殼寡糖類抗病激活劑有望成為新一代生物農藥

圖1 張文清教授

多糖是由多個單糖分子以苷鍵結合而成的高分子碳水化合物。多糖在自然界分布極廣，有的是構成動植物細胞壁的組成成分，有的是作為動植物儲藏的養分，有的具有特殊的生物活性。自20 世紀50 年代以來，逐漸發現多糖具有復雜的、多方面的生物活性和功能，已廣泛應用于食品科學、生物化工、醫藥衛生、農業等領域。

華東理工大學上海市功能性材料化學重點實驗室天然產物研究團隊在學術帶頭人張文清教授帶領下(圖1、2)，對多糖的提取分離、結構分析和活性研究建立了系統的方法，目前通過分離和生物技術開發了多個多糖產品并實現工業化生產，特別是殼聚糖系列產品的研究，如植物活力劑寡糖素(圖3)，2003 年獲得上海市科技進步二等獎和上海市發明一等獎。

圖2 團隊研討

圖3 農業生物制劑

殼聚糖(chitosan)是由自然界廣泛存在的幾丁質(chitin)經過脫乙酰作用得到的，化學名稱為聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-2-脫氧-β-D 葡萄糖。這種天然高分子多糖由于其良好的生物相容性、可降解性、安全性和廣譜抗菌性等特點而被廣泛關注。自Peter 于1984 年首次提出寡糖素能作為植物激發子以來，寡糖素在農業領域的研究開發受到極大關注。由殼聚糖降解所得到的殼寡糖，作為植物抗病激發子具有調控植物生長、發育、繁殖、防病和抗病等方面的功能，能夠激發植物的基礎免疫反應。殼寡糖作為植物抗病激發子，雖具有廣譜、持久的抗性，但與有機農藥相比，誘導產生的抗病效果存在滯后性、受環境因素影響較大和產品不穩定等。在農業生產中受到一定程度的限制。

張文清課題組通過化學修飾制備殼寡糖季銨鹽，改變殼寡糖自身的電荷分布和強度，加強殼寡糖(配體)與受體之間相互作用，誘導植物產生植物抗毒素(Phytoalexin)，有效抵御病原菌的侵染(圖4)。以模式植物擬南芥為例，camalexin 是擬南芥產生的一種重要植保素，對擬南芥抵御腐生型病原真菌——灰葡萄孢菌侵染具重要作用。研究發現，殼寡糖季銨鹽能迅速激活擬南芥分裂活化蛋白激酶MAPK3 和MAPK6，通過對camalexin 合成基因PAD3 的上調來調控camalexin 的合成，抑制灰葡萄孢菌孢子在擬南芥葉片上生長。殼寡糖雖然也能激活MAPK3 和MPK6，但從速度和作用程度上來說，要遠低于殼寡糖季銨鹽所產生的效果。

殼寡糖季銨鹽能快速調節擬南芥氣孔的開度并保持較長時間，限制丁香假單胞菌的快速入侵。殼寡糖在此方面則“束手無策”。此研究為改善不同來源的寡糖素作為植物抗病激發子提供了一種新的策略。

模式植物擬南芥和水稻的殼寡糖受體AtCERK1 和OsCEBiP 直接結合殼寡糖，通過形成同源二聚體或異源二聚體并發生磷酸化作用，將殼寡糖信號由胞外傳遞到胞內，激活植物的PTI。病原菌為了生存，其在與植物漫長的協同進化過程中進化出能夠對PTI 進行抑制的效應分子。病原真菌和病原細菌的抑制機制各不相同，細菌主要實行“攻擊消滅”，而病原真菌則采取“以守為攻”。例如細菌丁香假單孢菌的效應分子AvrPtoB 能夠直接泛素化CERK1 來抑制植物的PTI 產生;真菌水稻稻瘟病能分泌具有LysM 功能域的效應分子Slp1，Slp1 同時具有抑制植物分泌的幾丁質酶活性及與CERK1 競爭性結合，從而抑制植物PTI 的產生。

圖4 合成工藝圖

圖5 LysM-CERK1 嵌合受體載體的構建

利用具有LysM 功能域的效應蛋白能競爭性結合殼寡糖的特性，將Slp1 與擬南芥CERK1的胞內結構域融合，構建Slp1-CERK1 嵌合受體(圖5)。用殼寡糖處理表達嵌合受體的擬南芥cerk1 植株(CERK1 功能缺失突變體)，發現ROS 活性和殼寡糖相關基因(MAPK3、WRKY33、WRKY53)的轉錄表達水平均顯著上調，擬南芥中合成的camalexin 基因PAD3 也顯著上升，葉片中灰葡萄孢菌的菌絲生長得到有效控制。此研究有助于更好地理解LysM 功能域與殼寡糖相互作用分子機制和信號轉導的調控機制，而且對合理利用具有LysM 功能域的效應分子來提高植物的抗病性奠定了理論基礎。植物的誘導抗病性從激發子與受體識別開始，到植物產生明顯的抗病防衛反應結束。在這一過程中，通過研究寡糖素和CERK1 受體的分子特性以及兩者之間的相互作用方式，探討殼寡糖類抗病激活劑誘導的抗病信號傳導的細節和防衛基因的調控方式等。殼寡糖類抗病激活劑優良的誘導特性，有望使其成為新型的生物農藥，相信隨著研究進一步深入，殼寡糖類抗病激活劑誘導的植物抗病的作用機制將逐步了解，將為其誘導植物抗病有效合理的應用起了巨大的推動作用。