微生物论文范文

2019-10-12 版权声明

微生物论文

微生物论文篇1

【摘要】植物体内大量分布的微生物对植物产生的影响已成为人们关注的热点,特别是那些有益的影响可对植物的生长及活性成分的形成产生一定的作用。甘草作为一种大宗中药,其栽培品的质量一直是人们所关心的问题,甘草有益微生物对提高甘草的品质有重要作用。该文综述了甘草有益微生物的研究进展,以期对提高栽培甘草的质量起到指导意义。

【关键词】甘草;内生菌;根瘤菌;菌根真菌

甘草是豆科甘草属(Glycyrrhiza)植物,其根及根茎为常用中药,市场需求量大。近年来,随着野生甘草资源的急剧减少,且国家明令禁止采挖野生甘草,使甘草供求矛盾日益尖锐。在这种情况下,对甘草资源的保护性利用及栽培甘草势在必行。近年来,随着人工甘草种植面积的逐年加大,提高甘草的质量成为亟待解决的一个关键问题。相关研究表明,植物有益微生物可以产生促植物生长的活性物质,提高植物固氮性能,促进植物对恶劣环境的适应,加强系统的生态平衡,保证寄主植物健康生长。因此本文就近年来甘草有益微生物的研究进展进行综述,以期对提高栽培甘草的质量有指导意义。

1甘草内生菌的研究现状

内生菌是指一生或至少一生中的某个阶段能进入活体植物组织内,并且不引起明显组织变化的真菌或细菌[1,2]。1993年,Strobel等[3]从短叶红豆杉TaxusbrevifoliaNutt的树皮中分离出二百多种微生物,其中有一株内生真菌Taxomycesandreanae能产生紫杉醇,这一研究结果引起学者对内生菌的广泛兴趣。目前,人们已经从长春花、千层塔、银杏、厚朴等多种植物中分离得到了内生菌,并取得了一些成果。

有学者对甘草内生菌也进行了研究,发现内生菌对甘草产生一系列作用。宋素琴等[4]对采自新疆的健康野生胀果甘草不同组织中的内生菌进行分离,并纯化得到149株细菌和2株真菌,鉴定得出149株细菌分属于13个属,2株真菌分属于青霉菌属Penicillium和镰刀菌属Fusarium。有学者发现内生菌可通过拮抗病原菌促进甘草生长。饶小莉等[5]从乌拉尔甘草健康植株的根茎叶中共分离到内生细菌98株,并采用平板对峙方法筛选出6株菌株,其对植物病原菌有明显体外拮抗活性,鉴定这6株拮抗菌株分属萎缩芽孢杆菌(Bacillusatrophaeus)、多粘类芽孢杆菌(Paenibacilluspolymyxa)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、Paenibacillusehimensis。龚明福等[6]采用无菌操作技术从野生健康甘草Glycyrrhizauralensis的根、茎、叶、种子、根瘤等组织中分离出内生细菌(Endophyticbacteria)125株,其中31株对棉花枯萎病菌(Fusariumoxysporum)、棉花黄萎病菌(Verticilliumdahliae)具有较强的拮抗活性,这31株内生细菌分属于气芽孢杆菌属(Aerobacillussp.)、气单胞菌属(Aeromonassp.)、芽孢杆菌属(Bacillussp.)、黄单孢杆菌属(Xanthomonassp.)、假单胞杆菌属(Pseudomonassp.)、土壤杆菌属(Agrobacteriumsp.)。另有研究发现,从甘草中分离的有些内生菌还可产生活性物质。韦革宏等[7]从乌拉尔甘草和光果甘草中共分离得到68株内生菌,从中筛选出一个来自乌拉尔甘草的菌株Mesorhizobiumsp.CCNWGX022,从该菌株发酵液的石油醚提取物中分离得到了十八烷酸内酯Rhizobialide,是第一次从内生菌中得到此类物质。另有学者研究了内生菌在甘草不同部位及不同月份的数量变化趋势。林世利等[8]分离出不同月份苦豆子、骆驼刺、苜蓿、铃铛刺、甘草不同部位的内生细菌,研究阿拉尔地区豆科植物内生细菌种群动态。结果显示5月份的苦豆子和甘草植株、8月份的苜蓿植株、9月份的铃铛刺和骆驼刺植株的内生细菌的种类最多。内生细菌种类的分布规律依次为苦豆子中叶>茎>根>种子>花,苜蓿中根>叶>茎>花>种子,铃铛刺中茎>叶>种子>花>根,骆驼刺中根>茎≥叶>种子>花,甘草中茎>根>叶>种子>花。5种豆科植物生长期中总带菌量平均值在各个月份变化趋势不同,并且各个月份的带菌量处于交替变化之中,说明不同月份5种豆科植物内生细菌的种类和数量不同,同种豆科植物不同组织部位的内生细菌的种类和数量有差异。

2甘草根瘤菌的研究现状

根瘤菌是与豆科植物共生,形成根瘤并固定空气中的氮气供植物营养的一类杆状细菌。这种共生体系具有很强的固氮能力。根瘤菌分快生和慢生两种类型,为化能异养菌。目前有学者已经从甘草中分离得到根瘤菌并进行了一些相关研究。

