序言就冬虫夏草的现代工业化培植在生物经济时代与人类健康事业中的意义作了简单评述。同时,还就我国冬虫夏草现代化产业通过“一带一路”平台走向世界予以展望。
作为名贵传统药材,冬虫夏草的研究方兴未艾。无性型的确定、学名的变更和“一种真菌一个名称”确定了冬虫夏草菌为Ophiocordyceps sinensis;独特的分布、悠久的历史、公众的认可及地方经济的重要作用等被推荐为“国菌”;“虫草产业发展金湖宣言”从产、学、研倡议“尊重科学、利好产业”的发展思路。随着科学研究深入和产业技术发展,冬虫夏草培植获得成功。本专刊对冬虫夏草培植相关基础研究和关键技术进行了总结,对寄主昆虫选育及规模化饲养关键技术到冬虫夏草菌菌种筛选、侵染途径和培植以及培植产品与野生冬虫夏草化学成分和蛋白质谱比较等进行了论述。冬虫夏草培植的成功,不论从科学还是产业的角度,都具有里程碑式的意义。
本文对近年来冬虫夏草的培植,包括菌种分离培养、寄主饲养、侵染机理、接种方法及子实体发育条件等研究进展进行了综述。本研究组成功实现了冬虫夏草培植产业化,所培植的冬虫夏草与野生冬虫夏草在虫种、菌种、外观形态、显微结构和化学成分等方面一致。最后分析了冬虫夏草培植技术现阶段存在的问题,并对未来进行了展望。
本文就广东东阳光药业有限公司工厂化培植的冬虫夏草有性型通过分子系统学分析进行物种鉴定以及对杭州中美华东制药有限公司工厂化培养的冬虫夏草无性型菌丝粉通过HPLC法和1H NMR 指纹图谱法进行的检测予以报道。最后,对于现代工业化培植的冬虫夏草在人类健康与生物经济时代的意义予以展望。
本文选定冬虫夏草寄主昆虫幼虫（S1）、僵虫（S2）、子座初期（子座<1cm,S3）、子座早期（1cm<子座<3cm,S4）、成熟冬虫夏草（子座>7cm,S5）、商品冬虫夏草菌核（S6）、商品冬虫夏草子座（S7）及商品冬虫夏草（中期子座≈5cm,S8）8个样品,用定量蛋白质组学方法iTRAQ分析技术对冬虫夏草不同生长发育阶段的差异蛋白质组进行比较。共计获得9 924个不同肽段,鉴定到1 809个蛋白质,其中差异比值1.5倍以上,P<0.05蛋白个数506个,以商品冬虫夏草样本（S8）为参照,比较差异蛋白数量,寄主幼虫（S1）、僵虫（S2）、子座初期（S3）、子座早期（S4）、成熟冬虫夏草（S5）、商品冬虫夏草菌核（S6）及商品冬虫夏草子座（S7）阶段差异蛋白数分别为104、102、34、35、49、46和136个,说明昆虫幼虫、僵虫及子座与商品冬虫夏草样品差异显著。对鉴定蛋白质数据进行了主成分分析（principal component analysis,PCA）,在第三主成分（component 3）上的显著差异,表明成熟冬虫夏草（S5）的蛋白组成不同于商品虫草,说明成熟虫草品质下降。层次聚类（hierarchy clustering）分析结果表明所有样品分为两支,僵虫（S2）和商品冬虫夏草菌核（S6）与寄主幼虫（S1）聚在了一个分支上,而不同发育阶段样品（S3、S4和S5）与商品虫草子座（S7）聚在一个分支上,说明商品冬虫夏草菌核中还残留有寄主昆虫蛋白。冬虫夏草菌核部位的蛋白到子座部位的蛋白呈现由寄主幼虫蛋白向真菌蛋白发育过渡的聚类关系。子集嵌套关系同步子实体生长发育阶段蛋白组成变化随时间的程序性变化的规律。K-均值（K-means）聚类和Gene Ontology（GO）注释分析,提供了冬虫夏草成熟过程中能量代谢通路的变化趋势以及与真菌侵染昆虫和有性生殖相关蛋白质信息。研究结果为理解寄主昆虫对冬虫夏草功能的潜在贡献、子实体形成和发育的分子机制提供借鉴,并为蛋白质组作为冬虫夏草质量标准提供了科学参考。
