综述：一项系统评价，旨在了解目前将植物及其次生代谢产物作为抗真菌剂的应用现状：机遇与挑战

《South African Journal of Botany》：A systematic review to understand the current scenarios employing plants and their secondary metabolites as antifungal agents: opportunities and challenges

　　希万加尼|哈里普拉萨德·P。环境生物技术实验室，德里农村发展与技术中心，印度德里理工学院，新德里豪兹卡斯，110016，印度

摘要：真菌病持续威胁着植物、人类和动物的健康，导致产量下降。约70%的农作物重大疾病由真菌引起，给经济带来损失并危及粮食安全。近几十年来，人类感染性真菌病的发病率急剧上升，死亡人数众多。抗生素耐药性这一全球性问题使得真菌感染难以治疗。因此，亟需替代且可持续的真菌病管理策略。作为潜在的抗真菌药物，具有抗真菌作用的植物及其次生代谢产物备受关注。本综述旨在利用现有关于具有抗真菌潜力的关键植物次生代谢产物的知识，对其作用机制进行分类，探讨配方策略及计算工具，以克服当前治疗上的局限性，减少真菌病造成的损失，同时为研究人员在这一领域的研究提供平台。文献检索通过Google Scholar、ScienceDirect和PubMed数据库进行，遵循PRISMA指南。本研究共分析了1990年至2023年中期的340篇学术论文。研究发现有648种植物的268种次生代谢产物在体外、体内及计算机模拟实验中均显示出抗真菌活性。然而，考虑到地球上植物物种的巨大多样性，只有极少数的植物及其次生代谢产物得到了研究。尽管植物具有抗真菌特性，但其作用机制和活性成分往往仍不清楚。此外，粗提物中次生代谢产物的协同或增效作用也几乎未被探索。由于真菌靶标分子结构的限制，计算机模拟研究也面临诸多困难，这凸显出提高靶标纯度及明确其结构的重要性。总之，植物化学物质能够天然地治疗真菌性疾病。它们多样的作用机制和广泛的抗真菌特性使其成为极具研究价值的对象。