目前对甘草根瘤菌的研究多体现在根瘤菌的分类上。杨雪颖等[9]通过对西北干旱半干旱地区68株甘草根瘤菌的表型多样性和抗逆性分离研究,发现1个新类群和1个具有较高抗逆性的菌株。对新类群的中心菌株CCNWGX022和高抗性菌株CCNWGX035进行16SrDNA全序列测定及系统进化研究。结果表明,CCNWGX022和CCNWGX035与中慢生根瘤菌属内参比菌株的16SrDNA相似性分别大于96.8%和98.3%,判定它们均属于中慢生根瘤菌属。谷峻等[10]采用表型数值分类、16SrDNAPCR-RFLP分析和BOX-PCR指纹图谱分析的方法对中国北方地区的甘草根瘤菌进行表型、遗传多样性分析。供试菌株在数值分类聚类分析中约85%的相似水平上产生2个表观群,有11株菌未与已知参比菌株聚群。16SrDNAPCR-RFLP分析表明,供试的20株菌共产生14种遗传型,表现出丰富的遗传多样性。BOX-PCR指纹图谱分析进一步证明与甘草共生的根瘤菌的基因组也具有多样性。由此得出结论:在中国北方地区与甘草共生的根瘤菌在Sinorhizobium、Rhizobium和Mesorhizobium属中均有分布。

3甘草菌根真菌的研究现状

菌根是土壤中某些真菌与植物根的共生体。凡能引起植物形成菌根的真菌称为菌根真菌,大部分属担子菌亚门,小部分属子囊菌亚门。菌根真菌与植物之间建立相互有利、互为条件的生理整体,并各有形态特征,这是真核生物之间实现共生关系的典型代表。根据形态和解剖学的特征,又把菌根分为外生菌根和内生菌根两大类。有学者对甘草菌根真菌进行研究发现菌根真菌可促进甘草的生长。饶小莉等[11]分离了甘草的VA菌根,并用三叶草进行单孢繁殖,将繁殖后的菌根真菌回接甘草,结果发现接种了菌根真菌的甘草植株笔长、根粗、茎叶干重和根干重都有较大程度的提高,均比对照显著增加,并且不同处理对植株生长影响不同,得出结论接种VA菌根真菌显著促进了甘草的营养生长。JingnanLiu等[12]用两种AM菌根真菌Glomusmosseae与Glomusversiforme接种甘草,结果显示接种的甘草相对于对照组在生长的早期和晚期有显著提高,叶摄取磷的量比对照组多,并且根中甘草酸的浓度有所升高,但根部氧化酶活性相对降低了,由此得出结论接种AM菌根真菌有可能成为提高甘草药用价值的有效途径。

4甘草其他微生物学相关研究现状

近年来,对甘草微生物学转化等方面的研究工作也取得了一定成果。谢毛成[13]利用发根农杆菌的Ri质粒,以光果甘草种子胚萌发形成的实生苗不同部位为外植体,成功诱导出光果甘草毛状根,并利用TLDNA中rolC序列中的特异性引物,应用PCR技术对光果甘草毛状根进行了分子水平的鉴定,并利用理化手段对毛状根转化后产生的冠瘦碱进行了薄层定性鉴定,从不同水平上证实了光果甘草毛状根核基因组中已整合了外源Ri质粒的T-DNA片段。燕飞等[14]利用发根农杆菌R1601对药用植物胀果甘草(GlycyrrhizainflatBat)进行转化,诱导其产生发根。在发根诱导过程中,分别用不同菌液浓度、不同浸染时间对胀果甘草子叶、胚轴进行转化处理,统计、比较各条件下的发根率,结果表明,用稀释2倍的菌液浸染子叶8min时,发根诱导率最高,为56.49%。何晨等[15]用一株产β-葡糖醛酸酶的菌种HC-12对甘草进行液体发酵转化。通过对菌种复合诱变以及应用系统数值化及灵敏值系统调控技术优化了发酵工艺,把甘草中不足0.1%的甘草次酸的含量提高了20倍以上。经过柱层析及HPLC及1HNMR鉴定分离得到了甘草次酸纯品,并通过动物实验验证了发酵甘草于未发酵的生品对照甘草具有抗炎活性和镇痛作用显著性效果。

5小结

内生菌对甘草的有益作用体现在:①内生菌有促进甘草生长作用,内生菌可与病原菌竞争营养或直接产生拮抗物质而抑制病原菌,从而促进甘草生长。②有些内生菌可产生活性物质。③内生菌在甘草不同部位及不同月份的数量呈现一定的变化趋势。另有研究表明,内生菌能产生与宿主相同的活性物质[3],王兴红[16]推测内生真菌可能与中药的道地性有密切的关系。这些成果对于甘草内生菌的研究有重要意义。

根瘤菌对甘草的有益作用体现在:根瘤菌能够通过与甘草共生,引起甘草根部或茎部结瘤,将空气中的N2转化为可吸收利用的NH4,从而为甘草提供氮素营养,促进其生长。

菌根真菌对甘草的有益作用体现在:甘草和菌根真菌是一种互惠共生的关系,它们之间可以交换各自所需的物质,甘草借助菌根真菌吸收水分、养分和生长促进剂,而菌根真菌也从甘草中摄取自身生长所需要的糖分和其它有机物。菌根真菌是根系的延长和扩展,且比根系吸收水分、养分的能力大得多,可促进甘草的营养生长,提高甘草的药用价值。

微生物转化对甘草的作用体现在:对甘草进行微生物转化,可提高其有效成分含量,用药效果可得到提高。

总之,微生物是个潜力巨大、尚待开发的资源,对甘草相关微生物进行研究有重大意义,有利于提高甘草的质量,对于中药的可持续发展也将起到重大作用。超级秘书网:

【参考文献】

[1]PertiniO.Fungalendophytesoftreeleaves[A].In:AndrewsJH.HiranoSS.eds.MicrobialEcologyofLeaves[C].INewYork,Springer-Verlag,1991:179.

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[3]StierleA,StrobelG,StierleD.TaxolandtaxaneproductionbyTaxomycesandreanae,anendophyticfungusofpacificyew[J].Science,1993,260(5105):214.

[4]宋素琴,欧提库尔玛合木提,张志东,等.新疆胀果甘草内生菌的分离和鉴定[J].微生物学通报,2007,34(5):867.

[5]饶小莉,沈德龙,李俊,等.甘草内生细菌的分离及拮抗菌株鉴定[J].微生物学通报,2007,34(4):700.

