王 捷，李 博，張志雄，白 蕓，郭偉楠，尤敏如，劉 璇，石 瑛

(1.太原師范學(xué)院 生物系， 山西 晉中 030619；2.太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院， 山西 晉中 030619)

0 引言

念珠藻隸屬于藍(lán)藻門(mén)(Cyanophyta)、藍(lán)藻綱(Cyanophyceae)、段殖藻目(Hormogonales)、念珠藻科(Nostocaceae)、念珠藻屬(Nostoc)[1].它是一類(lèi)具有異形胞的絲狀固氮藻類(lèi)，廣泛分布于全球七大洲的陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)中[2].即使在低溫、高溫、干旱及高紫外輻射等極端環(huán)境中，念珠藻的一些種類(lèi)也表現(xiàn)出十分強(qiáng)大的生命力[3].目前最常見(jiàn)的藥食同源念珠藻主要有3種，分別是普通念珠藻(Nostoccommune，也稱(chēng)地皮菜或地木耳) 、擬球狀念珠藻 (Nostocsphaeroides，也稱(chēng)葛仙米)和發(fā)狀念珠藻 (Nostocflagelliforme，也稱(chēng)發(fā)菜).這三種念珠藻具有極高的食用、藥用和保健價(jià)值，不僅含有多種人體所必需的氨基酸、微量元素和維生素，還具有高蛋白、低脂肪的特點(diǎn)[2，4，5].而念珠藻源生物活性成分既能夠在體內(nèi)外直接清除自由基，又具有特殊的抗腫瘤活性，其作用機(jī)制與抑制腫瘤細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)細(xì)胞死亡以及抑制細(xì)胞的侵襲遷移有關(guān).此外，念珠藻還有較強(qiáng)的免疫作用，可以提高患病或正常動(dòng)物的免疫功能，具有成為天然免疫增強(qiáng)劑的潛力[4，6].為了充分開(kāi)發(fā)和利用念珠藻資源，本文綜合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)地木耳、葛仙米和發(fā)菜的研究報(bào)道，綜述這三種念珠藻在全球的分布情況、影響念珠藻生長(zhǎng)的因素和念珠藻源生物活性成分及作用，以便能為念珠藻的保護(hù)和合理利用提供理論指導(dǎo).

1 藥食同源念珠藻的分布、生長(zhǎng)及其影響條件

1.1 地木耳、發(fā)菜和葛仙米的分布

地木耳等念珠藻具有極強(qiáng)的抗寒、紫外輻射、極端干旱、低光、高溫等能力[9]，因此可以在極端環(huán)境中存活.地木耳主要分布在石灰石或喀斯特地形區(qū)，多生長(zhǎng)在潮濕的土壤和巖石表面[7].發(fā)菜群體外形呈絲狀或帶狀，貌似頭發(fā).由于其生長(zhǎng)的局限性和特異性，主要分布于中國(guó)、法國(guó)、蒙古、美國(guó)、捷克、墨西哥、摩洛哥、索馬里和阿爾及利亞等國(guó)家，在我國(guó)主要分布于青海、新疆、寧夏、甘肅、陜西、內(nèi)蒙古、河北和山西等西部和西北部省、市、自治區(qū)，因其生長(zhǎng)的特殊性和局限性，主要生長(zhǎng)在干旱或半干旱的荒漠草原地帶，是荒漠草原中特有的陸生藻類(lèi)植物[7，8].葛仙米主要分布在我國(guó)的湖北省恩施自治州鶴峰縣、房縣、神農(nóng)架林區(qū)等地的土壤或水體表層、池塘、湖泊、溪流的沙石間或潮濕的泥土上[9].

