真菌激活蛋白對(duì)農(nóng)作物影響的研究進(jìn)展

摘 要：真菌激活蛋白是一類從真菌中分離出、具有激發(fā)子功能的新型蛋白質(zhì)，可通過(guò)提高多種植物的抗逆性來(lái)促進(jìn)植物生長(zhǎng)，同時(shí)也可增加作物體內(nèi)的活性成分，改善其品質(zhì)。以稻瘟菌激活蛋白為例，對(duì)激活蛋白促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)、增強(qiáng)其抗病性的功能及機(jī)制進(jìn)行綜述和展望，以期為提倡綠色生態(tài)、減少化學(xué)農(nóng)藥使用、促進(jìn)食品藥品安全提供新思路和新方法。

關(guān)鍵詞：稻瘟菌；激活蛋白；促生長(zhǎng)；抗逆性機(jī)制；生物農(nóng)藥；綜述

中圖分類號(hào)：Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2018）08-0128-03

Research Progress on the Effects of Fungal Activator Proteins on Crops

WANG Cheng1，CHEN Yong-hui2，LIU Tian-tian1，YE Ruo-song1

（1. College of Life Science， Jiangxi Science Technology Normal University， Nanchang 330013， PRC； 2. Jiangxi Biotech Vocational

College， Nanchang 330200， PRC）

Abstract： Fungal activator proteins are a new class of proteins isolated from fungi with elicitor function， which can promote plant growth by improving the stress resistance of many plants， and also increase the active components in crops and improve their quality. Took a case of Magnaporthe grisea activation protein as example， this paper reviews and prospects the functions and mechanisms of activator proteins in promoting crop growth and disease resistance， provides new ideas and methods for promoting green ecology， reducing the use of chemical pesticides and promoting food and drug safety.

Key words： Magnaporthe grisea； activator protein； growth promotion； stress resistance mechanism； biological pesticide； review

激活蛋白（activator protein）是從鐮刀菌（Fusarium spp.）、交鏈孢菌（Alternaria spp.）及稻瘟菌（Piricularia oryzae）等真菌中分離純化出的一類可誘導(dǎo)植物抗性，提高植株免疫力的新型蛋白質(zhì)激發(fā)子[1]。它通過(guò)啟動(dòng)植物體內(nèi)一系列代謝反應(yīng)，激活植物的生長(zhǎng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)，從而提高植物抵御病蟲害侵襲以及抗擊不良環(huán)境影響的能力，特別是對(duì)病毒病的誘抗效果較為明顯[2]。同時(shí)，這類蛋白還能明顯促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，適用于番茄、辣椒、西瓜等農(nóng)作物[3]。另外，激活蛋白的功能在國(guó)外也有許多研究報(bào)道。1992年美國(guó)的ZM.Wei博士最先揭示植株感染梨火于疫病（Erwniaiamyotvoar）后，可產(chǎn)生一種過(guò)敏性反應(yīng)的蛋白質(zhì)（Hparin），能抵御植物病蟲害的侵襲[4]。美國(guó)EDEN生物科學(xué)公司基于原核細(xì)菌Haiprni的研究[5]，于2001年開發(fā)并推出的具有生物活性功能的產(chǎn)品Mesesnger，被美國(guó)環(huán)保局批準(zhǔn)在全美農(nóng)作物上使用。這一研究被譽(yù)為作物生產(chǎn)和食品安全的一場(chǎng)綠色化學(xué)革命。激活蛋白可增強(qiáng)植物抵御病蟲害及自然脅迫能力的這一功能為植物病害防治提供了一種新思路，同時(shí)也為農(nóng)作物新型種植提供了有益的借鑒。筆者就真菌激活蛋白在農(nóng)作物抗病、促生長(zhǎng)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為該蛋白的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 稻瘟菌激活蛋白的功能