[6]龚明福,林世利,张前峰,等.拮抗棉花枯、黄萎病菌的甘草内生细菌初步研究[J].塔里木大学学报,2007,19(2):49.

[7]Ge-HongWei,Xue-YingYang,Ji-WenZhang,etal.Rhizobialide,anewstearolactoneproducedbyrhizobialMesorhizobiumsp.CCNWGX022,anendophytefromGlycyrrhizauralensis[J].Chemistry&Biodiversity,2007,4(5):893.

微生物论文篇2

1我早期的植物内生微生物研究

早期的研究中以植物内生菌为题报道的绝大部分都是非豆科植物根系内分离到的固氮根瘤菌Frankia属细菌,宿主植物主要有四川桤木(Alnuscermastogyne)、木麻黄(Casuarinasp)、沙棘(Hippophaesp.)、赤场(Alnussp.)、杨梅(Myricasp.)和胡颓子(Elaeagnussp.)等。此外还有百合科(Liliaceae)百合(Liliumsp.)细胞中的内生菌研究。篇名中第一次出现内生细菌的原著论文是1996年中国农业大学刘云霞等关于水稻内生细菌巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)在水稻内分布的研究[5],以及吴加志等关于Enterobacter,Pseudomonas和Bacillus三属植物内生细菌在植物病害生物防治潜力方面的研究[6]。受国外植物内生细菌研究的影响,作为植物病害的生防因子,我国棉花、水稻、马铃薯等作物的内生细菌首先受到了关注。我国首次正面研究内生真菌的是已故南京农业大学终身教授李扬汉关于麦田有毒杂草毒麦(Loliumtemulentum)中的内生真菌的观察[4],此后我国内生真菌的研究沉寂了约10年。邱德有等关于红豆杉内生真菌的先驱性研究开启我国药用植物内生真菌研究的火热时代[3,7-9]。目前,关于药物开发指向的植物内生微生物及其所产生理活性物质研究,在我国遍及以药用植物和农用植物为主的数十科野生植物和农作物,连年产出百余篇原著论文和十余篇文献综述(图1)。按现在的趋势,我国年度发表植物内生真菌相关原著论文将很快会超过两百,研究的热潮有增无减,成为植物内生微生物研究中最活跃的领域。植物内生真菌的另一个重要内容——禾本科植物麦角类内生真菌的研究则到甘肃草原生态研究所南志标从新西兰留学回来后才真正兴起。南志标先生回国后在甘肃省自然科学基金和国家人事部归国留学人员科研启动资金的资助下,利用执行联合国粮食计划署2817项目咨询任务时从新疆阿勒泰地区采集到的野生植物样品,首次检测到我国产布顿大麦草(Hordeumbugdanii)中含有内生真菌,并指出了内生真菌的植株能促使宿主植物总生物量、干物质产量、根重以及分蘖数均有所增加。同时也发现,甘肃省的中华羊茅、紫羊茅和部分雀麦属植物中不同程度的含有内生菌[10-11]。同时,在美国牧草种子公司的资助下,新疆草原研究所的李宝军等利用新疆种质资源库的11种牧草种子进行了内生真菌的检测,发现醉马草种子中含有内生真菌[12]。进入21世纪后,关于禾本科植物内生菌的研究有兰州大学的南志标/李春杰课题组、南开大学的高玉葆/任安芝课题组以及南京农业大学的王志伟/纪燕玲课题组等开展持续性的研究。

2植物内生微生物研究的基本特点

首先应该指出,国际国内植物内生微生物研究最大的特点是其范围之大、涉及微生物的种类之多样、功能之繁杂、潜力之广阔。据现行学术界通用的概念和范畴,只要是有机会在植物体内出现的微生物,几乎无所不包含在植物内生微生物的范畴之内[13-15]。这个特征决定了植物内生微生物的研究领域是广阔的,所涉及的学科除生物科学类各基础学科外,还有农学和林学类各基础学科、药物化学、医学、生物工程、食品保藏与加工等多方面的学科。因此,植物内生微生物的研究适合多领域共同协作,在视角和概念运用等方面出现多元化也是很自然的。第二,植物内生微生物基本功能是多层次的。最基本的层次是微生物本身的显性功能。这种功能以微生物的分离物为基础、在人工培养时即得以表达,可通过人工培养以及人工发酵进行研究、挖掘和改良,我国这方面的研究报告最多[16-18]。第二层次是微生物和宿主植物形成共生体(Symbiota)所表现出来的功能。就像绝大多数产毒素的冷季型禾本科植物与其Epichloae类内生真菌的共生体那样,这种毒素的生产和积累的功能不是植物或微生物单独所具有的,或者单独能达到的强度和高度,只有通过宿主植物和内生微生物形成共生体后才体现出来[19-21]。第三层次是内生微生物/宿主植物共生体在不同环境中所表达出来的不同功能或不同程度。上述产毒Epichloae类内生真菌和其宿主植物的共生体也不是在任何时候、任何环境中都能生产和积累毒素,在某种特定的环境条件下生产毒素(多),在另外的条件下则少生产或根本不生产毒素[19,22]。植物生长环境直接介入微生物和宿主植物共生体的生物学特性的表达。这一现象十分符合植物和微生物相互作用的基本规律,可能对利用植物内生微生物的生理活性物质进行生物制药研究和开发的科研人员也会有积极的启发。第三,植物内生微生物给人类带来的影响不全是有益的,有时也会出现有害的一面。从文献的描述来看,这一点在我国目前仅在少数研究中引起了注意。黑麦草内生真菌、苇状羊茅内生真菌、疯草内生真菌等该宿主植物带来的毒素生产和积累则是最突出的例子。无论是产毒的禾本科植物内生真菌还是疯草内生真菌,已经被人们发现的这些有害事例已经给社会造成了巨大的损失[19,23]。另外,虽然没有出现鹅观草致毒的报道,但从其中的内生真菌中也检测到了一些毒素生产基因(王志伟等,未发表)。因此,我们有必要对植物内生微生物给人类带来有害影响也给以足够的关注。同样,我们固然可以期望植物内生微生物给宿主植物带来或加强抗菌作用(Antagonism)、化感作用(Allelopathy)等抑制其它生物生长和发育的功能,在植物抗病、抑制杂草等方面起到一定的正面作用。但另一方面,这些作用是否会导致区域内生物多样性的降低[24-25],产生新的生态问题?这些都需要今后去认真评价。第四,植物内生微生物的功能一部分可通过生物学/生物化学的特征表现出来,另有一部分功能必须通过生态学的方法才能加以研究和利用。新西兰在飞机场及其周边大规模种植产毒素Epichloae类内生真菌和其宿主植物共生体,以此驱避在机场聚集的鸟类(JohnCuradus,私人通信)。这是通过生态学的方法对植物内生微生物的功能加以利用的一个代表性事例。在我国,利用植物内生微生物进行植物病虫害的生物防治也是这类事例中的典型[25-27]。在这些情况下,内生微生物和其宿主植物的共生体特征的稳定表达就十分重要。一般来说,植物内生微生物作为药用微生物利用时,微生物本身相对重要一些,而作为农用资源或环境修复手段加以利用时,共生体的特征则往往更加重要。