1.2 影響念珠藻生長(zhǎng)的條件

1.2.1 溫度

溫度是影響念珠藻生長(zhǎng)的最重要因素之一.主要從光合作用和呼吸作用兩方面考慮，溫度影響酶的活性，進(jìn)而影響呼吸速率以及光合速率，甚至固氮能力[10].發(fā)狀念珠藻細(xì)胞在25 ℃下培養(yǎng)可獲得最大比生長(zhǎng)速率[11]，溫度越低，對(duì)其生長(zhǎng)的抑制作用就越顯著，低溫會(huì)影響葛仙米蛋白合成酶的表達(dá)，使可溶性蛋白含量保持在較低水平，葛仙米在10 ℃條件下可基本恢復(fù)光合活性，更低的溫度則會(huì)給葛仙米光合活性造成不可逆?zhèn)12].而高溫培養(yǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)藻體偏軟，顏色變淺和破裂現(xiàn)象[13].還有研究表明，高溫會(huì)提高發(fā)菜對(duì)高鹽脅迫的耐受性[14].總的來(lái)說(shuō)，每種念珠藻有其各自的最適生長(zhǎng)溫度，分布地域十分廣泛.低于最適溫度時(shí)，各種生理指標(biāo)隨溫度升高而增強(qiáng)，而在高于最適溫度時(shí)隨溫度升高而降低.在南極和北極發(fā)現(xiàn)過(guò)念珠藻的蹤跡，在溫泉中也發(fā)現(xiàn)過(guò)有念珠藻生長(zhǎng)[13].

1.2.2 水分

水分也是重要的限制因子.念珠藻廣泛分布于各種極端環(huán)境中，超強(qiáng)的抗干燥能力是其存活的關(guān)鍵.一些藍(lán)藻在干燥復(fù)水后可以恢復(fù)其生理活性，光合能力和固氮能力在復(fù)水后不久就能恢復(fù).一株保存了106年的念珠藻浸水后仍然迅速地恢復(fù)了生理活性[13].發(fā)菜嚴(yán)重缺水時(shí)，生理活動(dòng)處于“休眠狀態(tài)”，而抗氧化酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在其耐旱適應(yīng)性中發(fā)揮著重要作用，其中海藻糖和蔗糖可能對(duì)發(fā)菜原植體起到了保護(hù)作用，當(dāng)水分供給時(shí)可迅速恢復(fù)生長(zhǎng)特性[15-17].

1.2.3 光照

光是環(huán)境中的一個(gè)重要生態(tài)因子.光質(zhì)(不同顏色或波長(zhǎng)的光)、光強(qiáng)以及光周期變化都可影響植物的生長(zhǎng)和生理功能[18].同樣，光照也是影響念珠藻生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，適量光照有利于其生長(zhǎng)[19].光周期早期階段是ATP和一些重要物質(zhì)的產(chǎn)生和儲(chǔ)存階段.光周期中期階段是消耗這些物質(zhì)以進(jìn)行固氮的階段.在光周期后期階段，由于大量活性氧的產(chǎn)生導(dǎo)致固氮酶受抑制，固氮作用減少.有研究表明，在黑暗條件下，光周期產(chǎn)生的代謝物累積可使固氮作用有短期的持續(xù)[20].

培養(yǎng)地木耳細(xì)胞或藻絲過(guò)程中，光照強(qiáng)度為2 000 Lx，光照和黑暗比(12 h ∶12 h)是比較適宜的環(huán)境條件[21].同樣，培養(yǎng)發(fā)菜細(xì)胞或藻絲時(shí)，在45 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)下培養(yǎng)得到最大比生長(zhǎng)速率[11，22].在黑暗與低光強(qiáng)(<1 μmol·m-2·s-1)條件下，難以完成發(fā)育過(guò)程.而光強(qiáng)在10，20，30和60 μmol·m-2·s-1條件下，細(xì)胞生長(zhǎng)良好[11].培養(yǎng)葛仙米的過(guò)程中，不同的光強(qiáng)和光質(zhì)對(duì)葛仙米藻殖段的誘導(dǎo)分化有控制作用.適宜光照下會(huì)形成直徑較大的原植體，這時(shí)較厚的表層對(duì)內(nèi)層結(jié)構(gòu)就會(huì)有明顯的遮光效應(yīng).通過(guò)不同光質(zhì)來(lái)誘導(dǎo)葛仙米和地木耳的培養(yǎng)，可調(diào)整各種藻膽蛋白的比例，從而方便所需藻膽蛋白類(lèi)型的獲取[13].盧菁菁等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)葛仙米前期，紅光、藍(lán)光和綠光有助于藻藍(lán)蛋白的合成，但是紅光抑制藻紅蛋白的合成.在培養(yǎng)后期，紅光處理有利于葉綠素a和類(lèi)胡蘿卜素積累.紅、綠單色光有助于光合色素物質(zhì)積累，作為工業(yè)原料有更高的提取價(jià)值.用紅光培養(yǎng)葛仙米氨基酸含量更高，作為食用更好.綜上所述，不同光質(zhì)可使葛仙米積累不同的有價(jià)值物質(zhì).

