植物凝集素最早發現於1888年,Stillmark在蓖麻(Ricinus communis L.)籽萃取物中發現了一種細胞凝集因子,它具有凝集紅細胞的作用。它是一類具有特異糖結合活性的蛋白,具有一個或多個可以與單糖或寡糖特異可逆結合的非催化結構域。根據植物凝集素亞基的結構特徵,植物凝集素分成4種類型:部分凝集素、全凝集素、嵌合凝集素、超凝集素;根據氨基酸序列的同源性及其在進化上的相互關係,植物凝集素分為7個家族:豆科凝集素、幾丁質結合凝集素、單子葉甘露糖結合凝集素、2型核糖體失活蛋白、木菠蘿素家族、葫蘆科韌皮部凝集素和莧科凝集素。
植物凝集素可識別並結合入侵者的糖結構域,從而干擾該入侵者對植物產生的可能影響;植物凝集素的糖結合活性是針對外源寡糖,參與植物的防禦反應。許多植物凝集素可結合到諸如Glc、Man或Gal的單糖上,尤其對植物中不常見外來的寡糖具有更高的親和性。例如:結合幾丁質植物凝集素識別真菌細胞壁及無脊椎動物的外骨骼成分中的碳水化合物。另外,許多凝集素在較高PH範圍內穩定、抗熱、抗動物及昆蟲蛋白酶等等。有些凝集素甚至是完全穩定的蛋白質,如從刺苟麻莖中分離出的凝集素在三氯乙酸中保持穩定,沸煮也不會失活。Peumans等(1998)認為大多數植物凝集素存在於儲藏器官中,它們既可能作為一種氮源,也可以在植物受到危害作為一種防禦蛋白髮揮功能。因此植物凝集素是植物防禦系統重要的組成部分,在植物保護上起著重要作用。筆者就植物凝集素在植物保護上的研究進展作一綜述。
1對植物病原菌的作用
植物凝集素作為微生物與植物的共生介質,可防止植物病原菌對植物的危害。Mishkid等(1982)研究發現,植物凝集素常積累於病原菌易侵染的部位,預示著凝集素可能參與對病原菌的防禦。
1.1對植物病原真菌的作用
已有實驗證明,植物凝集素能結合真菌細胞、抑制孢子萌發和菌絲體生長。植物凝集素對真菌的抗生效應可能與它特異結合暴露於真菌細胞壁表面的糖複合物並導致真菌細胞壁及菌體結構形態改變有關,凝集素可與真菌表面的葡聚糖、半乳糖、甘露糖等多糖結合,干擾真菌細胞壁的合成,影響其細胞的正常代謝。Peumans和Van Damme(1995)進行的體外研究表明,麥胚凝集素(WGA)抑制綠色木霉的孢子萌發和菌絲生長,狹葉蕁麻凝集素抑制灰葡萄孢、鉤狀木霉和布拉克霉的生長。劉士庄等(1996)報道,棉花種子中凝集素含量與棉花抗枯萎病能力呈正相關,分離純化的棉花凝集素能明顯凝集枯萎病菌分生孢子,並抑制其萌發。曾日中等(1998)指出橡膠蛋白和其它植物凝集素一樣也具有抗真菌活性,可以抑制病原菌的侵染和生長,起到保護橡膠樹乳管的作用。余萍等(2004)研究發現狗脊蕨凝集素(w兒)對玉米大斑病菌有抑制作用。
1.2對植物病原細菌的作用
