免费文献传递   相关文献

色氨酸对醉马草内生真菌共生体麦角生物碱含量的影响



全 文 :844-849
05/2014
草 业 科 学
PRATACULTURAL SCIENCE
31卷05期
Vol.31,No.05
DOI:10.11829\j.issn.1001-0629.2013-0100
色氨酸对醉马草内生真菌共生体
麦角生物碱含量的影响
胡春霞,李秀璋,方爱国,李春杰
(草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020)
摘要:本研究以被甘肃内生真菌(Neotyphodium gansuense)侵染的醉马草(Achnatherum inebrians)为材料,在温
室条件下,研究了不同浓度(0、250、500、750mg·L-1)色氨酸对醉马草幼苗麦角酰胺和麦角新碱两类麦角生物碱
含量的影响。结果表明,不同浓度的色氨酸均能显著降低醉马草幼苗的鲜质量、株高、分蘖数(P<0.05),显著增
加植株中麦角酰胺和麦角新碱含量(P<0.05)。
关键词:色氨酸;麦角新碱;麦角酰胺;醉马草
中图分类号:S452;S432.4+4   文献标识码:A   文章编号:1001-0629(2014)05-0844-06

Effects of tryptophan on ergot alkaloids concentrations of
AchnatheruminebriansNeotyphodiumgansuenseassociation
HU Chun-xia,LI Xiu-zhang,FANG Ai-guo,LI Chun-jie
(1.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems;Colege of Pastoral Agriculture Science and
Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730020,China)
Abstract:Pot experiments in greenhouse were carried out to study the effects of tryptophan on ergot
alkaloids concentrations of Achnatherum inebrians associated with Neotyphodium gansuense.The results
showed that fresh weight,height and tiler number of A.inebrians seedings significantly decreased(P<
0.05)with the addition of tryptophan.Ergine and ergonovine concentrations significantly increased(P<
0.05)with 500mg·L-1 and 750mg·L-1 tryptophan treatments compared with control.With 250
mg·L-1 tryptophan treatment,ergine concentration was highest compared with other treatments which
showed that this treatment had great benefits to ergine accumulation.The treatment with 500mg·L-1
tryptophan had more benefit to ergonovine accumulation compared with other treatments.
Key words:tryptophan;ergonovine;ergine;Neotyphodium gansuense
Corresponding author:LI Chun-jie E-mail:chunjie@lzu.edu.cn
  醉马草广泛分布于我国西北部的甘肃、内蒙古、
青海、新疆和西藏等省(区),是天然草地上的烈性毒
草之一,耐旱、耐寒,在过度放牧导致的严重退化草
地上蔓延较严重[1]。近年来调查发现,部分退化高
寒草地醉马草盖度明显增加,已成为当地草原畜牧
业发展及生态环境建设的重要限制性因素之一。
禾草内生真菌(Neotyphodium)是指在宿主体
内度过全部或大部分的生命周期,而不显示任何外
部症状的一类真菌[2]。内生真菌的侵染可显著提高