1.2.4 營(yíng)養(yǎng)元素

1.2.5 鹽脅迫

野生葛仙米要在干濕交替的環(huán)境下生存，因此在耐受干旱環(huán)境時(shí)，鹽分的不斷富集要求葛仙米也需要承受鹽脅迫.室內(nèi)培養(yǎng)發(fā)菜，培養(yǎng)基中含有0.1 mol·L-1NaCl，可使色素含量達(dá)到最高，當(dāng)含有濃度為0.2 mol·L-1NaCl時(shí)，光合速率增強(qiáng)，蔗糖和胞外多糖積累最多.而在高鹽脅迫下，色素含量迅速下降[24].研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期高溫和干旱可促進(jìn)發(fā)菜對(duì)高鹽脅迫的耐受性.當(dāng)NaCl濃度為0.1 mol·L-1時(shí)，其光合速率和葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，而且外源硝酸鹽可以增強(qiáng)其抗鹽性[14].因此，鹽脅迫也會(huì)影響到念珠藻的各項(xiàng)生理指標(biāo).

綜上所述，影響念珠藻生長(zhǎng)的條件較為復(fù)雜，但相比之下細(xì)胞對(duì)N，P，Ca的需求比較明顯，而且對(duì)溫度和光照的要求均比較低.

2 藥食同源念珠藻生物活性成分及作用

念珠藻中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，包括果膠、葉綠素a、葉黃素、胡蘿卜素、多糖、必需氨基酸、維生素、礦物質(zhì)、藻膽素和藻藍(lán)蛋白 (Phycocyanin，又稱(chēng)PC)[26，27]，具有很大的醫(yī)療和保健作用，最早在《本草綱目》和《本草綱目拾遺》中就有關(guān)于發(fā)菜、地木耳和葛仙米的藥用價(jià)值記載.地木耳富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它不僅含有豐富的氨基酸、蛋白質(zhì)和糖類(lèi)，而且還含有多種人體必需的微量元素、少量的脂肪和色素，其中總蛋白質(zhì)含量占干重高達(dá)55%左右，是人體主要的蛋白質(zhì)來(lái)源[28].發(fā)菜富含多種氨基酸、鐵及碘等多種礦物元素，具有清熱解毒、化痰止咳、通便利尿的作用，可治療高血壓、佝僂病、氣管炎、痢疾、鼻出血等疾病，對(duì)降低人體膽固醇和血脂含量有特殊功效，手術(shù)后服用可促使傷口愈合[8，29].葛仙米中富含蛋白質(zhì)、多糖、維生素、不飽和脂肪酸、礦質(zhì)元素、微量元素以及人體必需的全部氨基酸[30].其不僅可食用，還具有治療夜盲癥、脫肛、燙傷及美容的功效.

2.1 多糖

念珠藻多糖是念珠藻保持其完整群體的主要物質(zhì)，并且具有重要的生理功能和藥理活性.研究發(fā)現(xiàn)，地木耳、發(fā)菜和葛仙米中的多糖主要包括葡萄糖、木糖、半乳糖和海藻糖等組分[31].念珠藻具有極強(qiáng)的抗逆性，這與它極強(qiáng)的生理適應(yīng)機(jī)制密切相關(guān)，而胞外多糖在抵御干旱脅迫時(shí)就起著重要的作用.最重要的是，念珠藻多糖在抗病毒、抗感染、抗腫瘤和增強(qiáng)機(jī)體免疫等方面有顯著活性.發(fā)菜多糖nostoflan通過(guò)抑制病毒與宿主細(xì)胞的結(jié)合來(lái)發(fā)揮其抗病毒作用，也可抑制病毒在體內(nèi)外的復(fù)制，是一種潛在的抗病毒輔助藥物[28].葛仙米中的多糖成分對(duì)超氧自由基和羥自由基有很強(qiáng)的清除作用.而水溶性多糖對(duì)霉菌、大腸桿菌和綠膿桿菌均有抑制作用，尤其對(duì)綠膿桿菌的抑制作用最強(qiáng)[32].地木耳多糖可誘發(fā)人乳腺癌細(xì)胞的凋亡，還可抑制人小細(xì)胞肺癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[33，34].發(fā)菜胞外多糖可通過(guò)非特異性免疫系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)小鼠機(jī)體免疫[35].