引言：真菌是一类高度多样化的真核生物，全球物种数量估计在220万到380万种之间（Hawksworth等人，2017年）。它们几乎栖息在地球上的所有生态位中，能在各种环境条件下生存（Fr?c等人，2015年）。真菌主要通过分解和吸收获取养分，从活体宿主获取营养时为生物营养型或半生物营养型，分解死亡有机物时则为腐生型（Cooke和Rayner，1984年）。有些真菌是病原体，而另一些则通过与植物和动物形成共生关系发挥有益作用，对生态系统的稳定性和功能至关重要。真菌提供了多种重要的生态系统服务，包括分解有机物、形成和稳定土壤结构、促进养分循环、调节生物种群数量以及提升土壤中的酶活性（Van Der Heijden等人，1998年）。此外，它们还是土壤有机碳的重要组成部分，是重要的碳汇，在全球生物地球化学循环中起着重要作用（Wagg等人，2014年；Baum等人，2015年；Hannula等人，2016年）。有一些真菌群体可作为土壤和植物健康的生物指示剂，比如腐生真菌（如Hygrocybe属）、丛枝菌根真菌（如Glomus属）、拮抗真菌（如Trichoderma属）以及内生真菌（如Beauveria bassiana）（Nguyen等人，2019年）。除了生态学意义外，真菌还被广泛用于生物技术领域，用于生产酶、有机酸、抗生素以及各类药品化合物（Bennett，1998年）。此外，真菌在生物修复方面的潜力也正在被深入研究（Kulshreshtha等人，2014年；Zhen等人，2022年）。另外，源自真菌的生物聚合物，如几丁质和壳聚糖，也因其多种应用而受到重视（Dev等人，2010年；Aranda-Martinez等人，2017年；Antunes等人，2020年；Gómez-Gaviria等人，2024年）。虽然真菌对生态系统和生物技术有着积极贡献，但它们也可能对生物造成危害。植物真菌病几个世纪以来一直影响着人类社会，很可能从农业出现之时就存在了。历史上，植物真菌病曾多次威胁全球粮食安全，19世纪的爱尔兰马铃薯饥荒和孟加拉饥荒便是例证。目前，像稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）、秆锈病菌（Puccinia graminis）、灰霉病菌（Botrytis cinerea）以及炭疽病菌（Colletotrichum spp.）这样的致命病原体仍在不断降低各大洲的作物产量，凸显出它们在全球范围内持续造成的经济和健康危害（Fisher等人，2012年；Almeida等人，2019年）。全球有超过19,000种真菌会导致农作物发病，占所有重大植物感染的70%以上（Agrios，2005年；Lazarovits等人，2014年）。每年，10%至15%的农作物因植物疾病而损失，其中70%至80%的损失是由真菌造成的（Strange和Scott，2005年；Kang，2010年）。这进一步凸显出需要有效且可持续的疾病管理措施来保障全球粮食安全。采后损失也威胁着全球的粮食和营养安全。这些损失发生在食品供应链的各个环节，包括收获、运输、储存和加工过程。啮齿动物、昆虫侵害以及微生物污染也会降低农产品的质量和市场价值（Kader，2004年）。根据联合国粮食及农业组织的数据，北美、欧洲和大洋洲的平均采后损失率为29%，而工业化程度的亚洲、非洲、拉丁美洲和东南亚地区的损失率则接近38%（FAO，2011年）。有多种真菌病原体会导致水果和农作物在采后发生腐烂，包括曲霉菌属、灰霉菌属、青霉菌属、镰刀菌属以及炭疽菌属等（Norlia等人，2019年；Petrasch等人，2019年；Scruggs等人，2016年；Zhang等人，2021年；Ling等人，2023年）。更令人担忧的是，农产品中的霉菌毒素（如黄曲霉素、伏马毒素、赭曲霉毒素等）会对人类和动物的健康造成严重威胁（Richard，2007年；Darwish等人，2014年；Ashiq，2015年）。另一方面，一些真菌性树木疾病也对生态系统造成了严重破坏（Fisher等人，2012年）。例如，自20世纪初以来，寄生枝孢菌和疫霉已经导致了1亿棵榆树和35亿棵栗树的死亡（Milgroom等人，1996年）。20世纪期间，荷兰榆树病和栗树病在城市和森林地区造成了大规模的树木落叶现象（Anderson等人，2004年）。技术的进步提高了我们对植物真菌病的认识，从而形成了有效的管理策略。一种非常可持续的方法是通过一系列农业措施来改善作物生长环境，同时降低真菌病原体生存的条件。这些措施包括调控土壤湿度和灌溉、利用有益微生物、土壤太阳能处理、合理耕作、优化播种和收获时间、覆盖栽培、土壤改良、拔除受感染植株、间作、轮作以及使用诱杀作物和诱饵作物（Ogle，1997年；Shlevin等人，2003年；Saremi等人，2011年；Patel等人，2014年；Ramanauskien?等人，2018年）。此外，自从1882年硫基杀菌剂被引入后，化学杀菌剂也被用于控制植物真菌病（McCallan，2012年）。这类杀菌剂通过多种途径抑制真菌的生长，比如抑制固醇生物合成（三唑类杀菌剂）（Adhikari和Katel，2023年）、抑制呼吸作用（甾醇合成抑制剂类杀菌剂）（Bartlett等人，2002年）、阻断β-微管聚合（苯并咪唑类杀菌剂）（Bai等人，2024年）、抑制线粒体呼吸作用（琥珀酸脱氢酶抑制剂类杀菌剂）（Yanicostas和Soussi-Yanicostas，2021年）等。不过，由于硫基杀菌剂来源天然、功效广谱且对环境的危害较小，因此通常更受青睐（Sadek等人，2022年）。