醉马草的抗病[3]、抗虫[4]、抗旱[5]、抗寒[6]、耐盐[7]等
*收稿日期:2013-03-02 接受日期:2013-03-20
基金项目:国家“973”项目(2014CB138702、2007CB108902);国家自然科学基金项目(31372366、30771531);教育部新世纪优秀人才项目
(NCET-08-0256);兰州大学中央高校基本科研业务费项目(lzujbky-2012-K01)
第一作者:胡春霞(1987-),女,甘肃兰州人,硕士,研究方向为草地微生物。E-mail:huchunxia10@163.com
通信作者:李春杰(1968-),男,甘肃镇原人,教授,博士,研究方向为禾草内生真菌共生体。E-mail:chunjie@lzu.edu.cn
05/2014 草 业 科 学 (第31卷05期)
特性,但醉马草内生真菌共生体所产生的生物碱对
草原畜牧业会造成巨大损失[8]。20世纪初报道了
有关家畜在带有内生真菌的草地上放牧后所引起的
负面效应,如,牛的“弧茅蹄中毒症”及羊的蹒跚病,
导致生育和生产能力严重下降[9-10]。随后,研究人
员从内生真菌侵染的高羊茅(Festuca arundinacea)
和多年生黑麦草(Lolium perenne)共生体中分离出
数种生物碱[11],此后有关禾草内生真菌共生体生物
碱的研究大量展开[8]。进一步研究证实,内生真菌
N.lolii和多年生黑麦草产生的生物碱Lolitrem B
是导致新西兰绵羊蹒跚病的主要原因,而 N.co-
enophialum和高羊茅产生的麦角酸(Ergovaline)则
是导致美国的牛“弧茅蹄中毒症”的主要原因[12]。
麦角酰胺和麦角新碱是醉马草内生真菌共生体
中所含有的两种主要麦角类生物碱[13],是导致家畜
困倦[14-15]、流涎、呕吐和腹泻[15]等中毒症状的重要
毒素[16-17]。麦角新碱可以引起子宫收缩而达到止血
目的[15],而麦角酰胺[18]和麦角新碱[14]都已经被证
实可以使伤口周边血流量降低,因此,二者均具有重
要的药用开发价值[19]。
色氨酸(2-氨基-3-吲哚基丙酸)不仅是人和动
物的必需氨基酸之一,而且参与多种蛋白质的生
物合成。真菌、细菌等微生物及植物都具有合成
色氨酸的能力。色氨酸不仅为植物及各种微生物
提供相关蛋白质合成的必需氨基酸,同时其生物
合成过程中为多种次生代谢产物提供了大量的代
谢前体物质[20-22]。20世纪70年代,Berde和Stur-
mer[18]研究表明,色氨酸是麦角生物碱的合成前
体。同时有研究发现,色氨酸合成基因的过表达
或体外饲喂色氨酸均可以显著提高麦角生物碱的
生物合成能力[23-24]。内生真菌有可能通过莽草酸
途径诱导宿主植物大量合成生物碱的生物合成前
体色氨酸,进而大量合成生物碱,从而提高植物的
抗逆性[25]。目前,有关外源色氨酸对醉马草内生
真菌共生体麦角生物碱影响的研究还未见报道。
本研究以醉马草内生真菌共生体为材料,分析不
同浓度外源色氨酸对醉马草幼苗麦角生物碱的影
响,旨在为醉马草内生真菌共生体生物碱的开发
利用提供重要的理论依据,为禾草内生真菌次生
代谢产物的研究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
醉马草幼苗由2009年采自甘肃省天祝县的被
甘肃内生真菌(N.gansuense)侵染的E+醉马草种
子经过盆栽所得,经检测幼苗内生真菌带菌率为
100%。采样地海拔2 685m,年均温4.4℃,年降水
量444mm。
1.2 方法
1.2.1 盆栽条件 挑选健康的种子,用清水充分冲
洗后用蒸馏水浸泡24h,播种于盛有蛭石的花盆
中,每盆定苗3株。定期浇灌 Hoagland营养液,温
室条件下生长5周后,进行外源色氨酸处理。配置
色氨酸浓度分别为0、250、500、750mg·L-1 4个浓
度梯度的 Hoagland营养液,浇灌处理3周后取样,
分别测定株高、分蘖、生物量和生物碱等。
1.2.2 麦角生物碱检测 将采集的醉马草材料,在
冷冻干燥机-60℃条件下冷冻6h后干燥24h,取
出,经球磨仪粉碎。称取50mg醉马草粉末装于
1.5mL离心管中,加入1mL提取液 A (CHCl3∶
MeOH∶NH4OH=75∶25∶2),混匀,室温黑暗条
件下过夜。后经15℃、10 000r·min-1条件下离心
5min,黑暗条件下挥发干燥。加入1mL提取液B
(MeOH∶CCl4=1∶2,25mmol·L-1酒石酸),在
21℃、12 000r·min-1条件下离心5min,吸取上清
液经0.22μm孔径的有机相过滤垫过滤至1.5mL