2.2 蛋白質(zhì)

念珠藻因其富含高蛋白，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，所以被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域.藻藍(lán)蛋白(PC)是一種存在于紅藻和藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)的光合輔助色素，是一種特殊的色素蛋白，能高效捕捉光能[36]，在人體外對(duì)人的紅細(xì)胞和血漿的氧化損傷具有良好的保護(hù)作用[37]，同時(shí)對(duì)激動(dòng)劑誘導(dǎo)的血小板凝集起到抑制作用[38].有研究表明，PC 對(duì)小鼠S180 腫瘤具有較高的抑瘤活性，并能提高機(jī)體抗氧化功能[39].葛仙米中的藻膽蛋白對(duì)生物體內(nèi)的活性氧有很強(qiáng)的清除作用，其中藻紅蛋白清除羥自由基效果最好[40].該藻膽蛋白也可增強(qiáng)機(jī)體免疫功能[41].

其中屬于蛋白質(zhì)類(lèi)的典型代表——超氧化物歧化酶(SOD)，它是藻類(lèi)中一種重要的修復(fù)成分，與藻類(lèi)的抗逆性有關(guān)[42].地木耳所含的水應(yīng)激蛋白可以有效抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖.在組織缺水的情況下，地木耳內(nèi)部會(huì)合成水應(yīng)激蛋白，從而抵御干旱、維持組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[6，43].

2.3 其他生物活性成分

目前，在地木耳等念珠藻中還發(fā)現(xiàn)多種生物源活性成分，如CVN、環(huán)肽類(lèi)化合物、甲醇提取物等具有抗病毒、抗腫瘤、抗感染、抗氧化等作用.其抗腫瘤的作用方式與抑制腫瘤細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)細(xì)胞死亡以及抑制細(xì)胞的侵襲遷移有關(guān)，其抗氧化的作用方式與體外直接清除自由基或增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶活性和抑制過(guò)氧化產(chǎn)物生成有關(guān)，其抗感染的作用方式與調(diào)控炎癥相關(guān)信號(hào)通路MAPK，PI3K/Akt，NF-κB 等抑制炎癥因子表達(dá)并提高抗感染因子表達(dá)有關(guān)[6].研究表明，CVN能特異地、高親和性地結(jié)合在人免疫缺陷病毒 HIV-I的衣殼蛋白gp120上從而發(fā)揮抗病毒活性.除此之外，CVN還有抗單純皰疹病毒-1(HSV-1)、埃博拉病毒、流感病毒A型和B型、丙型肝炎病毒的活性[44].因其具有抗病毒譜廣、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，CVN成為一種很有價(jià)值的抗病毒藥[45].從地木耳的甲醇提取物中分離得到一種具有抗真菌活性的氨基酸衍生物——環(huán)肽Nostofungicidine，環(huán)肽類(lèi)化合物是從念珠藻中分離的活性化合物中種類(lèi)最豐富，最有潛力的一類(lèi)化合物[46，47].從地木耳中提取得到二萜樹(shù)脂酸和蒽酮類(lèi)物質(zhì)，這兩種物質(zhì)具有廣譜抗菌作用，從念珠藻中還分離得到幾種對(duì)能夠引起艾滋病患者二次感染的真菌Cryptococcussp.有抑制作用的物質(zhì).

