魏江春
WEI Jiang-Chun
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责任编辑:
收稿日期: 2018-06-8
接受日期: 2018-06-11
网络出版日期: 2018-07-22
版权声明: 2018 中国科学院微生物研究所《菌物学报》编辑部 版权所有
作者简介:
魏江春 院士
苏俄科学院生物科学副博士（=Ph.D.）及生物科学博士、中国科学院大学荣誉讲席教授、中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室研究员、中国科学院院士,中国科学院中国孢子植物志编辑委员会主编,《菌物学报》编辑委员会顾问。主要从事地衣生物多样性、系统性及其删除物种与删除基因资源生物学研究。
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摘要
本文对中国地衣学在多样性、系统性及其物种与基因资源生物学研究方面进行了综述。文中强调了多样性和系统性研究在自然界地衣资源与研究开发之间的桥梁作用。论述了地衣结皮固沙、固碳及其基因资源在沙漠生物地毯工程中的意义。揭开了不产次生代谢产物的地衣秘密及其破解途径。
关键词：
Abstract
A short review of the lichenology in China is given by the present paper. A concept about the lichen systematic biology with three systems of storage and retrieval as a bridge between biodiversity in the nature and exploration of lichen resources is emphasized. The significance of lichen species and genes in desert biological carpet engineering is discussed. The secret that lichen doesn′t produce secondary metabolites is uncovered, and a new way to solve it has been found.
Keywords：
中国地衣研究史曾被分为林奈前的本草时期、林奈后的传统时期和现代时期3个阶段。林奈后传统时期的中国地衣学研究主要以外国地衣学家为主。作为真菌学组成部分,我国真菌学奠基人、中国科学院应用真菌学研究所戴芳澜所长曾派人出国留学,从而填补了我国地衣学这一空白学科。
自从中国科学院中国孢子植物志编辑委员会于1973年成立以来,尤其是恢复研究生制度以来,我国地衣学科研团队日益扩大,由70年代的3所科研机构和1所大学增至现在的7所科研机构和14所大学。其中地衣学研究人员由4人增至现在的40人,其中具有博士学位的33人。他们正在从事《中国地衣志》的编前研究和在研究基础上的编辑工作。按计划将于第一个一百年的2021年时完成《中国地衣志》27卷册的编研任务。随后将在《中国地衣志》的基础上以继续扩大内容和修订为主与以美国为首的国际组织合作进行英文版《Lichen flora of China》的编研。上述进展表明,现代时期的中国地衣学研究是以中国地衣学家为主。即将出版的“The Enumeration of Lichenized Fungi in China”（《中国地衣型真菌综览》）收录了3 085种,分隶于真菌界的444属,98科,27目,9纲,2门。其中地衣型真菌418属,3 050种,比1991年出版的“An Enumeration of Lichens in China”（《中国地衣综览》）232属1 766种增加了212属1 319种,包括子囊菌415属,3 041种;担子菌3属9种。此外,以星号“*”为标记的地衣外生真菌共26属,35种,包括子囊菌23属,31种;担子菌3属,4种。它们广布于中国下列各省、市和自治区：北京、黑龙江、吉林、辽宁、天津、内蒙古、新疆、宁夏、青海、甘肃、陕西、西藏、四川、重庆、贵州、云南、山西、河北、山东、河南、安徽、江苏、上海、湖北、湖南、江西、浙江、福建、台湾、广西、海南、广东和香港。至于分布在澳门的地衣,迄今尚未见报道（Wei 2018）。