由於細菌細胞壁的作用,凝集素不能進入細菌細胞質,因此不能改變細胞膜結構或滲透細胞膜擾亂侵人微生物的正常細胞間進程。植物凝集素是通過一種基於與細胞壁糖類,或細胞外聚糖相互作用的機制對細菌構成抗生效應。Sequeira(1977)等報道馬鈴薯凝集素能抗青枯假單胞菌;Broekaet (1986)等提出,刺蘋果種子凝集素可使幼根免受細菌侵染。Ayouba等(1994)研究指出,幾種豆科植物種子凝集素可與細菌細胞壁肽聚體(胞壁酸、N一乙醯胞壁酸、胞壁醯二肽等)發生強烈的相互作用。余萍等(2004)研究發現狗脊蕨凝集素 (wJL)對甘薯薯瘟病原細菌生長具有抑制作用。
1.3對植物病毒的作用
植物病毒不含聚糖,沒有凝集素的作用位點,因此植物凝集素對植物病毒無抑制作用。Peumans和Van Damme(1995)綜述道,一種稱為核糖體失活蛋白型的特殊類型凝集素對植物病毒具有抑制活性,其機理尚不清楚。但有殺蟲活性的凝集素可能會阻止或減少蟲傳播病毒病害的傳播。
1.4對植物病原線蟲的作用
這方面研究相對較少,目前僅常團結等(2002)報道純化的雪花蓮外源凝集素(GNA)可以抗植物病原性線蟲。
2對昆蟲的作用
植物凝集素對昆蟲如同翅目昆蟲及動物產生毒害的機理還不清楚,一般認為植物凝集素可能通過和糖蛋白,如和昆蟲圍食膜表面、消化道上皮細胞的糖綴合物、或糖基化的消化酶等結合,從而影響昆蟲、動物對營養吸收,促進消化道中細菌的繁殖和誘發病灶,抑制昆蟲的生長發育和繁殖,最終達到殺蟲、或對動物產生毒害的作用。
菜豆凝集素(PHA)是第一個被描述的具有抗蟲性的植物凝集素。有趣的是,PHA對豆象幼蟲具有毒性的結論是基於一個錯誤的實驗結果,後來研究發現這種防衛作用是由於含有A一澱粉酶抑製劑的緣故(Huesing等1991 。如今許多實驗表明,來源於麥胚、馬鈴薯塊莖、核桃、沙棘、水稻和刺蕁麻的凝集素對豌豆象甲幼蟲和豇豆象甲幼蟲的生長有抑制作用。WGA和紫色羊蹄甲種子凝集素在濃度很低時對歐洲玉米螟新生幼蟲就有致死作用;從雪花蓮和大蒜提取的凝集索對豇豆象鼻蟲和煙草天蛾幼蟲有毒性。雪花蓮凝集素(GNA)等對咀嚼式昆蟲和刺吸式昆蟲都有致死作用。黃大叻等 (1997)報道來源於掌葉半夏和半夏的凝集素對麥長管蚜、禾縊管蚜、棉蚜和桃蚜等有致死活性。王偉等(1998)獲得同時表達P—lec(豌豆外源凝集素基因)和CpT1(豇豆胰蛋白酶抑製劑)的雙價轉基因棉花,棉鈴蟲的存活率、平均體重、生物總量及蛻皮指數均明顯低於對照。毛雪等(1999)利用全純營養液飼養蚜蟲技術明確鑒定了棉花凝集素 (GHA)、蓖麻凝集素(ACA)、天南星凝集素(AMA)和伴刀豆凝集素(ConA)對棉蚜和麥長管蚜的抗生作用,儘管所測凝集素半致死濃度有差異。對於長角葉甲,Czapla實驗表明WGA、BPA可抑制40%
的蟲重,來源(EHL)凝集素在2%水平上致死率為100%,但由於EHL的熱不穩定性,後來的實驗結果有些不一致;在0.1%水平上雪花蓮凝集素(GNA)、WGA對1齡、3齡灰、褐飛虱作用都非常明顯,同對照相比死亡率大於75%;WGA對黑尾葉蟬的致死率為l5%,GNA的致死率為87%;Powell等人以GNA、WGA 0.1%(w/v)人工飼料飼餵灰、褐飛虱,24h內降低蜜汁分泌96%,而且GNA的抗性效果最佳;但豌豆凝集素對黑尾葉蟬成蟲則沒有效果;此外WGA、豌豆凝集素等5種凝集素也能減少馬鈴薯葉蟬成活時間。最近的工作發現刺吸式口器昆蟲如椰粉虱、葉蟬、蚜蟲等對一些單子葉植物甘露糖結凝集素敏感。劉紅霞等(2004)研究發現刺槐種子凝集素對舞毒蛾幼蟲的營養代謝有較強的抑制作用。
