头内生菌及其次级代谢物作为生物源农药的研发过程中,还应综合考量和评估农药的溶解性、残留期、降解产物等安全性问题。

  5展望

  乌头内生菌及其代谢物在农林病虫害防治领域的研究和应用具有巨大的潜力。随着对乌头内生菌及其代谢物的研究不断深入,相关人员将能够更好地理解其在生物农药和植物保护方面的作用机制,并开发出更加安全、高效的农药和生物控制手段。乌头内生菌及其代谢物作为天然存在的微生物资源,具有广泛的生物活性和抗菌、杀虫能力。通过深入研究这些微生物中的生物活性物质,可以开发新的生物农药,为农业生产提供更安全、高效和环保的防虫害手段。同时,随着农药抗性的日益严重和农残问题的加剧,开发绿色生物防治手段变得至关重要。乌头内生菌和其代谢物作为一种自然存在的微生物群体,可以与植物形成共生关系并发挥生物防治作用。深入研究乌头内生菌与作物之间的互动机制,并利用其代谢物抑制病原菌和害虫的生长与繁殖,有助于构建更绿色健康的农业生态系统,降低传统农药的使用频率以及农业生产对环境的负面影响。乌头内生菌是一种常见的微生物资源,通过解析其代谢物的合成途径和代谢调控机制,有望进一步加深对微生物在环境中的生存与适应策略的探索;通过对乌头内生菌及其代谢物研究成果加以利用,未来有望持续开发新的微生物资源利用方式,例如生物修复和生物转化等。此外,微生物资源的可持续开发和利用,对于拓展微生物资源产业的发展空间至关重要。未来,进一步深化对乌头内生菌多样性和功能性的探索并且挖掘更多新颖的生物活性物质,必将成为该领域的学术研究热点之一。这不仅可以作用于当前生物源农药的研发和应用方向,还可以更好地助力现代农业的可持续发展。

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