植物凝集素抗蟲性研究

馬琛　徐濤

摘要：在復(fù)雜的有機化合物活性蛋白中，植物凝聚素是較為高特異性的糖結(jié)合活性蛋白之一，其蛋白質(zhì)通過氨基酸的相互作用形成的肽鏈，具有單糖和寡糖特性的結(jié)構(gòu)功能。植物凝聚素存在于植物和微生物之間，能夠防御原茵對植物的侵害，廣泛應(yīng)用于各大行業(yè)中，尤其是農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)業(yè)。本文主要根據(jù)植物凝集素的定義與來源背景，通過對其分類、結(jié)構(gòu)、功能、抗蟲機制、弊端等進一步分析，并提出植物凝聚素在抗蟲方面的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：植物凝集素；糖結(jié)合特異性；抗蟲性；應(yīng)用前景

1植物凝集素的定義與發(fā)現(xiàn)

凝集素是一類廣泛分布于動物、植物和微生物中的非免疫來源的糖結(jié)合蛋白，其結(jié)構(gòu)中至少含有一個非催化結(jié)構(gòu)域能可逆地結(jié)合特異性糖類或糖蛋白、糖脂表面糖基，而不改變糖類的結(jié)構(gòu)。19世紀(jì)末，Still-mark在蓖麻（Ricinus communis L.）籽的研究中，發(fā)現(xiàn)了這類能夠起到吸聚人體或其他動物紅細(xì)胞作用的因子，這是人類最早發(fā)現(xiàn)植物凝集素的存在。隨后各種植物凝集素被分離純化出來，而對凝集素的研究也在不斷深入。

2植物凝集素糖結(jié)合特異性

植物凝集素區(qū)別于其他植物蛋白的標(biāo)志是具有特異性糖結(jié)合活性，其結(jié)構(gòu)中至少含有一個非催化結(jié)構(gòu)域，以確保其能選擇性識別并與可逆結(jié)合特定的游離單糖或糖蛋白、糖脂中的糖基。在生物體中，糖蛋白一般起信號傳遞或轉(zhuǎn)換作用，凝集素作為一類糖結(jié)合蛋白，具有憑借特異性識別并結(jié)合糖鏈末端的糖基團，并引發(fā)下游一系列生化信號級聯(lián)反應(yīng)的作用和功能。凝集素的很多生物學(xué)方面的作用都和其特異性的糖結(jié)合能力有著較大的關(guān)系。研究表明，凝集素的糖結(jié)合能力在凝集素進入靶位，與受體結(jié)合進而產(chǎn)生各種生物學(xué)效應(yīng)的這一整套過程中起著舉足輕重的作用。而凝集素和糖的結(jié)合是由凝集素分子中糖結(jié)合結(jié)構(gòu)域決定的，與凝集素分子中共價結(jié)合的糖類無關(guān)。糖結(jié)合結(jié)構(gòu)域的形狀、大小、配體糖的結(jié)構(gòu)和糖決定簇在糖鏈中所處的位置等因素都會對凝集素與糖分子的結(jié)合產(chǎn)生某種程度的影響。由于糖結(jié)合結(jié)構(gòu)域的保守性，植物凝集素通常只會同一種單糖或寡聚糖結(jié)合，對配體糖分子中各個碳原子上的羥基、結(jié)合糖鏈上糖分子的位置以及糖苷鏈的類型都有專一性。凝集素糖的這種專一性可以利用糖抑制實驗進行檢驗。