3我植物内生微生物研究的发展和特点

进入21世纪,特别是近10年来,我国植物内生微生物的研究发展迅猛。据最保守统计,在我国发行杂志上由我国科研人员发表的植物内生微生物的论文(篇名中含有“内生菌”、“内生细菌”或“内生真菌”字样的论文)在2008年以后每年都超过200篇,2013年论文总数已逼近300(图1)。考虑篇名中没有体现出来的论文以及在国外发表的论文,我国科研人员近年来发表的植物内生微生物研究的论文大约每年可达400篇以上。研究领域也全面开花,基本形成了4大板块、24个分支的局面(表1)。至此,我国已形成了一支队伍庞大、成果丰硕的科研力量,在国际植物内生微生物研究中占有十分显要的地位。从整体趋势来看,我国植物内生微生物研究的特点可概括为“四多四少”。资源探索多、分离培养多、活性检测和生物功能研究多,基础性前期工作多;方法研究少、涉及林木少、与宿主的关联少、实际应用少。特别是以药物开发为目的的资源探索性研究报告最多,以抗菌、抗肿瘤等指标为主的药物开发指向的论文大量出现,形成了我国植物内生微生物研究中最耀眼的亮点[17,28-29]。植物内生微生物研究以生理活性检测以及活性物质探索为主要范式(Paradigm)之一,思路清晰易懂、方法简单、实施容易,是研究生训练的好材料。关注我国植物内生微生物论文数量的上升时机,也不难发现其上升趋势和研究生毕业数量的上升基本同步(图1)。从论文数量整体来看,从20世纪末开始我国科研人员在本国的科学杂志上(中国学术期刊网络出版总库收录部分,1979-2013年),植物内生微生物的研究有了飞速的发展。在21世纪的第一个10年中,我国关于植物内生微生物研究的突飞猛进,论文数量从2000年的14篇增加到2010年的257篇,翻了18.4倍(图1);研究对象也从Frankia等非共生固氮根瘤菌为主、加上几个关于红豆杉内的紫杉醇生产菌以及冷季型禾本科植物中的麦角菌类真菌等零星报道,发展到包括草本、木本、单子叶、双子叶以及蕨类等数十科近百属植物中的微生物;研究方向也增加到包括医药、农业、环境、食品等多个领域(表1)。最近几年来,植物内生微生物相关的论文数量继续增加、研究范围继续扩大,形成了我国微生物学研究中发展最快、研究人员增长和人才积累最快、研究范围扩大最快的领域。在这个领域中,显示各种生理活性、具有潜在的药物开发价值的植物内生真菌以及它们所生产的生理活性物质不断出现,具有抗病虫害活性的内生微生物菌株也大量积累,新的微生物物种被相继提出,并不断开发出重金属抗性增强、难降解化合物的分解等新的应用功能。同时,通过参与植物内生微生物研究而得到基本科学训练的年轻学者也大量进入社会,我国植物内生微生物的研究蕴含着巨大的发展潜力。但是,我国植物微生物研究发展不平衡。在我国的期刊上发表的研究报告主要集中在医药方向和农业方向,尤其是以生物医药开发为目标的药用植物内生微生物的论文数量尤为突出[17,28-29]。而在大尺度生态学中十分重要的天然林木以及草原野草中的内生微生物则报道相对较少[12,30-33]。在研究程度上也存在着“初步研究多、深入追究少”的特点。在生物活性和活性物质研究方面,分离和初步鉴定多、周密的分类鉴定少,活性菌株的初级筛选多、达到或接近可应用水平的筛选少,活性检测和物质初步提纯多、化合物纯化与鉴定少,发展到后期应用的事例则寥寥无几,有关生理活性物质生产的基因及其调控的研究则更少[17,29]。在生态学研究方面,也存在微生物的群落结构、生态分布、生活史研究、培养条件的优化等都比较少的倾向[33-36]。此外,微生物的分离技术、培养技术、微生物的消除技术、接种技术等开发还相对薄弱。考虑这些内生微生物的农业应用,能将植物内生微生物进行工具化的上述操作技术也有待于今后进一步开发。因此,我国的植物内生微生物研究的质量进一步提高、应用面继续扩大、实用性大幅度增加的空间依然很大。

