木霉菌属（Xylaria）次生代谢产物：从化学多样性到生物技术应用的突破性综述

本综述系统评述了木霉菌属（Xylaria）真菌次生代谢产物的化学多样性、生物活性与生态功能，重点探讨其抗菌（如抗MRSA）、抗肿瘤（如cytochalasins类化合物）、抗氧化及农业生物防治潜力，并提出整合多组学（omics）与合成生物学策略以突破当前研发瓶颈，为药物开发和可持续农业提供新方向。

　　

Highlight

木霉菌属（Xylaria）内生真菌是结构多样性次生代谢产物的宝库，其代谢物展现出抗菌、抗肿瘤、抗氧化和农业生物防治等多重生物活性。本部分重点解析其核心代谢物类别与功能，并探讨激活沉默生物合成基因簇（BGCs）的创新策略。

萜类化合物（Terpenoids）

内生木霉菌属物种是萜类化合物的高效生产者，具有抗菌、细胞毒性和植物毒性效应（图2）。异海松烷型二萜如xylabisboeins A和B对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和白色念珠菌（Candida albicans）的MIC值较高（>128 μg mL^-1），活性较弱。相比之下，来自斯里兰卡分离株的helvolic acid（去甲三萜）对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的MIC低至2 μg mL^-1，显示出显著潜力。桉叶烷型倍半萜如1β,4β,7α-trihydroxyeudesmane对志贺氏菌（Shigella sonnei）和结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）也有良好活性。呋喃倍半萜（xylaguaianols A–D）对多种真菌具有抑制能力（MIC 32–256 μg mL^-1）。这些结果提示，尽管许多萜类活性有限，但如helvolic acid等化合物仍可作为先导分子，需通过构效关系（SAR）研究和标准化生物测定进一步优化。

聚酮化合物与内酯（Polyketides and Lactones）

聚酮和内酯是木霉菌中化学多样性最丰富且生物活性最强的代谢物类别（图2）。细胞松弛素（cytochalasins）因其强细胞毒性和抗增殖作用而被广泛研究，例如细胞松弛素D对人肿瘤细胞系NCI-H460的IC₅₀达0.22 μM。Mellein衍生物如5-methylmellein显示抗氧化、细胞毒和抗真菌效应。灰黄霉素（griseofulvin）及其去氯类似物对植物病原真菌（如Botrytis cinerea）有强抑制作用。xyolide（一种十元环内酯）对Pythium ultimum的MIC为425 μM。这些化合物不仅可作为化学分类标记，还可能通过生态互作调节真菌-宿主或真菌-微生物关系。

生物碱与其他含氮化合物（Alkaloids and Other Nitrogenous Metabolites）

木霉菌生物碱虽数量较少，但药理潜力显著（图2）。Akodionine（来自X. cubensis）具有强抗炎作用，可抑制LPS刺激的巨噬细胞中IL-6产生。含氮代谢物如酪醇（tyrosol）和N-乙酰酪胺（N-acetyltyramine）显示抗氧化和抗真菌活性（IC₅₀ = 9.41 μM）。其他氮杂化合物如吲哚酮和异香豆素衍生物也有报道。与聚酮和萜类相比，生物碱的多样性仍待深入探索。

挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）

木霉菌产生的VOCs在植物-真菌互作、化感作用和生态信号传递中起关键作用（图2）。例如Xylaria sp. PB3f3产生40余种VOCs，包括thujopsene和短链醇类，对苋菜（Amaranthus hypochondriacus）和番茄（Solanum lycopersicum）具有植物毒性（IC₅₀低至4.6 μg mL^-1）。细胞松弛素H可调节烟草（Nicotiana tabacum）的花形态发生。X. feejeensis产生的coriloxine衍生物对多种植物有抑制效应。甲醇提取物中的萜类、芳香族化合物和生物碱可抑制莴苣（Lactuca sativa）种子萌发。

抗菌活性（Antimicrobial Activity）

木霉菌内生菌是抗微生物代谢物的丰富来源，对革兰氏阳性/阴性菌、分枝杆菌和植物病原菌均有活性（图3；表1）。helvolic acid、piliformic acid等对MRSA、白色念珠菌和黑曲霉（Aspergillus niger）有效。培养基优化策略可显著提升产量和活性。Xylaria feejeensis产生的integraic acid对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和MRSA的MIC分别为16 μg mL^-1和64 μg mL^-1，且无溶血毒性。糖苷化代谢物如xylarioxides和xylarisides具有抗真菌和α-葡萄糖苷酶抑制活性。共培养策略可将IC₅₀降低十倍。农业应用方面，菌株KTD-2可抑制水稻病原菌（Xanthomonas oryzae）并促进幼苗生长，首次报道了木霉菌兼具生物防治和植物促生双功能。新化合物类别如二聚色原酮（paecilins）和开放链细胞松弛素（xylarchalasins）拓展了抗菌谱。然而，多数研究仍限于体外实验，需通过基因组挖掘、共培养和代谢组学整合以揭示生态功能并提升转化价值。

