全 文 ：海绵及其共附生微生物的活性物质与化学防御*
黄奕 李志勇**
(上海交通大学生命科学技术学院海洋生物技术实验室,上海 200240)
摘 要: 海绵及其共附生微生物具有多种化学防御途径, 具体表现在能够抵御潜在病原微生物、抗鱼类捕
食、阻止污浊生物和降解表面活性剂等方面, 这可能与海绵及其共附生微生物产生的活性物质有关。本文对海绵
及其共附生微生物的化学防御进行讨论,希望对相关机制的揭示有所帮助。
关键词: 海绵 化学防御 活性物质
Chemical Defense and Active Compounds of Sponge
and Sponge-associated Microorganisms
Huang Yi Li Zhiy ong
( Mar ine B iot echnolog y L aborator y , S ch ool of L i f e Sc ienc e and Biot echnolog y ,
S hanghai J ia o Tong Univ ersi ty , S hanghai 200240)
Abstract: Sponges and their associated micro or ganisms have developed a var iety o f chemical defense path-
w ays. They have too ls to defend themselv es against potentially pathogenic bacter ia and fish predator s, deter fouling
org anisms, and degr ade sur factant. T hese chemical defense pathway s may due to bioactiv e compounds that pr oduced
by sponges and their associated microo rg anisms. We discuss the chemical defense of sponge and asso ciated micr oo r-
ganisms, and w ish t o rev eal r elated mechanisms.
Key words: Sponge Chemical defense Activ e compound
1 海绵与共附生微生物
海绵是一种相当原始的多细胞动物,早在 6~ 8
亿年前就已经出现并一直生存繁衍到现代。海绵约
占海洋物种总量的 1/ 15,是海洋中除珊瑚外的第二
大生物量。海绵通过过滤流经体内的水流摄取其中
的营养,随之而来的是海绵体表与体内驻留大量的
微生物。
海绵中共附生的微生物涵盖古细菌、细菌、微藻
和真菌等多种门类。按分布可分成三类 [ 3] : ( 1)在海
绵体内各处分布的微生物,与外界微生物种类相似,
主要作为海绵食物来源; ( 2)驻留在海绵中质内的细
胞外微生物,对中质具有特异性; ( 3)永久寄居在海
绵细胞细胞核内的微生物,对宿主具有特异性。
2 海绵与共附生微生物构建的化学防御体
系
几亿年海绵与共附生微生物共同进化的结果是
能产生多种活性物质, 构建了复杂奥妙的化学防御
系统。
早在 1950年就有报道说从海绵中分离到活性
物质[ 4, 5] , 此后陆续从海绵中发现了大量抗肿瘤[ 6]、
抗菌[ 7]、抗病毒(含 HIV ) [ 8]物质。此外还发现一些
活性物质具有特定的酶抑制剂活性[ 9, 10] , 抗污损能
力[ 1 1, 12]。1998~ 2003 年报道的新发现的活性物质
中来源于海绵的占相当大比重[ 13~ 18]。我国也能够
海绵中发现了一些结构新颖、具有应用价值的天然
化合物[ 19] 。
收稿日期: 2005-12-29
* 基金项目:国家高新技术发展计划( 863) ( 2002AA628080, 2004AA628060) 及上海市青年科技启明星计划( 04QMX1411)和上海高校优秀
青年教师后备人才计划资助( 03YQHB024)
作者简介:黄奕( 1982- ) ,女,硕士研究生,研究方向:海洋微生物
** 通讯作者: T el : 021-27974893, E- Mail : zyli@ sj tu . edu. cn
生物技术通报
# 综述与专论# BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年第 1期
海绵活性物质具有多聚、成环、不饱和度高和杂
原子含量高等特点。常见的海绵活性物质的种类有
倍半烯萜类、固醇和类固醇、生物碱类、大环内酯类、
环肽类、多聚乙酰类、多糖类等。其中许多天然活性
物质结构新颖 [ 20, 21] , 甚至在陆地生物中从未发
现过。
参与化学防御的活性物质,来源相当复杂,可能