4我植物内生微生物研究的成

4.1医药指向的研究

1993年,Strobel等发表了关于红豆杉内生真菌合成紫杉醇这一发现,在国际上形成了药用植物内生微生物开发的范式。受此范式影响,我国医药指向的植物内生微生物研究以药用植物为材料居多,尤以红豆杉类植物、红树类植物、鬼臼类植物、石斛等兰科植物以及银杏等植物较为常见。红豆杉属(Taxus)植物主要有短叶红豆杉(Taxusbrevifolia)、西藏红豆杉(T.wallachiana)、南方红豆杉(T.chinensisvar.mairei)、云南红豆杉(T.yunnanensis)、东北红豆杉(T.suspidata)等,我国微生物学工作者从中分离得到了紫杉霉属(Taxomyces)、镰孢霉属(Fusarium)、链格孢属(Alternaria)、拟盘多毛孢属(Pestalotiopsis)、曲霉属(Aspergillus)等植物内生真菌和内生细菌。从这些微生物中又分别检测到了抗肿瘤、抗氧化、抗动物病原物、抗病原媒介物、抑制特定酶活性等生物活性,分离到了生物碱类、苯丙素、萜类、醌类、脂类、酮类、酚类、有机酸类、甾体类等活性化合物及其衍生物,其中关于紫杉醇生产的研究报告最多[17,28-29,37-38]。常用的红树类植物主要包括生长在包括港澳地区在内的华南沿海的红海榄(Rhizophorastylosa)、秋茄(Kandeliacandel)、木榄(Bruguieragymnorrhiza)、桐花树(Aegicerascorniculatum)、白骨壤(Auicenniamarina)、海漆(Excoecariaagallocha)等。我国微生物学工作者从中分离得到了链格孢属(Alternaria)、曲霉属(Aspergillus)、芽枝霉属(Cladosporium)、镰孢霉属(Fusarium)、拟青霉属(Paecelomyces)、拟盘多毛孢属(Pestalotiopsis)、青霉(Penicillium)、茎点霉(Phoma)、叶点霉(Phyllosticta)、木霉(Trichoderma)、芽孢杆菌属(Bacillus)等植物内生真菌和内生细菌[39-41]。从这些微生物中又分别检测到了抗菌、抗肿瘤、抗氧化等活性,分离到了肽类、多糖类、尿囊素、异香豆素等活性化合物[37,40-42]。小柴科的桃儿七(Sinopodophyllumhexandrum)、八角莲(Dysasmaversipellis)、南方山荷叶(Diphylleiasinensia)等鬼臼类(Podophylloideae)植物内生微生物中有些菌株能合成具有抗肿瘤活性的鬼臼毒素(Podophyllotoxin);银杏(Ginkgobiloba)的内生微生物中有些具有明显的抗氧化作用;夹竹桃科的长春花(Catharanthusroseus)的内生微生物中,镰孢霉属(Fusarium)真菌等有些能合成具有明显的抗癌作用的长春新碱(Vincristine);天麻(Gastrodiaelata)、石斛类植物(Dendrobiumspp.)等兰科(Orchidaceae)植物中的密环菌属(Armillaria)、角担菌属(Ceratobasidium)、皮伞菌属(Marasmius)、镰孢霉属(Fusarium)、丝核菌属(Rhizoctonia)等内生真菌也生产多种生理活性物质,获得了高度的关注[17,29,37]。关于药用植物的内生微生物及其药物指向的生理活性物质的研究在我国如火如荼,从各个角度总结出来的综述也层出不穷[9,37,43-44],在此不一一赘述。但是王剑文,谭仁祥等提出的利用内生菌寡糖诱导黄花蒿(Artemisiaannua)发根(Hairyroot)合成青蒿素(Artemisinin)的研究提示了植物内生微生物利用的一个新方向[45],提示了植物内生微生物的作用并非一定要以微生物为主的思路,唤起我们对内生菌和宿主两者的相互作用的关注,值得借鉴。

4.2涉农的植物内生微生物研究

涉农的植物内生微生物研究在我国以农作物以及部分药用植物为材料的居多,包括醉马草、羽茅、鹅观草等冷季型禾草,水稻、小麦、玉米等重要粮食作物,番茄、油菜、棉花、辣椒、香蕉、哈密瓜等,其中重要经济作物体内的内生微生物是关注的焦点。对这些重要农作物体内微生物研究的主要指向为植物病害的生物控制、植物生长发育的促进和抗逆性的提高[26,46-49],此外也兼顾了一些为生物制药服务的药物筛选等目的。有些植物内生微生物能产生植物激素、抗菌物质、杀虫物质、昆虫拒食物质等[19,25,50],更多的生理活性和抗病虫害功能的机理尚不清楚[24,27,51-53]。涉农的植物内生微生物研究还可为植物育种服务。冷季型禾本科植物的麦角菌类内生真菌(Clavicipitaleangrassendophytes)大部依赖于活体植物生存,并随宿主植物种子进行垂直传播,因此可作为育种手段加以应用[21,54]。十多年来,南开大学高玉葆/任安芝课题组以多年生黑麦草、羽茅等植物为材料研究了内生真菌对宿主植物抗旱、耐盐碱、重金属抗性等性能的影响,提示了内生真菌在提高宿主植物抗逆性方面的潜力[55-57]。近年来,还有两类农业指向的植物内生微生物值得关注。

作者:王志伟 陈永敢 王庆璨 纪燕玲 单位:南京农业大学 海南丰源无公害农业技术研究所

微生物论文篇3

得了流感,我们知道那是病菌在作怪;在学校上生化课之类的科目时,我们会对显微镜下的世界感到非常好奇――因为那和我们通常看到的环境完全不同。而无论是病菌,还是通过显微镜看到的其他微生物,这些现在我们都习以为常的概念,在当年也是历尽波折才最终得以确认发现。这些发现在医疗等现代科学的发展上发挥了重要作用,不仅让我们有机会去发现和认识一个更为广阔的微生物世界,还让人类在抵抗一些常见疾病时有更大的胜算。