由表型和基因型相似的若干生物个体组成居群;由一至若干居群组成生物种。每一个生物种都是一个独特的基因库。然而,基因本身在生物个体之外是没有生存价值的（张玉静 2000）。因此,物种多样性亦即基因库多样性。而生态系统多样性则是生物物种多样性亦即基因库多样性的生存摇篮。简言之,生物多样性是指生存于地球生物圈内生态系统多样性中的生物物种多样性。
地衣是地球生物圈内生态系统中稳定的地衣型真菌与相应藻类或蓝细菌的胞外共生群落。所谓地衣型真菌,是指那些只能与相应的藻类或蓝细菌共生时才能存活于自然界的真菌。每一个共生群落都是由一种地衣型真菌作为建群种和一种相应的藻类或蓝细菌作为伴生种所组成;个别物种还伴有衣瘿蓝细菌;该共生群落中有时还伴有生长在地衣体外表的外生真菌,生长在地衣体内的内生真菌;有时还有附生在地衣体外的其他地衣作为偶见种。虽然地衣是一群地衣型真菌与相应藻类或蓝细菌稳定的胞外共生群落,但是,其中作为建群种的地衣型真菌的学名才是地衣的学名,它在生物圈中的系统地位便属于真菌界。因此,辨别地衣的种系是以其地衣型真菌的属性为依据。问题在于辨认地衣属性时,共生群落中其他成员的属性如何排除?通常共生群落中作为伴生种的稳定藻类和蓝细菌,包括衣瘿蓝细菌也被作为地衣的属性予以认可;至于外生真菌和附生地衣则容易被排除,困难在于内生真菌的排除,内生真菌也产生次生代谢产物。而次生代谢产物长久以来一直是地衣种系辨别的重要属性之一。这样一来,内生真菌的次生代谢产物有可能被当作地衣型真菌的属性之一。
地球生物圈内真菌与维管束植物之比按6:1估计（Hawksworth 1991）,中国已知维管束植物按3万种计,至少有18万种真菌;其中只有和相应的藻类或蓝细菌共生才能在自然界存活的地衣型真菌占真菌界的20%（Kirk et al. 2008）,中国至少应有地衣型真菌3.6万种。中国已知地衣型真菌种数仅占估计种数的8.5%,尚有91.5%的物种有待调查研究和认识（Wei 2018）。
根据达尔文的共祖学说,地球生物圈的所有生物均来自一个共同祖先（Darwin 1872）。因此,不同等级和分支系统的后代,各自均具有一定的共同祖征（symplesiomorphy）,这些全部后代被称为单系类群（monophyletic group）,是趋异演化（divergent evolution）中分化的结果;其中的部分后代被称为并系类群（paraphyletic group）。在趋异演化中分化的后代,除了保留其祖先的共同祖征之外,会衍生出不同的后代新特征,即所谓衍征。具有共同衍征（synapomorphy）而不具有共同祖征的后代则被称为复系类群（polyphyletic group）,是趋同演化（convergent evolution）的结果。
地衣型真菌分类学的首要任务就在于对地球生物圈内丰富多样而貌似杂乱无章又不断演化中的物种多样性,通过表型与基因型相结合的共祖共衍系统学分析,按照亲缘关系将其梳理成种、属、科、目、纲、门、界的有序等级分类系统。这些等级分类系统作为信息存取系统,连同物种原型标本存取系统以及菌、藻活体培养物存取系统（魏江春 2010）的三大存取系统,在自然界地衣生物多样性与生物资源研发之间发挥着不可缺少的桥梁作用（Zhang & Wei 2017）。
地衣系统学由20世纪及以前的表型研究阶段进入21世纪的基因型研究阶段。后者以单基因或多基因片段的软件处理所得到的聚类分析结果为根据进行地衣的系统学研究。在石耳科Umbilicariaceae的表型系统学研究中,以石耳型子囊顶器结构和脐叶状地衣体为共同祖征,以疱脐叶衣体及单孢子囊为共同衍征划出疱脐衣属Lasallia;在同一共同祖征下,以非疱脐叶衣体及八孢子囊为共同衍征划出石耳属Umbilicaria（魏江春 1966）。这一Lasallia-Umbilicaria表型系统得到rDNA多型性分析的验证（魏江春和牛永春 1994）。