本文采用十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）和双向电泳（2-DE）技术对3个野生冬虫夏草样本和3个培植冬虫夏草样本进行了比较分析。SDS-PAGE结果显示6个样品的蛋白质分子量主要分布在3-66.4kDa之间,Quantity one软件处理凝胶图谱显示蛋白条带在20-23条之间;采用PDQuest软件对双向电泳图谱处理,共检测到670-936个蛋白点,蛋白质主要分布在等电点为pI 4.5-6、分子量为29.0-66.7kDa和14.3-20.1kDa两个区域。尽管在不同样品之间存在一定程度的蛋白质差异,但是并没有发现野生冬虫夏草和培植冬虫夏草之间有显著差异。以超氧化物歧化酶（SOD）活力为评价指标对新鲜冬虫夏草以及冷冻干燥、20℃阴干和60℃烘干冬虫夏草样品进行比较,发现新鲜冬虫夏草SOD活力最高,冷冻干燥对冬虫夏草SOD活力的影响小于20℃阴干干燥,60℃烘干干燥对冬虫夏草SOD活力破坏最大,结果表明干燥条件对冬虫夏草SOD活性极其重要。
从西藏新鲜冬虫夏草不同部位分离菌株,并进行固体培养,比较菌丝生长、分生孢子产生情况及不同传代次数菌株的固体培养特性,以获得产生分生孢子数量最多的菌株用于蝙蝠蛾幼虫的侵染。结果表明：单子囊孢子、双子囊孢子和多子囊孢子菌株在斜面上出草能力较好,固体发酵时菌丝生长旺盛,分生孢子产生较多,显著高于组织分离菌株;组织分离菌株中,子座来源的菌株在谷壳和泥炭土培养基中,其产孢能力高于虫体来源的菌株;多次传代（5次传代）菌株在固体斜面上有较明显的退化现象,但在液体及固体发酵方面有着较好的生长以及分生孢子产量。
为获得冬虫夏草菌固体发酵产分生孢子的最优工艺,以野生分离的冬虫夏草菌为材料,对其固体发酵产分生孢子的培养基及培养条件进行了研究。试验结果表明：泥炭土为最佳基础培养基,该培养基中冬虫夏草菌气生菌丝生长一般,但产分生孢子最多,可达4.2×103个/g;泥炭土培养基中添加0.1‰ IAA（吲哚乙酸）、0.1‰ IBA（吲哚丁酸）和0.1‰ NAA（萘乙酸）能促进冬虫夏草菌气生菌丝的生长和分生孢子的产生,其分生孢子达8.1×103个/g;该基础培养基中,冬虫夏草菌于18℃培养30d后,在10℃、相对湿度45%、蓝光照射进行诱导,分生孢子可达1.0×104个/g。本研究建立了一种大量获取冬虫夏草菌分生孢子的方法,为冬虫夏草繁育奠定了基础。