这么说起来,荷兰的显微镜学家、微生物学的开拓者列文虎克(Antonie vonLeeuwenhoek)在300多年前的成就,直接延长了现在我们每一个人的寿命,而他还有着下至手艺人、市政府门卫,上至皇家学会会员等各种身份。他是如何游走在这各种身份之间?一个看起来并没有接受什么专门教育的家伙,为什么能率先带来早期最成熟的显微镜,并成为微生物学的第一人?我们的话题就从这里开始。

作为手艺人的成长

虽然后期的发展和研究成绩都十分显赫,但列文虎克的出身却很不怎么样,以至于我们在几百年后基本找不到他童年都干了些什么的资料,只知道他出生于1632年10月24日,并且出生和去世都在自己的老家代尔夫特(Delft)。他的父亲是编制篮子的手工艺人,母亲则来自酿酒家庭,双亲都和手工艺密切相关,这也直接影响了列文虎克此后的爱好和特长。小时候的列文虎克还是接受了一些基本的教育,不过在1648年列文虎克16岁这一年,随着父亲的去世(这里有两种说法,一种是父亲是在列文虎克6岁的时候去世的,另一种是16岁的时候,这是比较多的说法),列文虎克的生活发生了彻底的改变。他被迫退学,来到荷兰首都阿姆斯特丹,在一家布店里当学徒,然后在四年之后,20岁的列文虎克又回到了老家,用自己在布店里学到的东西开了一家绸布店。年纪轻轻就担负起了养家糊口的重任,这怎么看都是又一个“少年辛苦为家庭”的苦情故事。

不仅有着在手工艺家庭从小耳濡目染的动手能力,列文虎克对生活当中的很多细节也十分敏感和充满兴趣。在阿姆斯特丹打工时,旁边的店是一家眼镜店,工作间隙,无聊的列文虎克就会跑到这家眼镜店去看工匠的操作,看玻璃片是怎样被磨制出来的,并向工匠师傅了解操作的方式和技巧。在知道通过磨制的玻璃片(凸透镜)能够放大物体,让人看到比本来的物体大很多倍的效果时,列文虎克来了兴趣――能够看到更多平时都看不到的小世界,对于一个刚出身社会、还充满着不少梦想的青年来说还是很有吸引力的。于是,列文虎克白天在布店里而好好工作,到了晚上,就开始用白天在旁边的眼镜工匠那里学来的一点点磨制镜片的技巧,在兴趣的驱动下进行磨制镜片的工作――挑灯夜战为一件也许和自己的工作和发展完全不相干的事,这真是每一位Geek年少时都有过的经历啊。

列文虎克毕竟是手艺人家庭的孩子,做起这些靠手艺的事情来完全游刃有余。他很快就进入了状态,迅速地掌握了磨制镜片的技术,并且在尝试当中不断地改进工艺。有一天他折腾出一块透镜,直径只有3mm,但却能够把物体放大200倍,这让列文虎克觉得很有成就感。他把透镜镶嵌到木头当中,形成一个小支架的样子,然后开始用来观察那些细微的物体如昆虫等。在镜片下,所有东西都完全改变了本来的样子,小蚂蚁的大腿也变得又大又强壮――事实上在镜片质量和放大倍率等各方面,列文虎克当时都已经做到了很高的水准,这使得他观察的结果在过去都从未有过,书上没有记载,科学史上也还没怎么有先例。有了这样成功的作品,列文虎克的兴趣更加浓厚,制作显微镜这件事也就此伴随了列文虎克的一生。

我给政府看大门

首都还是不好混,在打工了四年之后,列文虎克回到老家,先拿出自己在首都学到的卖布方面的本领,开了一个小布店。后来他又慢慢觉得,当小老板还不如当公务员来得舒服,于是就关掉店铺,在老家代尔夫特的市政厅当了看门人(另外还有一种说法列文虎克到了中年的时候才当上看门人)。虽然现在我们看这看门人的职位不怎么样,但是在当时,一方面给政府做事收入非常稳定,另一方面工作也很轻松,这让列文虎克有了足够的时间和精力去发展自己兴趣。正是从这时候开始,列文虎克在显微镜制作和显微观察方面的研究全面推进。

给政府看大门还有不少的好处,比如能认识很多各行各业的人。列文虎克一边自己研究,还一边通过很多渠道来获得更多的资讯与新的工艺。荷兰在14世纪之后就一直是欧洲的眼镜制造业的中心,透镜的磨制、各种组合方式一直在快速发展,能够帮助近视眼调节视力的近视眼镜也很早就出现。另外,列文虎克也并不是第一位发明显微镜的人,但第一台显微镜在推出时也被认为只是玩具(主要用来看跳蚤,因此当时的显微镜也被称为“跳蚤镜”),科学价值没有被人看到。也许正因为不受重视,显微镜、透镜方面已有的成果对列文虎克的研究似乎没有产生什么影响,让列文虎克可以继续遵循着自己的兴趣走下去。

无论如何,列文虎克始终只是一个小人物,除了给政府当看门人,后来列文虎克还陆续做过酒类产品的化验员、政府小职员和财产保管员等工作,这样的过程当中,唯一不变的是列文虎克对显微镜研究的热情。在同时期的荷兰,除了磨制透镜的技术已经达到相当的水平,相关的物料也是非常丰富,为了提高显微镜的工艺,列文虎克在自己简陋的实验室里测试了当时最好的玻璃、水晶,甚至是钻石这种现在都堪称奢侈的材料,都被列文虎克用在了实验当中,真是看门人也有大雄心。

小人物也能做大事

没有任何专业知识方面的学习,同时出身和家庭环境也都不怎么宽裕,在这样的情况下还坚持着一项完全不是一个看门人应该有的梦想,单靠自己的兴趣而前进,这确实需要有足够强大的内心世界。从在阿姆斯特丹打工开始,列文虎克在显微镜方面的设计研究从未间断,他的每一步提高都非常扎实,得到的成果虽然他自己不清楚,但从后人的角度来看,同时期当中列文虎克已经走在了前面。列文虎克后来成为微生物学的开拓者这并非一日之功,而是列文虎克毕生的发展和努力所积累出来的。