3 念珠藻在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用

首先，在食用方面，念珠藻蛋白質(zhì)含量高，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域.發(fā)菜是植物蛋白質(zhì)中含量較高的，屬人體營(yíng)養(yǎng)中較理想的蛋白質(zhì)食品[8].葛仙米和發(fā)菜的大規(guī)模培養(yǎng)將作為人類(lèi)蛋白質(zhì)的新來(lái)源，為緩解世界糧食問(wèn)題做出貢獻(xiàn).其次，在生態(tài)方面，念珠藻分泌的高粘度的糖類(lèi)和蛋白質(zhì)可以使表層土壤固定，也可以與其他藍(lán)藻、苔蘚等共生來(lái)防止土壤侵蝕，改善土壤透水性和保水性，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng).念珠藻中含有異形胞，是一種天然無(wú)公害的氮源，不僅能夠改善土地貧瘠，還能作為重要氮源參與荒漠地區(qū)的物質(zhì)循環(huán)以及作為新形成陸地的先鋒植物.念珠藻也具有極強(qiáng)的光合作用能力，是荒漠地區(qū)重要的初級(jí)生產(chǎn)者之一[1].發(fā)菜可以實(shí)現(xiàn)土壤物質(zhì)的流轉(zhuǎn)并維持荒漠草原稀疏植被的生態(tài)平衡，在干旱、半干旱地區(qū)具有重要作用[8]，地木耳被作為拓殖者和先鋒生物用于治理荒漠化和恢復(fù)荒漠植被，也可作為土壤結(jié)構(gòu)的改良劑、固氮菌，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的改善和植物的生長(zhǎng)[7].地木耳本身作為一種天然色素及從中提取的紫外線防護(hù)色素可用于化妝品的開(kāi)發(fā).此外，有些念珠藻還具有生產(chǎn)環(huán)保生物材料的潛力.將念珠藻作為絮凝劑、粘性劑應(yīng)用于工業(yè)廢水、生活污水的處理，有較好的效果.

4 總結(jié)與展望

念珠藻是一類(lèi)絲狀固氮藍(lán)藻，廣泛分布于全球七大洲的陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)中[1].其中三種重要的藥食同源念珠藻含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，包括果膠、葉綠素a、葉黃素、胡蘿卜素、多糖、必需氨基酸、維生素、礦物質(zhì)、藻膽素和藻藍(lán)蛋白[34，35].念珠藻的價(jià)值不僅是作為食品和保健品，而且在生態(tài)學(xué)上有重要的意義.目前對(duì)念珠藻的分布和影響念珠藻生長(zhǎng)的主要因素進(jìn)行了調(diào)查研究，為念珠藻的大規(guī)模培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ).近年來(lái)，人們逐漸展開(kāi)了對(duì)發(fā)菜等念珠藻的人工繁殖技術(shù)和生物學(xué)特性的研究，取得了一定進(jìn)展，為念珠藻的持續(xù)開(kāi)發(fā)利用提供一定的方法.但是，在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下，這三種念珠藻的形態(tài)都呈現(xiàn)球狀或者無(wú)規(guī)則生長(zhǎng)，不能長(zhǎng)成其野外形態(tài).而且野外大規(guī)模培養(yǎng)還是不可實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)一步研究影響其野外生存的各種因素，綜合各種影響因素來(lái)發(fā)現(xiàn)其野外生存的奧秘，盡快實(shí)現(xiàn)藥食同源念珠藻的野外大規(guī)模培養(yǎng).最重要的是，藥食同源念珠藻生物學(xué)活性物質(zhì)的醫(yī)學(xué)作用.現(xiàn)已研究了念珠藻多種活性成分在抗病毒、抗感染、抗腫瘤和增強(qiáng)機(jī)體免疫等方面的活性.還需進(jìn)一步改進(jìn)和完善活性成分的提取工藝，提高分離純化純度.繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)活性成分藥理學(xué)作用的研究，充分挖掘其價(jià)值，探索其在其它免疫、心血管等重大疾病中的作用，具有廣泛的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景.

習(xí)近平主席多次強(qiáng)調(diào)必須樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，像對(duì)待生命一樣對(duì)待生態(tài)環(huán)境.但是由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境的變化，以及人類(lèi)對(duì)主產(chǎn)地藥食同源念珠藻的掠奪性采挖，對(duì)人類(lèi)極其重要的三種念珠藻不斷減少，現(xiàn)已處于瀕臨滅絕狀態(tài).念珠藻的保護(hù)也應(yīng)引起人們足夠的重視.在嚴(yán)格執(zhí)行草原法、杜絕亂采濫摟的前提下，在適當(dāng)?shù)赜虿扇∮杏?jì)劃的科學(xué)采收，并且對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化管理和經(jīng)營(yíng)，可實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益的和諧統(tǒng)一.