棕色色谱瓶。所有样品在黑暗条件下保存于4℃冰
箱中待测。
前处理样品经Agilent 1100series高效液相色
谱系统,Varian C18 反相色谱柱,紫外检测器
(VWD)进行检测。检测波长312nm,流动相流速
1mL·min-1,进样量20μL。流动相配比及梯度设
置参见李春杰的方法[26]。
1.2.3 数据分析 利用SPSS 17.0统计软件对数
据进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 外源色氨酸对醉马草幼苗生长的影响
548
PRATACULTURAL SCIENCE(Vol.31,No.05) 05/2014
醉马草幼苗的生物量、株高、分蘖数均随着色氨
酸浓度的增加而减小(表1)。与对照相比,250
mg·L-1色氨酸处理对醉马草的生物量、株高和分
蘖数均无显著影响 (P>0.05),但 500 和 750
mg·L-1 mg·L-1色氨酸处理下,3个指标均显著
低于对照(P<0.05),250与500mg·L-1色氨酸处
理差异不显著,但显著高于750mg·L-1色氨酸处
理。在250、500和750mg·L-1色氨酸处理下,生
物量分别为对照的91%、83%和58%,株高分别为
对照的96%、93%、73%,分蘖数分别为对照的
90%、80%、60%。
表1 不同浓度色氨酸对醉马草幼苗生物量、株高和分蘖数的影响
Table 1 Effects of tryptophan on biomass,plant height and tiler of Achnatherum inebrians seedings
色氨酸
Tryptophan/mg·L-1
生物量
Biomass/g
株高
Plant height/cm
分蘖数
Tiler number
0  1.40±0.04a 43.30±0.96a 6.67±0.33a
250  1.28±0.08ab  41.43±0.78ab  6.00±0.58ab
500  1.16±0.02b 40.10±0.80b 5.33±0.33b
750  0.81±0.09c 31.67±0.96c 4.00±0.33c
注:同列不同小写字母表示不同浓度色氨酸处理间差异显著(P<0.05)。
Note:Different lower case letters within the same column indicate significant difference among different concentration of tryptophane at 0.05
level.
2.2 外源色氨酸对醉马草内生真菌共生体中麦角
酰胺含量的影响
与对照相比,250、500和750mg·L-1色氨酸
处理下,麦角酰胺的含量均显著增加(P<0.05),分
别为对照的1.43、1.26和1.13倍。可见,250
mg·L-1的色氨酸处理最有利于提高醉马草麦角酰
胺的含量,而750mg·L-1的色氨酸处理下麦角酰
胺含量增加最少(图1)。
2.3 外源色氨酸对醉马草内生真菌共生体中麦角
新碱含量的影响
250、500和750mg·L-1色氨酸处理下,醉马
草麦角新碱含量较对照均显著增加(P<0.05),分
别为对照的144%、245%和198%(图2)。可见,
500mg·L-1色氨酸处理最有利于醉马草麦角新碱
含量的增加,而250mg·L-1色氨酸处理下麦角新
碱含量的增加最少。
2.4 醉马草内生真菌共生体中麦角酰胺含量与麦
角新碱含量的关系
醉马草内生真菌共生体中总生物碱含量为麦角
酰胺和麦角新碱含量之和。0、250、500 和 750
mg·L-1色氨酸处理下,麦角酰胺占总浓度的百分
比分别为97.71%、97.69%、95.63%和96.05%(图
3)。可以看出,在一定浓度外源色氨酸刺激下,麦角
酰胺在总浓度中的比重随着色氨酸浓度增加而减
小,而麦角新碱在总浓度中的比重随着色氨酸浓度
增加而增加。
图1 不同浓度色氨酸对醉马草麦角酰胺含量的影响
Fig.1 Effects of tryptophan on ergine content of
Achnatherum inebrians
注:不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。
Note:Different lower case letters mean significant difference among
different concentration of tryptophane at 0.05level.The same be-
low.