列文虎克一开始磨镜片的时候,还是受到了一些技术上的阻碍,其实就我们这样的外行人来看,一块玻璃要怎么磨才能达到想要的效果,这确实不是每个人都能做的事情。列文虎克不仅直接在眼镜店向师傅取经,并且长时间盯着看师傅怎样磨制,同时自己也非常仔细和耐心地实践操作。当时缺少相关的资料,不像现在我们可以通过网络和图书馆来查询;磨制玻璃的文献也极少,并且主要用拉丁文记载,只会荷兰文的列文虎克完全没办法看懂这些技术文献,只能靠自己的双手实践摸索。随着时间的推移,列文虎克磨 制的镜片越来越漂亮,相比早期显微镜整体做工粗糙、镜面不光滑导致成像模糊等,列文虎克的镜片质量在当时就已经算是顶级。

有了镜片之后,列文虎克顺带做了一个简单的架子来支撑镜片,后来他又在透镜的下方装上了一块铜板,铜板上钻一个小孔,让光线从小孔透进来照射所观察的物体,这成为列文虎克早期最具代表性的完整的显微镜设计。虽然它的造型看起来非常简陋,但原理上已经很成熟,现代的显微镜不过是加强透镜的品质或者增加不同倍率透镜,给观测者更多的选择;用人照光代替了铜板小孔引进来的自然光;以及做一个更加漂亮和方便使用的支架等等。而且列文虎克这款显微镜的放大倍数在当时已经超过了世界上所有的显微镜,只是他自己并不知道。

第一部真正意义上的显微镜给了列文虎克极大的信心和乐趣,列文虎克搞来了很多小虫放在显微镜下面看,这为此后他发现微生物并将其发展成一门学科奠定了基础。然后,列文虎克辞去工作,把家里一间空房改造成自己的实验室。在此后的几年时间当中,列文虎克的显微镜越做越好,细节越来越精致,使用起来也更加便捷,两三百倍的放大倍数已经非常稳定。在他的朋友医生、解剖学家德・格拉夫(Regnier de Graaf)到访并说服他之前,列文虎克制作的显微镜都已经具有很高的水准。后来有资料称,列文虎克一生共制造了491台显微镜(只有10多台保存到了现在,不过也是不得了的数字了),虽然产量高且品质出色,但列文虎克并没有把显微镜当做是自己的谋生之道,同时他也遵循着手艺人的习惯和传统,那就是不展示给其他人,只是自己在实验室爽。外人绝大多数只知道列文虎克在“做什么镜片”,却不知道列文虎克在制造显微镜的同时,已经开始用显微镜观察更多的内容――不只是看昆虫们的腿毛,列文虎克也把镜头对准了血液、雨水之类的物体,这铺开了后来列文虎克全面的显微观测之路,列文虎克正在从一个高水准的显微镜工匠,向一位理论联系实际、成就更加辉煌的科学家转型。

不过,要转型科学家,需要有更多的支持,与英国皇家学会打交道是必然的事。列文虎克的朋友德格拉夫除了自己在科研方面的身份之外,他还是皇家学会的通讯会员,他鼓励列文虎克把自己的显微镜设计以及用显微镜观察到的内容记录整理出来,交给皇家学会来发表。对此列文虎克一开始当然非常警惕,虽然不靠这事吃饭,但真要被窃取,也是很不爽的事情。不过最后他仍然接受了朋友的建议和邀请,开始准备向世界展示自己的发明和发现。

全面的显微观测之路

一个人在家埋头研究多年的“技术宅”要真的整理自己的成果,那必然是相当丰盛的。1673年的一天,英国皇家学会收到了列文虎克的来信,信件厚厚一叠,全部用荷兰文书写,标题为《列文虎克用自制的显微镜,观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录》。信是来自小地方,列文虎克在科学界没有任何名气,这封信的标题也非常Geek,一开始皇家学会的成员们都觉得有些搞笑。不过在慢慢看下去之后,他们显然被列文虎克观察到的显微世界给吸引了。当时显微镜不受重视,而且即便有学者用过显微镜,但是那些显微镜和列文虎克的相比,工艺水平相去甚远,能看到的内容当然也差得远。因此对于这些已经在学界有名有影响的学者来说,列文虎克的世界无疑是全新的,是他们从未看到过的。

当时的科学界显然也比较客观公正,好的发现马上就能得到大家的肯定,列文虎克的发现当时就得到了大家很高的评价。不过因为列文虎克的发现皇家学会没有人真正见过,皇家学会需要先派人来核实这些发现。但对于列文虎克和他的研究来说,现在已经进入到了发展的快车道。在列文虎克的报告当中,除了制作精良的显微镜,重要的部分在于通过显微镜发现的微观世界。列文虎克在广泛地观察各种动物、材料和生活当中习以为常的东西之后,他发现了不少过去的科学家、生物学家都没有见过和记录过的“微动物(Animalcula)”,后来他遵循论文都用拉丁语写的规矩,把这些“微动物”命名为了“狄尔肯(Dierken,拉丁文里意为“细小活泼的物体”)”,这就是我们现在经常说到的“微生物”了。

不只是将一篇论文提交给皇家学会,列文虎克还在实验室里不断地整理自己的成果,另一方面德格拉夫也在皇家学会活动,让更多的学会成员对列文虎克的研究感兴趣,并为列文虎克争取可以持续提交论文的机会。而列文虎克的论文也不断地在皇家学会掀起波澜――列文虎克介绍自己通过显微镜的观察,能担保在一滴水当中有270万个“狄尔肯”,即便只是一颗沙粒,里面也有100万个“狄尔肯”,而且这些“狄尔肯”还在良好生长并且活跃地进行繁殖,这当然让皇家学会的学者们大开眼界而又半信半疑。为了确认列文虎克所说属实,皇家学会派出了两位科学家来与列文虎克一起工作,希望搞到一台列文虎克做的最好的显微镜,并进一步证实列文虎克的报告为真实的。