3植物抗蟲凝集素的抗蟲性機制

一般情況下，對鞘翅目、雙翅目以及同翅目等昆蟲而言，植物凝集素有著巨毒。除此之外，在植食性昆蟲的消化道表皮膜表面有著很多的糖蛋白，不僅如此，它上面還有很多的凝集素結(jié)合位點，當(dāng)昆蟲進行覓食的時候，這些凝集素就會隨著食物的攝入一同進入昆蟲的消化道，與此同時，就會和昆蟲體內(nèi)的糖蛋白產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從根本上降低消化道表皮膜的通透性，一旦昆蟲體內(nèi)這類化學(xué)反應(yīng)過多，就會造成昆蟲的生命危險，從而殺死昆蟲?？偟膩碚f，首個被發(fā)現(xiàn)有抗蟲性的物質(zhì)就是菜豆凝集素，隨著科技的進步，人們發(fā)現(xiàn)很多種豆科凝集素都會對昆蟲造成影響，并抑制昆蟲的生長，通常而言，蝴蝶羊蹄甲凝集素只會抑制四紋豆象（Cal-losobruchus maeulatus）幼蟲的活性，另外，刀豆凝集素只會抑制番茄葉蛾（Lacanobia oleracea）幼蟲的活性，簡單來說，就是不同的凝集素有著不同的功效，因為從10個不同種類的木豆進行提取凝集素，之后在同翅目中的桃蚜（Myzus persicae）上進行檢驗，最后得出不同的結(jié)果，也就是說有不同的抑制功效。與此同時，天南星凝集素也會抑制瓜果蠅（Bactroeeracucurbitae）的活性，根據(jù)實驗顯示，麥胚凝集素（WGA）還能抑制綠豆象（Callosobruchuschinens）幼蟲的生長和存活，最后還有雪蓮花凝集素（GNA）也會對褐飛虱（Nilaparvata lu-gens）等同翅目害蟲有抑制效果，另外，這個凝集素對鱗翅目等害蟲也有相同的毒性。除寥寥幾種的凝集素外，是當(dāng)前僅有的能夠整合各類真菌等微生物的物質(zhì)。當(dāng)前人類識別糖類物質(zhì)都是通過植物凝集素進行的。植物凝集素毒害病蟲的原理，是利用其異地結(jié)合昆蟲腸臟糖綴合物來實現(xiàn)的，具體情形還不明了。傳統(tǒng)植物學(xué)界認(rèn)為，植物凝集素能夠和毒害蟲類消化系統(tǒng)的糖蛋白進行結(jié)合，使其食欲降低，進而實現(xiàn)對植物的保護。此外，植物凝集素還能引發(fā)昆蟲疾病，造成其消化系統(tǒng)內(nèi)的細(xì)菌滋生，從而影響昆蟲食欲，導(dǎo)致其病懨懨的，不能正常生長或死亡。最新的研究指出，植物凝集素之所以能夠驅(qū)趕害蟲，極有可能是凝集素能夠和圍食膜表層糖綴合物發(fā)生結(jié)合，糖基化的消化酶上以及受體植物的糖基化蛋白上。其對病毒的抵抗功能，可能是因為其對病原體表糖綴合物的識別功能，最終讓病毒失去侵害的能力。

4凝集素存在的弊端和改進方法

雖然植物凝集素轉(zhuǎn)基因作物對害蟲有著極大的抗拒能力，但對人類的健康也有著一定的危害，比如大豆的植物凝集素能夠結(jié)合或者被裹在人體小腸皮細(xì)胞中。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物在正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中，也存在很多的危害，比如，由于抗蟲譜較為窄小，對害蟲的抗拒能力并不大，甚至?xí)斐衫ハx抗體增加。為了解決這一問題，相關(guān)專家通過將不同渠道獲取的不同抗蟲基因一起轉(zhuǎn)入植物中，創(chuàng)建出雙價或多價轉(zhuǎn)基因植物，通過相互補足或拓展抗蟲譜的方式，來提升其抗蟲能力。這種方法還能降低害蟲對藥性的適應(yīng)，以此來提升轉(zhuǎn)基因植物的使用時間。我國的王志斌等專家，通過利用UNA成熟蛋白基因和人工合成的GFMcryAI，從而創(chuàng)建雙價基因載體，進行煙草進行轉(zhuǎn)基因抗棉鈴蟲的實驗。實驗證明，超過4成的轉(zhuǎn)基因煙草擁有較好的抗蟲效能；隨后進行抗蚜蟲實驗證明，其在極大程度上控制了蚜蟲的繁殖。實驗獲得了好幾株具有抗擊棉鈴蟲、蚜蟲的煙草。趙存友等用改造過的雪蓮凝集素基因，通過和有分泌信號的bt基因的結(jié)合，創(chuàng)建出一個雙價植物表達載體。通過實驗檢測，這2個轉(zhuǎn)基因抗蟲植物的結(jié)合，能夠得到具有良好抗蟲效果的轉(zhuǎn)基因植物。劉召華等植物學(xué)專家，創(chuàng)造了ACA以及經(jīng)過改造而形成的UNA的雙價植物載體。在把ACA和UNA基因轉(zhuǎn)入煙草后，能夠?qū)οx類造成極大的抑制，實驗表明這2類基因的抗蟲能力能夠遺傳。此種轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的廣泛種植，為廣大人民帶來了豐厚的經(jīng)濟利益，極大推動了社會經(jīng)濟的進步，但蟲類對其抗蟲性的逐步適應(yīng)，也限制著轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的發(fā)展。針對這一問題，我國農(nóng)科院生物技術(shù)中心，在1995年首次提出創(chuàng)建雙價抗蟲基因的建議，并將其轉(zhuǎn)入棉花種植工作當(dāng)中。在這之后，轉(zhuǎn)基因雙夾抗蟲棉的研究迎來熱潮。王偉在內(nèi)的一批專家則將P-Lec基因以及SK TI基因，轉(zhuǎn)變?yōu)殛懙孛藁?。?jīng)過科學(xué)檢測，轉(zhuǎn)基因陸地棉擁有較好的抗棉鈴蟲功能。劉志等專家對轉(zhuǎn)基因bt以及UNA雙價基因的抗蟲性，分別進行了研究。研究結(jié)果指出，植物在生長階段，其莖葉對棉鈴蟲幼蟲的抵抗能力極強，能夠有效地控制蚜蟲的繁衍生長。