近年来,根据rDNA-ITS-5.8S序列聚类分析,典型的石耳属成员卡诺里石耳Umbilicaria caroliniana Tuck.被组合为疱脐衣属的卡诺里疱脐衣Lasallia caroliniana（Davydov et al. 2010）。根据多基因片段（3个rRNA编码基因和2个蛋白质编码基因）的聚类分析导致石耳科内的石耳属Umbilicaria成为并系类群,疱脐衣属Lasallia连同部分石耳属成员成为复系类群（Miadlikowska et al. 2014）。
通过表型基因型共祖共衍系统学分析结果导致石耳科的石耳属及疱脐衣属分别回归单系类群（monophyletic group）,在对属间物种边缘现象的表基共祖共衍系统学分析中发现并创立了边缘种的概念,从而导致卡诺里疱脐衣Lasallia caroliniana (Tuck.) Davydov, Peršoh & Rambold回归石耳属的卡诺里石耳Umbilicaria caroliniana Tuck.的研究结果（Zhang & Wei 2017）。
从现代海洋、湖泊与溪流中广泛存在的短暂而松散和长期而稳定的菌藻共生的类地衣现象,生长在潮间带或两栖地带岩石表面的壳状地衣,直到分布于地球陆地各自然带的两万多种地衣,犹如展现在我们面前的一幅由类地衣到地衣的演化趋势图。在水陆变迁中,类地衣菌藻共生的生命支撑系统度过了干旱难关,起到了子囊菌由水生登陆的桥梁作用（魏江春 1983）。
在这一漫长的演化历程中,菌藻共生这一生命支撑系统在子囊菌由水生登陆的历程中起到了桥梁作用。陆生后的菌藻共生子囊菌继续保持其共生状态的生命支撑系统并通过不断繁殖和对不同生长环境的适应,形成现在的地衣。其他登陆后的菌藻共生系统由于生长环境优越而导致部分菌藻共生系统解体,脱藻后的子囊菌则逐步适应寄生或腐生生活,从而形成当今的陆生子囊菌。这一假说,有待今后科学实验的验证。
4.1.1 物种资源：沙尘暴（sand & duststorm）是由湍流风或狂风侵入干旱半干旱荒漠地区将大量地面沙尘吹入空中所形成的风暴（Moore 1975）;其中的湍流风或狂风是迄今人类尚无法控制的自然现象,但是,通过对地面沙尘进行覆盖以截断沙尘灾源实现沙尘暴的防治是人类可以控制的。由于“陆地植物从沙土中所吸收的水分通过根茎叶的运输和蒸腾作用,95%-99%均散失体外,仅1%-5%的水分用于植物自身代谢活动,而用于构成植物体成分的水分只有1%（周云龙2011）”。因此,在干旱半干旱荒漠地区的人工植树造林类同于给沙漠插入大量抽水机（Yang & Wei 2014）。
在腾格里沙漠东南部的沙坡头地区在人工植被建立后的第40（1996）年,地衣为优势的微型生物结皮覆盖率由0%达90%,且厚度达11mm,从而取代了人工植被（李守中 2005）。这是干旱半干旱荒漠地区“物竞天择,适者生存”的生动实例。
顺应自然规律,在干旱半干旱沙漠地带以干旱荒漠地区自然形成的地衣为优势的地毯式微型生物结皮为“模版”,通过现代生物技术途径予以“复制”,为沙漠铺上微型生物结皮式的“地毯”为主的“沙漠生物地毯工程”曾被提出（魏江春2005）。
石果衣Endocarpon pusillum Hedwig是我国西部半干旱沙漠地区微型生物结皮的优势地衣物种,通过对石果衣的野外和实验室内光合作用的研究,确定影响其光合活性的因素并估算其年固碳总量。结果表明：光强和温度在一定范围内与石果衣净光合速率呈正相关;水分对石果衣的光合影响显著,其光合作用主要在白天降雨后进行。石果衣的年固碳总量约为3.885g m-2year-1,若将中国境内的沙漠都铺上石果衣结皮,则沙漠的年固碳量可增至3.143×109kg C year-1（Ding et al. 2013）。
对于分离自荒漠地衣石果衣中的共生菌、藻在干燥和饥饿胁迫下的存活能力进行实验分析发现,其共生藻柯氏复球藻Diplosphaera chodatii Bialsuknia仅能存活2个月,而共生菌却能存活长达7个月（Zhang & Wei 2011）。
4.1.2 基因资源：为了探明石果衣真菌的耐干旱基因资源,石果衣真菌全基因组（图1：Wang et al. 2014）及转录组（Wang et al. 2015）曾被测序和分析。结果表明,石果衣真菌基因组中含有大量抗旱基因。