这两位科学家也是大有来头,一位是著名的物理学家、世界上第一台显微镜的发明人罗伯特・胡克,另一位是植物学方面的权威格鲁(NehemiahGrew)。两位科学家为列文虎克的研究进行了佐证,随后列文虎克的研究和成果得到了皇家学会的肯定,学会派人把列文虎克的报告翻译成英文并进行发表,列文虎克自己也在]680年被吸收为皇家学会会员。在晋升为皇家学会会员的前后,列文虎克很多实质性的研究成果已经开始爆发:]674年,列文虎克发明了世界上第一台光学显微镜,并用这台显微镜首次观察到了血红细胞,这也真正意义上开始了科学家通过仪器来进行研究求证的模式;同时,在1673年到1674年间,列文虎克用自己的显微镜集中研究血红细胞,他完成了一项生理学研究方面的里程碑――他洋细记录了两栖动物、鱼类、人以及其他一些哺乳类动物的血红细胞,并把它们都画成了图,这在当时推动了动物解剖学和动物发育史方面的研究,而到现在,这对于生理学和医学等也有重要的参考价值;随后,1675年,列文虎克把镜头对准雨水,他记录了雨水当中的微生物的情况,继续对最开始提交给皇家学会的报告当中对微生物的论断进行核对和求证;一两年后,列文虎克又和他的学生哈姆(Ludwig von Ham)一起,共同发现了人、狗以及兔子的精子,也是由于这些发现,一直帮助列文虎克的德格拉夫也得到了好处,他在胰腺分泌物、雌性动物的生殖系统等方面的研究实现了突破,并首次提出了“卵”这个概念,让他在科学发展史上留下了自己的名字。

列文虎克发现精子和德格拉夫提出“卵”的概念,两者的结合迅速在人体生理和生物学界带来了突破。列文虎克认为从微生物到人体等生物都基于精 子与卵子的结合,并且精子当中存在着真正的胚胎,精子孕育着胚胎,是胚胎发育的起点,在有性生殖的过程当中,卵子主要是给在精子里发育的胚胎提供营养,这一观点与当时流行的“卵生论”相悖。“卵生论”来自简施旺麦丹(Jan Swammerdam,有观点称他也许才是观察到血红细胞的第―人),理论的主要内容是认为卵才是动物个体形态发育的开端,精子的作用并不十分明显。后来,以简施旺麦丹为代表的“卵生论”派别和以列文虎克及其支持者的“微动物论”派别之争,足足持续了此后的一个世纪,他们共同推动了生理方面学科的发展,促进着人们去发现自己身体和生命的更多秘密。

时间继续向前,在正式成为皇家学会会员之后的1683年,列文虎克把显微镜对准牙垢(天知道他是怎么想的),他发现牙垢里面充满着“比微动物更小的生物”,这些生物“就像小蛇一样用优美的弯曲姿势运动”(怎么感觉这才是列文虎克发现的精子呢……)。这比之前在雨水当中发现的单细胞微生物还要小,并且超过了当时的显微镜能放大看到的极限。列文虎克虽然简单地画出了这些小生物的形态,但无法进一步确定它们是什么东西,只是在记录当中说到“在人们口腔当中生活的动物,数量加起来比整个荷兰王国的居民还多”――200多年之后,人们才发现当时列文虎克发现的东西就是细菌。

在列文虎克所有的观察和研究当中,证实毛细血管的存在也是他很有代表性的成果之一,他陆续通过显微镜观察各种生物的血液循环来发现毛细血管。在1688年,列文虎克记录了蝌蚪尾巴的血液回圈,他分辨并详细记录了动脉、静脉和毛细血管的情况(“如果它们把血液送到血管的最远端,那就专称为动脉;而当它们把血液送回心脏时,则称为静脉;在许多地方,血液还会通过极其细微的血管从尾巴中央传送到边缘”)。再加上他率先观察到的“孤雌生殖”的现象,列文虎克的成就已经为生物史留下了宝贵的财富。直到19世纪,显微科学、生物学等很多学科的研究才超过列文虎克当时所达到的水平。

最后:每个Geek,都能改变世界

说起来,我们介绍了不少牛逼人物的成长史,但要说Geek度,可能谁都没有列文虎克这样有代表性。列文虎克没有任何专业知识的基础,他也不靠科学研究维生,研发和不断改进显微镜这件事纯粹是兴趣,一个又一个显微世界的新发现也完全来源于列文虎克长时间的观察和记录――在很多史料记载当中,列文虎克的头衔之一就是“杰出的观察家”,而这样毕生的观察不仅让列文虎克成为真正的科学家和学者,最终也改变了世界。

同时,列文虎克始终是一个手艺人和商人,有着典型的手艺人和商人的性格和习惯一一藏私。即便是把研究成果公开给皇家学会,在后来的研究当中列文虎克也基本是单枪匹马,自己宅在实验室里面观察研究,连出来交流的机会都少之又少――这样的专注,其实也让他得以长期不断地得到一个又一个新发现。当然,虽说他一直像每一个Geek那样对自己的收藏非常宝贝,很少会拿出来示人,但在1723年,91岁(极为高龄啊)的列文虎克在去世之前,还是把自己制作的几乎所有显微镜、研究报告以及精密显微镜的制作工序等资料全部赠送给了英国皇家学会。从一个看门人到影响多个学科的科学家,最后还毫无保留地把毕生的成果贡献出来,列文虎克绝对是每一个Geek的楷模。

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