1.1 提高種子發(fā)芽率和作物產(chǎn)量

稻瘟菌激活蛋白能顯著促進(jìn)水稻種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)。徐峰等[6]的研究表明，經(jīng)稻瘟菌激活蛋白處理的水稻種子在播種5 d后的發(fā)芽率比空白對(duì)照組種子提高了68% ；播種后7 d處理組種子的出苗率為100%，對(duì)照組出苗率僅為55.33%，且2組試驗(yàn)結(jié)果具有顯著性差異。

另有研究證實(shí)，用激活蛋白液浸種可提高種子的發(fā)芽勢(shì)和種子萌發(fā)活力指數(shù)。例如提高玉米產(chǎn)量，提升玉米品質(zhì)[7]，促進(jìn)種子萌發(fā)，增強(qiáng)幼苗的光合特性和抗逆性[8]；提高絲瓜、番茄等作物的抗病抗旱能力[9]。葉面噴施適量的激活蛋白，可提高草莓等作物產(chǎn)量[10]。

1.2 促進(jìn)作物生長(zhǎng)

限定濃度內(nèi)的稻瘟菌激活蛋白液可明顯促進(jìn)作物生長(zhǎng)。左斌[11]的研究表明，激活蛋白濃度在1～6 μg/mL

范圍內(nèi)，隨激活蛋白濃度的升高，水稻種子中丙酮酸激酶活性亦升高；但丙酮酸激酶活性亦會(huì)隨處理時(shí)間變化而發(fā)生改變，2 μg/mL的激活蛋白處理后水稻種子的酶活性相對(duì)保持較長(zhǎng)時(shí)間，其最高峰值在第5天，達(dá)378%。由此可知，經(jīng)一定濃度激活蛋白處理的水稻種子，其丙酮酸激酶活性明顯升高，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用能力增強(qiáng)。但若激活蛋白濃度過(guò)高反而會(huì)影響水稻的正常生長(zhǎng)，例如6 μg/mL的激活蛋白處理后秧苗出現(xiàn)發(fā)黃癥狀。

滕立平等[9]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)不同濃度激活蛋白

處理后的番茄種子，秧苗期生長(zhǎng)速度均有增加；同時(shí)，番茄秧苗根系中脫氫酶的活性有所增強(qiáng)，促進(jìn)了秧苗生長(zhǎng)和根系發(fā)育，其促生長(zhǎng)效果大約能維持40 d以上。

研究還表明，使用高濃度激活蛋白原液處理的種子、葉片、秧苗，其生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，說(shuō)明激活蛋白對(duì)植物的促生長(zhǎng)作用與蛋白濃度密切相關(guān)。

1.3 提高植物酶活性，增強(qiáng)抗病性

近年來(lái)，真菌激活蛋白被廣泛用作微生物農(nóng)藥，因其有效成分是從微生物中分離提取的無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染的高活性蛋白，所以該藥劑在使用上不需要考慮環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，在水稻、辣椒、大白菜、煙草、棉花、柑橘等作物上已進(jìn)行了試驗(yàn)示范[12]，并被證實(shí)對(duì)多種農(nóng)作物主要病害都具有誘抗作用。田間與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果均表明，激活蛋白對(duì)多種病蟲害的防治效果在40%～80%范圍內(nèi)[13]；同時(shí)，還能明顯促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

在逆境（旱、鹽堿、熱、冷、凍）條件下，激活蛋白處理后植物體內(nèi)的脯氨酸含量顯著增加，纖維素酶活性提高，從而使植物幼苗獲得系統(tǒng)抗性[14]。此外，用激活蛋白發(fā)酵液處理馬鈴薯葉片，可提高葉片對(duì)于軟腐病的抗病性[15]。

真菌源激活蛋白能夠誘導(dǎo)并提高水稻幼苗對(duì)稻瘟菌的抗性，同時(shí)對(duì)白葉枯病也有一定抗性，但具有時(shí)序效應(yīng)。研究顯示，經(jīng)2 g/mL激活蛋白處理后，染病水稻幼苗的病情指數(shù)從第3天開始顯著低于對(duì)照，5 d后平均每葉病斑數(shù)與病情指數(shù)均顯著低于對(duì)照；并且隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，病情指數(shù)降幅不斷增大；至處理后的14 d，平均每株病葉數(shù)與未染病對(duì)照相比已無(wú)明顯差異[16]。