石果衣真菌硫氧还蛋白（Eptrx）可以对20% PEG模拟的干旱胁迫产生明显的响应,在毕赤酵母中过表达后,可以增加酵母对NaCl、山梨醇、甲萘醌的抗性。EpTrx的31位Cys对于维持蛋白的分子伴侣活性非常重要。结合前人的实验结果推测Cys31对石果衣抗逆也起到重要作用（Li & Wei 2016）。
多蛋白侨联因子（Multiprotein-bridging factor 1:MBF1）是一种转录共激活子,是一种调控下游基因转录的调控因子。从石果衣真菌中发现了对生长环境具有抗性的石果衣真菌多蛋白侨联因子Epmbf1（图2）。它既不同于已知的其他地衣型真菌的mbf1,也不同于非地衣型真菌的mbf1,更不同于植物、动物以及古细菌中的mbf1的独特多蛋白侨联因子（Wang et al. 2017）。
图2 石果衣真菌多蛋白侨联因子（左上部II组,粉红色部分,
Fig. 2 Epmbf1 (Left upper part, group II, a new group,
石果衣真菌膜联蛋白（Epann）基因在酵母和拟南芥中表达初步研究结果表明：
（1）Epann参与多种逆境胁迫的响应,异源表达Epann能够提高酿酒酵母对高温、过氧化氢和氯化钠的抵抗能力。
（2）Epann定位于细胞质,高温时会发生明显的聚集;具有钙离子依赖的磷脂结合特性。
（3）过表达Epann降低酵母细胞内的ROS含量,提高CAT活性,同时发现Epann具有过氧化物酶活性和分子伴侣活性,提高多种抗逆基因在高温胁迫时的表达水平。
（4）过表达Epann能够提高拟南芥对过氧化氢和干旱的抵抗能力（Zhang et al. 2017）。
本实验室从不产生任何次级代谢产物的石果衣真菌全基因组中却发现了14个聚酮合成酶（polyketide synthetase,PKS）基因和2个非核糖体肽合成酶（non-ribosomal peptide synthetase,NRPS）基因（Wang et al. 2014）。这一结果表明,这些基因一直处于沉默状态。通过激活培养途径以激活石果衣真菌基因组中沉默的聚酮合成酶（PKS）基因和非核糖体肽合成酶（NRPS）基因等,以获得其中的次级代谢产物是可行的。结果表明,通过激活培养条件：1. SA：半固体半液体培养基（糊精、麦芽糖）,2. PDB：液体培养基（蔗糖）,3. 大米培养基：固体培养基（淀粉）。通过激活培养后从中分离鉴定了17个次级代谢产物,包括5个生物碱类化合物（1,4,6,9,10）,4个萘醌类化合物（2,3,5,16）,3个二苯酮类化合物（7,8,12）,3个萜类化合物（13,14,15）和2个单环芳香化合物（11,17）。其中石果衣菌素A-E（1,2,4,9,16）为新结构化合物。Endocarpin F（14）为已知的化合物,CAS识别号为1217870-26-2。
此外,从其共生藻柯氏复球藻中分离出3个脱镁叶绿酸类化合物。化合物18具有中等的DPPH自由基清除活性,进一步试验确定化合物的IC50为(69.77±0.10)µmol/L。脱镁叶绿素甲酯酸b（18）待发表（Liu et al. to be published）。
受到石果衣真菌全基因组中存在沉默PKS基因的启发,推测不产生次生代谢产物的小囊盘衣Sarcogyne parviascifera Jiao-Hong Wang & J.C. Wei真菌中也可能存有沉默的相关基因,从而通过改变小囊盘衣真菌的培养条件,从不产生次生代谢产物的小囊盘衣真菌中分离得到10种次生代谢产物,其中8种为新结构的色原酮类产物sarcasciols A-H（王娇红等 2017）。
一方面,作为菌藻共生这一生命支撑系统的地衣在对低温、干旱、辐射、重金属等的抗性方面当属陆生生物之冠。它在结皮固沙、固碳,及其抗逆基因在草皮植物中的表达,对于沙漠生物地毯工程的实施均具有重要意义。另一方面,由于地衣型真菌中相关基因处于沉默状态,导致不同地衣不产或少产相应的次生代谢产物。通过不同激活培养途径,激活相关沉默基因,必将打开不产或少产次生代谢产物的地衣型真菌资源宝库,以开辟地衣型真菌活性物质筛选的现代工业化新途径成为可能。
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