由海绵单独产生, 可能由海绵共附生微生物产
生[ 22, 23] , 还有可能由两者共同产生。
Salomon等人[ 24] 从海绵及其它海洋生物中分
离到一系列具有生物活性的芳香族生物碱化合物吡
啶吖啶, 研究发现海绵 Oceanap ia sagi t tar ia 中大
量吡啶吖啶生物碱衍生物 ( pyr idoacr idine alkaloid
dercitamide)位于一种不含微生物的海绵细胞 in-
clusional cell, 而且这类活性物质由海绵细胞外转移
到细胞内的可能性相当小, 因而很可能是海绵自身
细胞产生的。
对海绵共附生微生物的研究发现, 从海绵分离
出的微生物能产生一些与过去从宿主中分离到的活
性物质结构相类似的代谢产物。因而有观点认为,
海绵中分离到的活性物质相当大一部分来源于海绵
的共附生微生物[ 25, 26]。有一类类似枯草菌溶血素
( surfact in)的物质 depsipept ide 首先从海绵中分离
得到。1995年, Suzumura 等人[ 27] 发现海绵共附生
的短杆菌 Bacil lus p umilus 也能产生该类物质。
2001 年, Har rigan 等人在从菲律宾采集的海绵
Dysidea sp .中分离到两种结构类似 bar bamide 的
化合物[ 28] , 而 barbamide 最先是从蓝藻 Lyngbya
majuscula的代谢产物中发现的, 由于蓝藻附生于海
绵 Dysidea sp .上, 因此怀疑这两种活性物质是蓝
藻产生的。2004年, 德国的 Piel 等人从海绵 The-
onel la sw inhoei 中发现了 onnamide 和 theopederin
两种物质[ 29] ,它们属于聚酮化合物( polyket ide) , 具
有抗癌活性,而编码与抗癌活性相关的聚酮化合物
骨架的基因序列经研究后发现是属于原核生物的基
因,故认为这类活性物质很可能由海绵共附生菌产
生。但是,关于海绵活性物质微生物来源的观点目
前还停留在假说阶段,尚缺乏直接、充分的证据。
3 海绵及其共附生微生物的化学防御
在化学防御方面,这些活性物质发挥了相当大
的作用, 能够抵御 ]病原微生物[ 30]及捕食者 [ 31] , 与其
它生物竞争生存空间[ 32] ,降解污染物[ 33]。
3. 1 抵御病原微生物
海绵通过过滤流经体内的水流吸收食物,时时
刻刻要面对海水中病原菌的威胁。目前从海绵及其
共附生微生物中得到的大量抗菌活性物质说明海绵
对微生物有相当强的化学防御能力。
海绵的一些共附生微生物为了自身的生存发展
及宿主的健康,会产生抗菌活性物质抑制某些菌的
生长。1996 年, Doshida J 等人培养了从海绵 My-
cale adhaer ens 中分离到的微生物 Ex op hiala p i s-
ciphi la NI10102[ 34] ,发现其代谢产物中有一种新的
抗菌活性物质 Exophilin A, 这种物质是一种三分子
的缩合物, 能抑制革兰氏阳性菌。2003 年, Na-
gai
[ 35]、Suzumura 等人[ 36] 从海绵 H alichondria j a-
ponica 分离到菌株 Bacil lus cereus QN03323, 用肉
汤培养,发现两种新的抗生素 YM-266183 和 YM-
266184,它们均为硫肽,对葡萄球菌和肠道球菌有抗
性。同年, Gomez等人从海绵 I rcinia f el ix 分离到
P enici l lium sp. [ 37] , 对它的有机萃取产物的抑菌活
性进行了最低抑菌浓度 ( Minimal Inhibitory Con-
centr at ion, M IC)测试, 发现用不同溶剂萃取得到的
产物抗菌活性不同, 说明 Penicil l ium sp. 的代谢产
物中有多种极性不同的抗菌活性物质。2004 年,
M ito va等人从海绵 Suber i tes domuncula 的细胞培
养物中分离到一株菌[ 38] ,从该菌的细胞提取物中发
现两种新的环肽,均对枯草芽孢杆菌有抗性。国内
在这方面也有一定成果, 中国科学院大连化学物理
研究所从繁茂膜海绵中分离到一株抑制革兰氏阳性
菌能力相当强的链霉菌 [ 39]。中国科学院沈阳应用
生态研究所从大连海域的繁茂膜海绵( H ymeniac-
idon p er leve ) 中分离到 5 株具有抗菌活性的放线
菌[ 4 0] ,它们分别对白色假丝酵母菌、枯草芽孢杆菌、
稻瘟霉病菌等有良好的抑制作用。上海交通大学对
细薄星芒海绵、贪婪倔海绵等四种海绵的共附生微
生物采用透射电子显微镜和不依赖于分离培养的
PCR-DGGE基因指纹技术对微生物的多样性进行
了研究,证明海绵体内的微生物种群非常丰富, 而且