總而言之，不管是2類植物凝集素，還是2類bt基因組織，其結(jié)合而產(chǎn)生的抗蟲能力，比單一基因的植物抗蟲能力要強得多，而且擁有較寬的抗蟲譜，能夠降低害蟲對基因的適應(yīng)能力。所以，應(yīng)當(dāng)盡可能創(chuàng)建雙價或多價轉(zhuǎn)基因植物，在增強其抗蟲能力的同時，還能控制其適應(yīng)性、抗體的增長，而且還能盡可能保全生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)獲得大力推廣。

5植物凝集素在抗蟲方面的應(yīng)用前景

近些年來，植物凝集素已經(jīng)廣泛運用于植物基因工程內(nèi)，從相關(guān)的研究成果來看，其具有極佳的抑制效果，具體體現(xiàn)在對害蟲以及真菌等方面，能夠有效抑制它們的生長，與此同時，其還具備了穩(wěn)定性能佳以及不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)等明顯優(yōu)點。針對植物凝集素的優(yōu)勢之處，不少相關(guān)專家以及學(xué)者都致力于對其進行深入探索和研究，以此來防治各種類型的植物病蟲害。就目前而言，已經(jīng)有不少類型的凝集素被成功研制出來，用來防治植物抗病蟲害，其中，主要的凝集素有雪蓮花凝集素以及豌豆凝集素，除此之外，還包含了半夏凝集素等，凝集素不僅僅能夠防治蟲害，特別是能夠有選擇地進行蟲害預(yù)防，并且能夠有目的性地減少對人體的傷害，因此，這類凝集素在基因工程內(nèi)具有極大的價值。另外，我國的科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)取得了一個十分巨大的進步，在各個方面都已經(jīng)有所展現(xiàn)。特別是將凝集素基因這一技術(shù)成功地運用于我國農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)當(dāng)中，具體包括有水稻、油菜、馬鈴薯等。此舉也成功地驅(qū)逐了桃蚜、水稻褐飛虱等害蟲，保證了此類轉(zhuǎn)基因植物得到良好的生長環(huán)境。一般而言，人們?yōu)榱俗R別根瘤菌，都會發(fā)揮豆科植物凝集素的作用，在將其導(dǎo)入豆科植物當(dāng)中，增強其發(fā)展穩(wěn)定性。除此之外，還接種根瘤菌，使其固氮能力得到大大的增強。現(xiàn)如今，該種技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于三葉草當(dāng)中，改變了豌豆根瘤菌的宿主具有專一性的特點。值得一提的是，在其他科屬植物的研究上仍是處于初級階段，一旦該技術(shù)被大力應(yīng)用于水稻和煙草的種植當(dāng)中，這對于糧食增產(chǎn)和環(huán)境保護都是一項十分重要的舉措，發(fā)揮著極其重要的作用。endprint