648
05/2014 草 业 科 学 (第31卷05期)
图2 不同浓度色氨酸对醉马草麦角新碱含量的影响
Fig.2 Effects of tryptophan on ergonovine content of
Achnatherum inebrians
图3 不同浓度色氨酸对麦角酰胺含量与
麦角新碱含量关系的影响
Fig.3 Effects of tryptophan on relationship between ergine
content and ergonovine content of
Achnatherum inebrian
3 讨论
醉马草麦角生物碱是由内生真菌与醉马草形成
的共生体产生的。生物碱不仅是植物次生代谢的产
物,而且在植物的生长、发育、繁殖过程中具有积极
的作用,对植物生态适应中的化学防御作用也很重
要[27]。影响生物碱含量的因素有很多,如寄主植株
的品种、生态型、基因型,内生真菌的种、菌株,植株
生长的温度、土壤水分、营养状况以及管理措施等都
可能有一定的作用[28]。逆境胁迫能够促进植物的
次生代谢。研究发现,干旱胁迫、盐胁迫都会造成麦
角生物碱含量的增加[29];刈割高度和频度都会对醉
马草麦角生物碱的含量产生显著影响,留茬高度越
高、刈割次数越多生物碱含量越高[30]。
3.1 外源色氨酸对醉马草幼苗生长的影响
在本研究中,250、500和750mg·L-1色氨酸
处理下,与对照相比,生物量分别降低了8.6%、
17.1%和42.1%,株高分别降低了4.3%、7.4%和
26.9%,分蘖数分别降低了 10.0%、20.1% 和
40.0%。说明外源色氨酸对醉马草幼苗生长有抑制
作用,并且随着浓度的增加抑制作用增强,这与刘冲
等[31]的研究结果相似。但也有研究表明,禾草内生
真菌的存在对宿主具有促生作用[12,32]。一般认为,
禾草的分蘖由吲哚乙酸等植物生长激素控制,内生
真菌具有产生吲哚乙酸的能力,这或许是其促进分
蘖的原因之一[33]。同时,色氨酸不仅是生物碱的合
成前体,而且是吲哚乙酸等植物激素的合成前体,是
否是因为生物碱的过量累积对寄主造成自毒作用从
而抑制生长,以及醉马草内生真菌共生体内有关色
氨酸参与生化反应的调控机制还有待于进一步研
究。
3.2 外源色氨酸对醉马草内生真菌共生体中麦角
生物碱含量的影响
本研究中,3个色氨酸浓度处理下,麦角新碱和
麦角酰胺的变化趋势不一致,麦角酰胺含量从高到
低依次为250、500、750mg·L-1,麦角新碱含量从
高到低依次表现为500、750、250mg·L-1,色氨酸
处理后麦角酰胺和麦角新碱的含量均显著高于对
照,说明外源色氨酸可以显著提高麦角生物碱的生
物合成能力,但在一定范围内,高浓度的色氨酸有利
于醉马草合成麦角新碱,但不利于醉马草麦角酰胺
的合成。刘冲等[31]在长春花(Catharanthus roseus)
上也得到类似结果。在外源非生物因子温度[34]、水
分[35]及土壤养分[36-37]等条件的影响下,禾草内生真
菌共生体内生物碱的累积量会呈现不同水平的变
化。这可能是由于不同生物碱在不同禾草内生真菌
共生体的生理生化反应中起着一定作用,寄主可改
变其自身相应的生理生化反应过程,进而影响生物
碱的累积,从而提高寄主禾草抗逆性[27]。
目前,关于麦角生物碱的生物合成调控步骤研
究相对清楚,二甲烯丙基色氨酸合酶(DMATS)与
D-麦角酸肤合成酶(LPs)[38]是合成调控步骤中两个
748
PRATACULTURAL SCIENCE(Vol.31,No.05) 05/2014
较重要的酶。其中,DMATs是催化麦角灵环合成
的第一步关键反应,同时也是麦角碱生物合成途径
的关键酶。色氨酸既是醉马草中麦角生物碱合成的
前体也是该关键酶的诱导物,它可诱导麦角碱的合
成以及解除由磷酸盐引起的合成抑制作用[39]。因
此,色氨酸的过量合成势必影响麦角生物碱的生物
合成。但是,外源色氨酸如何调节生物碱的合成尚
待进一步深入研究。
参考文献
[1] 史志诚.中国草地重要有毒植物[M].北京:中国农业出版社,1997:166-176.