存在宿主特异性[ 41, 4 2]。同时,我们的生物活性研究
结果证实 20%以上的海绵共附生微生物具有抗菌
14 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2006年第 1期
活性[ 43] ,其中一些具有较显著的抗肿瘤活性; 此外,
我们还发现海绵共附生微生物间存在协同生物效
应[ 44]。
Nar sinha 等人对海绵 I rcinia r amose 的抗菌活
性进行研究[ 30] ,发现了一个相当有趣的现象。他们
在一月份和五月份两段时间采样观测海绵邻近感染
菌( v icinity f oul ing bacteria, VFB)和表面共附生
菌( surf ace-associated bacteria, SAB) , 检测到水中
病原菌和海绵表面菌数量在气温较高的五月份多于
气温较低的一月份。对海绵萃取分馏的产物进行研
究,发现一月份的样品中极性物质较多,五月份则为
非极性物质较多,虽然实验结果是极性物质抑菌效
果好,但非极性物质不易溶于海水而随海水扩散, 更
能稳定发挥抑菌作用。活性物质能随环境(气温)改
变而改变, 与海绵共附生菌有很大关系。从海绵表
面分离到的共附生菌在一月份主要属于芽胞杆菌
( Baci llus sp. )和肠杆菌( Enterobacter iaceae) , 在五
月份主要为芽胞杆菌 ( Baci l lus sp. )和假单胞菌
( Pseudomonas sp . )。很可能是细菌种类比例的调
整导致了活性产物的不同。海绵居然能根据气温调
整共附生菌种类的比例, 化学防御体系灵活实用, 实
在令人惊叹。
在化学防御体系中, 海绵与微生物的关系相当
微妙。目前有研究表明海绵在抵御病原微生物方面
有与哺乳动物类似的免疫系统。当有细菌感染海绵
时, 一种细菌内毒素 ) 脂多糖 ( l ipopolysaccharide,
LPS)能激发海绵细胞的应激机制[ 45] , 使细胞内
MAP p38激酶和 JNK 蛋白激酶都被激活, 保护海
绵细胞不受侵害,同时 LPS 很可能通过激活 2c~ 5c
寡腺苷酸合成酶( ( 2c~ 5c) olig oadeny late syntheta-
ses)引发细胞程序死亡机制( apoptosis) [ 46] , 通过抑
制细胞增殖、产生无性繁殖或有性繁殖的幼体来应
对死亡。而有些海绵, 如 Suberites domuncula, 含
可能由微生物产生的冈田酸( Okadaic acid) [ 47]。冈
田酸在低于 100nM 时对海绵细胞没有毒性,而且能
抑制蛋白磷酸酶( pro tein phosphatase) , 使 LPS 诱
导的磷酸化的 MAP 激酶数量上升,保护海绵细胞
不受侵害。而冈田酸浓度高于 500nM 时, 也能通过
抑制蛋白磷酸酶诱发细胞程序死亡。
3. 2 抵御捕食者
海绵一般在水中的岩石、珊瑚、贝壳、水生植物
或其它物体上固着生长, 当遇到鱼类捕食时无法逃
逸,但许多海绵利用自身及共附生微生物产生的代
谢产物成功的保护了自己。
1995年, Albrizio 等人从加勒比海海绵 A m-
phimedon comp r essa中找到一种新的吡啶生物碱聚
合物( polymeric pyridinium alkaloid) , 名为 amph-i
tox in inver ted quest ion mark2 inverted quest ion
mark [ 48] , 在实验室喂食实验中,从海绵得到的这种
物质的粗萃取物及纯化产物在低于天然浓度水平的
情况下, 能有效避开一种杂食加勒比海礁鱼
T halassoma bif asciatum 的食用。1996年, Chanas
等人 研 究 加 勒 比 海 海 绵 Agelas clathrodes
( Schm idt )的代谢产物, 萃取及柱层析后得到一系列
成分,实验确证这些成分中生物碱 oroidin 及其水解
产物 4, 5-dibromopy rro-l 2-carboxylic-acid具有抗捕
食作用[ 49] 。除了加勒比海区域的 A gelas 海绵外,
其它地区的该类海绵中也发现了上述两种物质,
Chanas等人认为这类抗鱼类捕食的代谢产物可能
是海绵 Agelas 属比较普遍的化学防御手段。1999
年, Wilson等人从加勒比海礁海绵 Ax inel la cor r u-
gata 的有机提取物中获得纯化的化合物,发现其中
一种二溴化生物碱 stevensine对试验鱼类有直接的
威慑效果[ 50] 。A ssmann 等人在 2001、2002年陆续
发表了三篇关于海绵中发现的溴化吡咯生物碱的文
章[ 5 1~ 53]。他们在加勒比海海绵 Sty l i ssa caribica
中 发 现 了 一 种 新 的 化 合 物 N-methyldibro-