西藏林芝地区冬虫夏草天然产区野生虫草蝙蝠蛾幼虫的肠道液pH范围为9.69-10.99,体外在此pH下培养冬虫夏草菌长势较差。同时,在该pH的体外模拟中肠液中,虫菌体也会在极短的时间内消亡,而对自然侵染的蝙蝠蛾幼虫的血淋巴、消化道及其“反吐物”（肠液）进行切片和显微镜检却发现,蝙蝠蛾幼虫消化道、呕吐物中均存在与血淋巴中相同的冬虫夏草菌菌体形态,生存状态良好,正常增殖,表明蝙蝠蛾幼虫肠道的生理状态可以维系并支撑冬虫夏草菌菌体某种形态的存在与生长,并证实冬虫夏草菌由口器及消化道入侵蝙蝠蛾幼虫的可能性;肠道虫菌体与血淋巴虫菌体不一定同时存在,表明冬虫夏草菌对蝙蝠蛾幼虫的侵染可能同时存在表皮侵染和肠道侵染两种途径。本文为冬虫夏草菌对蝙蝠蛾幼虫的侵染途径研究提供更加多样化的信息支持。
选育发育速度快、繁殖能力强、中国被毛孢侵染率和冬虫夏草产出率高的寄主昆虫品系是冬虫夏草培植的基础,同时明确冬虫夏草的寄主昆虫蝙蝠蛾退化机制是保证冬虫夏草培植的条件。本文从冬虫夏草产区采集蝙蝠蛾种群种质资源,分别针对蝙蝠蛾发育速度、繁殖能力、中国被毛孢侵染率、冬虫夏草产出率4个方面通过杂交及四代选育,获得新种群（A1）,该种群对冬虫夏草繁育环境的适应力强,发育整齐度高,繁育一代的种群扩繁倍数从8.2倍提高至26.3倍;对中国被毛孢的敏感性较好,侵染率高,冬虫夏草产出率从原始种群的11.2%提高至18.5%。同时,仿照高原生态环境长期饲养冬虫夏草的寄主昆虫蝙蝠蛾,其子代出现雌雄比失调、发育历期分化、生殖力降低等退化现象。经过研究分析得知卵孵化率下降的主要原因是雄性的生殖力下降。组织切片观察蝙蝠蛾雄性生殖系统,在幼虫后期、蛹、成虫期会出现生精囊减少及畸形等异常情况,推测此为雄性生殖力降低、卵孵化率下降的生理原因。研究结果为高效、稳定地饲养蝙蝠蛾保证冬虫夏草培植具有重要意义。
冬虫夏草大量人工培植的关键之一是寄主昆虫的规模化饲养,本文对西藏林芝地区冬虫夏草生境中不同土壤基质在室内对蝙蝠蛾幼虫生长的影响以及寄主幼虫对5种植物的取食行为、嗅觉反应进行了系统研究。结果表明蝙蝠蛾幼虫偏好土质疏松、渗透性好的土壤,土壤因子中湿度和有机质含量与蝙蝠蛾幼虫存活率成正相关。蝙蝠蛾3龄幼虫对适生地植物的取食选择性与嗅觉反应趋性顺序为鹅绒委陵菜>珠芽蓼>小大黄>圆穗蓼>羊角天麻;进一步Spearman相关分析显示,幼虫对各植物的选择系数与可溶性糖（R=0.850,P<0.05）和粗蛋白（R=0.898,P<0.05）都存在显著的正相关关系,而与粗纤维（R=-0.952,P<0.05）有着显著的负相关关系,与粗灰分（R=-0.391,P=0.516）之间没有显著的相关关系;取食鹅绒委陵菜、珠芽蓼后的幼虫单头虫重显著大于取食其他植物的幼虫。这一研究结果为冬虫夏草寄主昆虫规模化饲养提供了理论依据。
本研究建立了冬虫夏草中7类主要化学成分的分析方法,包括采用高效液相色谱法分析冬虫夏草中的多糖、糖醇、氨基酸和核苷,采用气相色谱法分析冬虫夏草中的甾醇、脂肪酸和挥发性成分,所建立的分析方法均成功运用于冬虫夏草样本分析。从冬虫夏草样本中鉴定了61个小分子化合物（2个糖醇、16个氨基酸、9个核苷、7个甾醇、18个脂肪酸、9个挥发性成分）;在对其多糖分析中发现其分子量主要分布于3.3-1 300kDa范围内,由3个主要色谱峰组成。同时,还比较分析了培植冬虫夏草和野生冬虫夏草的化学成分,结果显示两者小分子化合物种类一致,多糖分子量分布一致。