[2] Siegel M R,Latch G C M,Johnson M C.Fungal endophytes of grasses[J].Annual Review of Phytopathology,1987,25:
293-315.
[3] Li C J,Gao J H,Nan Z B.Interactions of Neotyphodium gansuense,Achnatherum inebrians and plant-pathogenic fungi
[J].Mycological Research,2007,111(10):1220-1227.
[4] 张兴旭,陈娜,李春杰,南志标.禾谷缢管蚜与内生真菌互作对醉马草幼苗的生理影响[J].草地学报,2008,16(3):
239-244.
[5] 李飞,李春杰.内生真菌对禾草类植物抗旱性的影响[J].草业科学,2006,23(3):57-62.
[6] 陈娜.醉马草遗传多样性及内生真菌对其抗寒性影响[D].兰州:兰州大学,2008.
[7] 缑小媛.内生真菌对醉马草耐盐性的影响研究[D].兰州:兰州大学,2007.
[8] 南志标,李春杰.禾草-内生真菌共生体在草地农业系统中的作用[J].生态学报,2004,24(3):605-616.
[9] Schmidt S P,Oshorn T G.Effects of endophyte-infected tal fescue on animal performance[J].Agriculture,Ecosystems
and Environment,1993,44:233-262.
[10] Cross D L,Redmond L M,Strickland J R.Equine fescue toxicosis:Signs and solutions[J].Journal of Animal Science,
1994,73:899-908.
[11] Akhtar M A,Brouwer W G,Jeffreys J A D,Gemenden C W,Taylor W I,Seelye R N,Stamton D W.The alkaloids of pe-
rennial ryegrass(Lolium perenne L.)Part I.Perloline[J].Jounal of Chemical Society,1964(0):4504-4512.
[12] Joost R E.Acremoniumin fescue and ryegrass:Boon or bane?A review[J].Journal of Animal Science,1995,73:
881-888.
[13] Miles C O,Lane G A,Menna M E.High levels of ergonovine and lysergic acid amide in toxic Achnatherum inebrians ac-
company infection by an Acremoniumlike endophytic fungus[J].Journal of Agriculture and Food Chemical,1996,44:
1285-1290.
[14] McColough S F,Piper E,Lohnson Z B,Petroski R,Flieger M.Effect of the fescue alkaloids on peripheral blood flow,
serum prolactin,and rectal temperatures in steers[J].Journal of Animal Science,1994,72(Suppl.2):31(Abstract).
[15] Fanchamps A.Some compounds with halucinogenic activity[A].Berde B,Schild H.Ergot Alkaloids and Related Com-
pounds[M].New York:Springer-Verlag,1978:567-614.
[16] Cheeke P R.Endogenous toxins and mycotoxins in forage grasses and their effects on livestock[J].Journal of Animal
Science,1995,73:909-918.
[17] Filipov N M,Thompson F N,Hil N S,Dawe D L,Stuedemann J A,Price J C,Smith C K.Vaccination against ergot alka-
loids and the effect of endophyte-infected fescue seed-based diets on rabbits[J].Journal of Animal Science,1998,76:
2456-2463.
[18] Berde B,Sturmer E.Introduction to the pharmacology of ergot alkaloids and related compounds as a basis of their thera-
peutic application[A].Berde B,Schild H.Ergot Alkaloids and Related Compounds[M].New York:Springer-Verlag,
1978:1-28.
[19] 代乐英.醉马草内生真菌共生体生物碱的研究[D].兰州:兰州大学,2010.
[20] Niyogi K K,Fink G R.Two anthranilate synthase genes in Arabidopsis:Defense-related regulation of the tryptophan
848
05/2014 草 业 科 学 (第31卷05期)
pathway[J].Plant Cel,1992,4(6):721-733.
[21] ParéP W,Tumlinson J H.Induced synthesis of plant volatiles[J].Nature,1997,385:30-31.