然而，长期无节制地使用杀菌剂会导致病原真菌产生抗药性，损害环境、导致土壤退化，还会影响生态系统中的非目标有益真菌及其他生物，进而造成生态结构和功能的多样性丧失（Dovas等人，1976年；Cooke等人，2006年；Hahn，2014年；Patel等人，2014年）。尽管存在这些弊端，2019年全球杀菌剂市场的价值仍高达134亿美元，预计未来七年的年均增长率将为4.7%（https://www.alliedmarketresearch.com/fungicides-market）。真菌还会感染人类和动物，引发从轻微的皮肤感染到危及生命的侵袭性感染等多种疾病。虽然轻微感染较为常见且可治愈，但侵袭性感染却会给免疫系统较弱的人群带来严重风险，这类人群包括艾滋病患者、接受化疗的癌症患者以及器官移植受体（Kim，2016年）。全球有超过10亿人患有真菌病，每年因此死亡的人数达160万（Brown等人，2012年）。念珠菌、隐球菌和曲霉菌是侵袭性感染的主要致病菌，但像耳念珠菌、毛霉菌属、镰刀菌属以及链格孢属这样的多重耐药真菌则构成了新的威胁（Hoenigl等人，2021年）。宠物常见的真菌病包括芽生菌病、组织胞浆菌病、球孢子菌病、隐球菌病以及念珠菌病（Kerl，2003年；Alves等人，2023年）。家禽常患曲霉病（曲霉菌属），反刍动物则会患上癣病（小孢子菌属和毛癣菌属），还会因霉菌（曲霉菌属、青霉菌属和链格孢属）以及酵母菌（念珠菌属、隐球菌属、酿酒酵母属和毛孢子酵母属）而患上真菌性乳腺炎，此外马还可能感染由组织胞浆菌引起的组织胞浆菌病（Ahmad等人，2016年）。有多种杀菌剂被用于治疗人类和动物的真菌病，根据作用机制可分为单作用点型和多作用点型。杀菌剂还可分为五大化学类别：唑类、多烯类、嘧啶类似物、烯丙胺类以及棘白菌素类，每类都有其独特的作用机制（Vanreppelen等人，2023年）。例如，唑类杀菌剂能抑制固醇生物合成，尤其是真菌主要的固醇——麦角固醇。羧酰胺类杀菌剂则能阻止线粒体中的琥珀酸氧化，而苯并咪唑类杀菌剂则能干扰微管功能等（Carr等人，2005年；Sioud等人，2009年；Aponte等人，2010年；White等人，2010年）。全球抗真菌药物的使用量显著增加，每1000名居民的每日使用剂量从2008年的0.50单位上升到了2018年的0.92单位，年均增长率为6.2%。2018年，在中高收入国家中最常用的抗真菌药物为伊曲康唑、特比萘芬和氟康唑（Pathadka等人，2022年）。真菌是适应性极强的真核生物，能够迅速调整自身的形态、生理机能和生化反应以应对环境压力。在临床和农业领域大量使用合成抗真菌药物带来了强烈的选择压力，促使环境和病原真菌群体中出现了抗药性菌株，并且这类菌株还在不断扩散。目前已知的抗药性机制包括：（i）抗真菌药物靶标的变异或突变；（ii）固醇生物合成途径的改变（如麦角固醇变异体）；（iii）由于吸收机制改变导致药物在细胞内的积累减少；以及（iv）外排转运系统活性的增强（Ghannoum等人，1999年；Edlind和Katiyar，2010年；Robbins等人，2017年）。鉴于合成杀菌剂带来的生态和公共卫生问题以及抗药性日益普遍的现状，迫切需要寻求替代的管理策略。将具有不同作用靶点的多种药物联合使用的综合方法，其效果往往优于单一药物治疗方案。与此同时，包括微生物和植物次生代谢产物在内的天然产物也正在被积极研究。许多这类化合物在与传统抗真菌药物联合使用时能表现出协同抗真菌作用，这表明它们有望作为辅助或替代性的抗真菌疗法。植物为了抵御生物和非生物胁迫，进化出了基于结构、酶以及次生代谢产物的防御机制。植物次生代谢产物，如酚类、萜类以及含氮/含硫化合物，在植物的生长、存活和繁殖过程中发挥着重要作用（Rosenthal，1991年；Sch?fer和Wink，2009年）。植物至少在6万年前就被用于制药，成为了传统医学的基础。源自植物的化合物耐受性良好，且有着悠久的临床应用历史。自古埃及时期起，紫花洋地黄中的洋地黄苷就被用于治疗心力衰竭和心律失常（Norn等人，2004年）。19世纪早期从罂粟中提取的吗啡至今仍是高效的镇痛药（Brook等人，2017年）。1853年从柳树皮中提取出的阿司匹林在预防心血管疾病方面发挥了重要作用（Desborough等人，2017年）。1860年从古柯中提取的可卡因能够影响多巴胺的释放（Plowman，1979年；Biondich等人，2016年）。来自金鸡纳树的奎宁是首个用于治疗疟疾的植物源药物，也是17世纪的一项重大医学突破（Jacoby等人，2004年）。正因如此，植物提取物或植物次生代谢产物因其生物相容性、适合人类食用以及对环境无害的特性，成为了具有前景的抗真菌候选物质。本综述旨在研究植物及其次生代谢产物在应对真菌多重耐药性方面的潜力，为解决现有抗真菌药物存在的问题及其对人类、动物、植物和环境的负面影响提供新的思路。综述内容涵盖以下几个方面：（i）通过数据挖掘分析具有抗真菌性质的植物信息，包括其粗提物和纯化后的产物；（ii）植物次生代谢产物的抗真菌作用及其作用机制；（iii）包括人类和植物真菌病在内的体外、体内及计算机模拟研究；（iv）基于抗真菌植物次生代谢产物的草药制剂。材料与方法：本系统性综述遵循Moher等人（2009年）提出的PRISMA原则。通过Google Scholar、ScienceDirect和PubMed数据库进行了系统性文献检索。研究中所使用的关键词包括“天然抗真菌物质”“抗真菌植物”“具有抗真菌活性的植物次生代谢物”“抗真菌植物次生代谢产物”“抗真菌生物活性分子”“药用抗真菌植物”以及“利用植物治疗动植物真菌病”。