3對高等動物捕食者的作用
同昆蟲一樣,高等動物消化道上布滿了細胞膜糖蛋白及高度糖基化的粘蛋白,這就成了植物凝集素的無數作用位點,保護植物免受食草動物侵食。如動物食用植物血細胞凝集素(PHA)或生豆後會引起急性噁心伴有嘔吐和腹瀉,以至於動物寧肯挨餓也不食用含PHA飼料。
4結語
隨著人們長期單一地在作物中導人某個基因,如Bt基因,又出現了新的問題。一是應用這類基因不能有效防治有些害蟲,如引起同翅目蚜蟲在轉Bt棉上的再猖獗現象;二是某些害蟲已對這類長期使用的基因產生了抗性,如鱗翅目的棉鈴蟲和小菜蛾已對Bt基因產生了不同程度的抗性。這種情況下,植物凝集素以其具有對鱗翅目、特別是對同翅目蚜蟲、飛虱、葉蟬等刺吸式口器害蟲及一些微生物有防效,對環境無污染,穩定性好及對高等動物相對安全等優點,為防治病蟲害開拓新思路。不可否認,植物凝集素作為植物基因工程的一部分,將在培育抗病蟲品種、發展可持續農業中大顯身手,但就目前的情況而言,植物凝集素更多的應用於轉基因抗蟲品種的培育,抗病品種篩選上還有待於突破。另一方面,植物凝集素對刺吸式害蟲的殺蟲性還不盡人意,如抗蟲性不強、抗蟲譜不廣等,因此有必要深入研究其作用機理,制定相應策略提高抗蟲效果。
外源凝集素基因是一組廣泛存在於植物組織中的蛋白質成分,在儲藏器官和繁殖器官中的含量尤其豐富。外源凝集素對植物有許多很重要的生理作用,其中在作物害蟲防治方面所能表現出的作用是保護功能,即在植物生長的各個階段,外源凝集素以不同的方式保護植物免受害蟲的侵害。研究結果表明,外源凝集素主要存在於植物細胞的蛋白粒中,一旦被害蟲攝食,外源凝集素便會在昆蟲的消化道內釋放出來,並與腸道圍食膜上的糖蛋白相結合,影響營養物質的正常吸收。同時,還可能在昆蟲的消化道內誘發病灶,促進消化道內細菌的增殖,對害蟲本身造成為害,從而達到殺蟲的目的。因而引起了人們對探討外源凝集素基因在抗蟲植物基因工程中應用的極大興趣。目前人們已分離出多種外源凝集素基因,然而由於多種外源凝集素對人和哺乳動物有較強的毒副作用,因而在生產上應用較少。但也有一些特例,其中豌豆外源凝集素和雪蓮花外源凝素(GNA)對人的毒性極低,但對害蟲卻有極強的抑制作用,因而倍受人們的重視。現已證明GNA對稻褐飛虱、黑尾葉蟬有極強的毒殺作用,同時還能抑制蚜蟲的生長。因而通過植物基因工程技術將GNA基因導入到植物體內,以培育出對稻褐飛虱、蚜蟲等刺吸式害蟲有抗性的轉基因植物。到目前為止,已有至少10種植物獲得了轉GNA基因抗蟲植株,它們分別是油菜、西紅柿、水稻、甘蔗、甘薯、向日葵、煙草、馬鈴薯、大豆和葡萄等,均表現出一定的抗蟲性。
上一篇[分裂中期]  

相關評論

同義詞:暫無同義詞