[22] Zhao J,Last R L.Coordinate regulation of the tryptophan biosynthetic pathway and indolic phytoalexin accumulation in
Arabidopsis[J].Plant Cel,1996,8(12):2235-2244.
[23] Robbers J E,Robertson L W,Hornemann K M,Jindra A,Floss H G.Physiological studies on ergot:Further studies on
the induction of alkaloid synthesis by tryptophan and its inhibition by phosphate[J].Journal of Bacteriology,1972,
112(2):791-796.
[24] Whitmer S,van der Heijden R,Verpoorte R.Effect of precursor feeding on alkaloid accumulation by a tryptophan decar-
boxylase over-expressing transgenic cel line T22of Catharanthus roseus[J].Journal of Biotechnology,2002,96(2):
193-203.
[25] 陈娜.内生真菌提高醉马草低温萌发能力的分子机制[D].兰州:兰州大学,2012.
[26] 李春杰.醉马草-内生真菌共生体生物学与生态学特性的研究[D].兰州:兰州大学,2005.
[27] 高嘉卉,南志标.禾草内生真菌生物碱的研究进展[J].生态学报,2007,27(6):2531-2546.
[28] Wink M,Witte L.Evidence for a wide-spread occurrence of the genes of quinolizidine alkaloid biosynthesis[J].FEBS
Letters,1983,159:196-200.
[29] Zhang X X,Li C J,Nan Z B.Effects of salt and drought stress on alkaloid production in endophyte-infected drunken
horse grass(Achnatherum inebrians)[J].Biochemical Systematics and Ecology,2011,39:471-476.
[30] Zhang X X,Li C J,Nan Z B.Effects of cutting frequency and height on alkaloid production in endophyte-infected drunken
horse grass(Achnatherum inebrians)[J].Science China-Life Sciences,2011,54(6):567-571.
[31] 刘冲,刘玲,刘兆普,王景艳.色氨酸对海水处理下长春花生物碱含量的影响[J].天然产物开发与研究,2009,21:
998-1002.
[32] Nan Z B,Li C J.Neotyphodiumin native grasses in China and observations on endophyte host interaction[A].Paul V
H,Dappricheds P D.Proceedings of the 4th International Neotyphodiumof Grass Interactions Symposium[C].Soest,
Germany:2000:41-50.
[33] West C P,Izekor E,Robbins R T.Acremonium coenophialum effects on infestations of barley yelow drawft virus and
soil bornenematodes and insects in tal fescue[A].Proceeding of International Symposium on Neotyphodiumof Grass In-
teractions[C].Louisinana,USA:1990:196-198.
[34] 代乐英,黄玺,李春杰,南志标.麦角生物碱在醉马草内生真菌共生体中的空间分布[J].草业学报,2010,19(6):
215-221.
[35] Eerensa J P J,Lucasb R J,Eastonc S,Whited J G H.Influence of the endophyte(Neotyphodium lolii)on morphology,
physiology,and alkaloid synthesis of perennial ryegrass during high temperature and water stress[J].New Zealand Jour-
nal of Agricultural Research,1998,41:219-226.
[36] Gentry C E,Chapman R A,Henson L,Buckner R C.Factors affecting the alkalid content of tal fescue(Festuca arundi-
macea Schreb)[J].Agronomy Journal,1969,61:313-316.
[37] Porter J K,Bacon C W,Robbins J D,Betowski D.Ergot alkaloid identification in Clavicipitaceae systemic fungi of pas-
ture grasses[J].Journal of Agriculture and Food Chemical,1981,29:653-657.
[38] 朱平,胡晨曦,杨金玲.麦角碱生物合成途径中酶学及相关基因研究进展[J].西北植物学报,2005,25(4):819-828.
[39] Tsai H F,Wang H,Gebler J C.The Claviceps purpurea gene encoding dimethylalyl tryptophan synthase,the committed
step for ergot alkaloid biosynthesis[J].Biochemical and Biophysical Research Communications,1995,216:119-125.
(责任编辑 武艳培)
948