**结果与讨论**
在本研究中，共分析了340项关于利用植物防治真菌的研究，旨在了解寻找新型、环保的真菌病防治方法的过去、现在及未来发展方向。文献综述显示，近年来，研究人员对抗真菌植物及其次生代谢物的研究兴趣显著增加。图2(A)展示了从1990年到2023年的上升趋势，反映出相关研究的日益增多。

**面临的挑战**
植物次生代谢物具有多种抗真菌机制，通常对非目标生物的毒性较低或无毒性，且可生物降解。但其实际应用仍受到诸多限制。一个关键问题是，与粗提物相比，纯化后的化合物生物活性有所降低，这主要是由于在分离过程中协同作用丧失以及化合物发生降解所致。有研究表明，从Curatella americana中分离出的化合物，其最低抑菌浓度比粗提物高2至8倍。

**未来展望**
植物源抗真菌物质的未来发展依赖于现代技术与植物化学学的结合。基于纳米技术的药物递送系统是其中最具前景的方向之一。利用纳米粒子、脂质体、乙醇溶胶、脂质纳米粒子和纳米乳液对植物次生代谢物进行包封，不仅可以提高其溶解度、生物利用度和稳定性，还能实现靶向释放。这一技术已在包封精油的研究中得到验证（Kapustová等人，2021；Lelis等人，2021）。

**结论**
由于合成抗菌剂存在毒性、耐药性、生态破坏和生物放大等弊端，人们对其的担忧日益加剧，这促使人们更加寻求更安全、可持续的抗真菌替代品。药用植物已成为抗真菌物质的宝贵来源，尽管仍有许多物种尚未被研究。尽管已取得一定进展，但在识别抗真菌植物次生代谢物方面，目前仍较少运用在合成药物发现中广泛使用的计算工具。本研究重点关注了大蒜这一植物资源。

**CRediT作者贡献说明**
Shivangani：撰写——初稿、资料收集、方法设计、实验实施。Hariprasad P.：撰写——审阅与编辑、结果验证、研究指导、资料提供、概念设计。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何利益冲突。

**致谢**
作者感谢德里印度理工学院院长的支持。Shivangani感谢印度大学拨款委员会授予她高级研究奖学金（201610046474）。作者还感谢印度医学研究委员会资助的项目“抗真菌药物增效草药补充剂配方及其针对耐药真菌多个靶点的递送系统研发”（IIRP-2023–3657/F1）。图5是使用Biorender软件制作的（https://www.biorender.com/）。