moisophakellin
[ 51]
, 在人工食品加入相当于天然浓
度的该物质能阻止礁鱼 Thalassoma bi f asciatum
的食用。在海绵 A gelas sventr es 的二氯甲烷/甲醇
萃取物中, Assmann等人也发现了一系列溴化吡咯
生物碱( br ominated py rrole alkaloids)中 hymenidin
和一种新的溴化吡咯衍生生物碱 sventrin均能威慑
礁鱼 Thalassoma bi f asciatum [ 52]。他们分析加勒
比海海绵 A gelas sp. 的化学成分时得到了四种溴
化化合物, 其中一种是新颖的溴化吡咯代谢物
monobromoisophakellin [ 53]。四种化合物也都做了
抗鱼类捕食试验。
至今为止,海绵中发现的具抗鱼类捕食能力的
152006年第 1期 黄奕等:海绵及其共附生微生物的活性物质与化学防御
化合物大部分属于生物碱类, 但还有部分例外。
Paw lik等人研究加勒比海 I r cinia海绵时发现了海
绵内含高浓度的线型呋喃糖萜特窗酸 ( furano ses-
terterpene tet ronic acids, FTAs)
[ 31]。研究三种 I r-
cinia海绵粗有机萃取产品及分馏产品, 发现主要是
FT As对鱼类捕食具有抵御作用。
3. 3 竞争生存空间
水体中,许多生物如淡菜, 藻类, 藤壶等会附着
在其它生物或非生物之上, 在条件适宜的情况下大
量生长繁殖,掠夺其它生物的生存空间。海绵的化
学防御体系也有应对之策。
Mikel等人研究了地中海西北多岩石近海滩地
区一种毒性较大分布较广的海绵 Cr ambe cr ambe ,
发现该海绵所产活性物质的毒性与空间有一定关
联[ 32]。在空间饱和,而且周围主要由生长缓慢的生
物占据时,该海绵产生的代谢产物毒性较强; 而生存
空间较充裕,与海藻比邻时,海绵的代谢产物毒性偏
弱。究其原因, 海藻生长具有季节性,与终年存在慢
性生长的生物相比,不是与海绵竞争生存空间的主
要对手。进化确实令海绵在各种不同的环境下生存
都游刃有余。
Tadamasa Hat tori 等人海绵 H aliclona ko-
r emella 中发现了一种新的神经酰胺 N-docosanoy-l
D-ery thro- ( 2S, 3R )-16-methy-l heptadecasphing-4
( E)- enine,试验证明该物质对大型藻类有抗附着作
用[ 54]。Jeff rey 等人针对 Ver ong ida 目海绵不受藻
类附着的现象, 研究海绵生产的包括 moloka.
iam ine在内的 dibromotyramine 衍生物, 发现该类
物质对 zebra mussel等大型附着生物具有选择性抑
制作用[ 55]。
藤壶是一种甲壳类动物, 与海绵一样固着生活,
常附于礁石、船体上。海绵 H alichondr ia okadai
具有抑制藤壶在周围附着的能力[ 56] , 研究发现有效
的抑制物 ubiquinone-8 可以从海绵的附生微生物
Al teromonas sp. 的培养物中分离得到。Mart in
Sjo gren等人从海绵 Geod ia barr et ti 中分离到两种
环肽 cyclo [ ( 6-bromo-8- entryptophan) ar ginine] 和
cyclo[ ( 6- bromotryptophan) arg inine] , 它们能阻止
藤壶 Balanus improvisus 幼体附着, 与现今的防污
机制相比,它们还具有无毒和可逆的特点[ 57]。
3. 4 降解污染
海绵从海水中摄取营养,当海水受到污染时,海
绵的生存势必会受到影响,海绵及其共附生微生物
在一定程度上能降解污染物, 维护自身安全。海洋
污染一部分是由包括表面活性剂在内的许多石油化
工产品造成的。Perez 等人研究发现在含高浓度纯
线性烷基苯磺酸盐 ( LAS ) 的鱼池中, 当有海绵
S pongia of f i cinali s 存在的情况下, LAS 的初步降
解速度约为仅有海洋细菌情况下的 10倍[ 33] 。很可
能海绵与共附生微生物吸收利用了 LAS 降解过程
中的中间产物并继续分解, 加快了降解速度。虽然
降解的机理还不是很清楚,但海绵中生活着数量庞
大种类繁多的微生物, 它们具有降解多种多样有机
物的能力是毋庸置疑的。
4 展望
海绵与共附生微生物共同生活进化了几亿年,
密不可分,通过产生多种活性物质构建了强大的化
学防御体系。研究海绵及微生物的化学防御,有希
望了解多种化合物的代谢途径, 揭开活性物质产生
之谜,并为海绵养殖、海产养殖和污染降解提供助
力。
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