抗癌活性（Anticancer Activity）

木霉菌代谢物对多种癌细胞系（HeLa、MCF-7、A549等）显示抗癌潜力。ergosterol peroxide和cerevisterol具有广谱细胞毒性，细胞松弛素B的IC₅₀低于1 μM，且已在体内验证抗肿瘤和抗转移效果。新化合物如xylariaones和xylaripyones活性中等（IC₅₀ = 14.75 μM），提示结构新颖性未必伴随强药理作用。绿色纳米技术应用：X. arbuscula合成的氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）具抗菌、抗氧化、抗炎和伤口愈合功能。杂交PKS-NRPS生物碱xylarialoid A对A549和HepG2细胞有强毒性（IC₅₀: 3.6–19.6 μM），新细胞松弛素arbuschalasins对HCT15细胞的活性优于氟尿嘧啶。免疫调节维度：菌株CFL5的代谢物可抑制免疫检查点（LAG3/MHC II），拓展了癌症免疫治疗新方向。总体而言，需结合体内验证和机制研究以提升转化前景。

抗氧化与抗炎活性（Antioxidant and Anti-inflammatory Activity）

酚类和聚酮化合物具显著抗氧化和抗炎潜力（图3）。酪醇（tyrosol）和cerevisterol可清除DPPH自由基并抑制脂质过氧化。7-hydroxymellein通过抑制IL-6和一氧化氮（NO）产生发挥抗炎作用。菌株KET18的代谢物（如macrolactin A）具多重生物活性。Xylaria sp. Z184的吡喃酮衍生物在50 μg mL^-1下抑制77.28%的NO生成。X. ellisii的代谢物可通过Keap1/Nrf2通路激活抗氧化防御。这些功能提示代谢物可能在宿主-内生菌互作中用于氧化应激 mitigation而非病原抑制。

农业应用（Agricultural Applications）

木霉菌代谢物是合成农药的天然替代品，具生物杀虫、除草、杀菌和促生特性（图3；表1）。VOCs（如thujopsene）可用于害虫综合治理。endolichenic木霉菌产生的piliformic acid衍生物具有抗虫、抗真菌、杀线虫和植物毒性。X. feejeensis可抑制番茄病原菌（Fusarium oxysporum）并促进幼苗生长。甲醇提取物对莴苣萌发和根系伸长有显著抑制。菌株如X. apiculata和X. adscendens展示出抗氧化与病原抑制双功能。水稻中菌株KTD-2可抑制多种病原并增强幼苗活力。X. berteroi对WHO优先病原菌有抑制活性（MIC 500–1,000 μg mL^-1）。然而，多数证据限于实验室，需田间试验和生物安全评估以推动农业应用。

生态作用与宿主互作（Ecological Roles and Host Interactions）

木霉菌通过内生定殖在被子植物、裸子植物和苔类中建立互惠关系，增强宿主抗逆性和防御响应。定殖策略包括生态位竞争、垂直传播和宿主代谢调控。X. feejeensis可抑制水稻病原（如Pyricularia oryzae），抑制率30–70%。endolichenic真菌群落显示宿主特异性和环境依赖性。X. regalis可产生生物表面活性剂、铁载体和IAA，抑制病原菌并促进辣椒生长。热带和温带生态中，代谢物（生物碱、萜类等）可强化宿主防御。木霉菌还占据地衣、红树林和高山森林等独特生态位，VOCs参与化感作用和根际微生物调控。垂直传播（如通过木麻黄种子）暗示协同进化策略，巩固了其作为关键内生菌的地位。

当前挑战与未来方向（Current Challenges and Future Perspectives）

木霉菌的生物技术开发面临分类复杂性、难培养性和沉默BGCs等挑战。多基因系统发育和基因组工具是准确分类的前提。OSMAC、共培养和表观遗传调控可激活沉默通路，但可扩展性和重复性不足。多数研究限于体外，需推进体内验证和田间应用。化合物纯化、低产率和通路不明限制了下游利用。合成生物学和异源表达可提升产量，多组学整合（宏基因组学、代谢组学、转录组学）将深化生态互作认知。跨学科合作和标准化方法是将化学多样性转化为医药、农业和环境创新的关键。

Conclusion

内生木霉菌物种是化学丰富、生物功能多样的真菌类群，具有深远的生态、医药和农业意义。其与广泛宿主植物的互惠共生关系促进了多样次生代谢物的产生，包括聚酮、萜类、生物碱和VOCs。这些代谢物展现抗菌、抗氧化、抗癌、生物防治和植物促生等多重活性，在可持续农业和药物发现中前景广阔。然而，分类复杂性、培养限制和沉默BGCs仍是主要瓶颈。通过整合多组学、基因组挖掘和合成生物学策略，可突破当前限制，释放其全生物技术潜力。