2 真菌激活蛋白的抗病機(jī)制

在已知真菌激活蛋白對(duì)大多數(shù)農(nóng)作物均有促生長(zhǎng)和增強(qiáng)抗逆性作用的基礎(chǔ)上，研究熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向該類蛋白激發(fā)子的抗病機(jī)制上來(lái)。學(xué)者們?cè)谏锛ぐl(fā)子信號(hào)的識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及防衛(wèi)基因的表達(dá)與調(diào)控等方面已積累了大量資料。激活蛋白的抗病機(jī)制與其誘導(dǎo)植物體內(nèi)基因轉(zhuǎn)錄有密切聯(lián)系。國(guó)外生物學(xué)家 Montesano.M，Brader.G和E.T.Palva等在早期研究中提到，植物體中微生物病原體衍生的激發(fā)子能夠誘導(dǎo)植物產(chǎn)生防御機(jī)制[17]。在用誘導(dǎo)蛋白處理擬南芥后，發(fā)現(xiàn)其中不同蛋白在代謝、修飾、調(diào)節(jié)、防御的相關(guān)表達(dá)方面，與對(duì)照表現(xiàn)出顯著差異[18]。

2.1 真菌激活蛋白對(duì)植物體內(nèi)部分關(guān)鍵酶活性的影響

植物誘導(dǎo)抗病性是植物主動(dòng)抗病機(jī)制的一個(gè)重要方面，包括處理激發(fā)子、機(jī)械損傷以及微生物侵染3種原理誘導(dǎo)植物產(chǎn)生的各類防御反應(yīng)。大量的離體和活體試驗(yàn)表明，植物細(xì)胞在受到激活蛋白處理或病原菌侵染時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量蛋白酶抑制劑和細(xì)胞溶解酶如幾丁質(zhì)酶和葡聚糖酶[19]，并提高β-1，3-葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶等真菌生長(zhǎng)中潛在抑制子的活性[20]，而這些酶活性與植物抗病性直接相關(guān)[21]。

激活蛋白激發(fā)植物防衛(wèi)反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的生理生化過(guò)程，活性氧積累是植物抗病反應(yīng)的早期特征之一，SOD、CAT、POD均是細(xì)胞抵御活性氧傷害的酶系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，稻瘟菌激活蛋白誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生抗病性與植物體內(nèi)的活性氧物質(zhì)代謝密切相關(guān)。袁肖寒等[16]的研究表明，2 μg/mL激活蛋白處理水稻幼苗后，其體內(nèi)的O-2加速歧化為H2O2，使植株體內(nèi)的H2O2含量增加，這與SOD、POD 活性升高、CAT 活性下降息息相關(guān)。

2.2 真菌激活蛋白對(duì)植物抗病、促生長(zhǎng)的相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的影響

NPr1是植物系統(tǒng)獲得性抗性中的一個(gè)關(guān)鍵基因，其功能與植物具備廣譜性抗性相關(guān)，NPr1表達(dá)量上調(diào)，表明植物系統(tǒng)抗病能力增強(qiáng)。EIN2不僅在植物乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有重要作用，還涉及其他植物激素及脅迫因子的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。李慧敏

等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，水稻幼苗經(jīng)2 μg/mL激活蛋白噴霧處理后，NPr1基因轉(zhuǎn)錄活性在處理后0～5 d持續(xù)增強(qiáng)，表達(dá)水平顯著高于對(duì)照；EIN2基因表達(dá)水平在處理后0～5 d也顯著高于對(duì)照，但在處理第5天后轉(zhuǎn)錄活性有所回落。李麗等[23]通過(guò)半定量RT-PCR法測(cè)定了經(jīng)激活蛋白處理后植物中Npr1的表達(dá)水平，結(jié)果顯示處理第2天Npr1表達(dá)量約為對(duì)照組的6倍，且差異顯著。這表明，激活蛋白通過(guò)改變植物體內(nèi)抗病性相關(guān)的蛋白轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)其生長(zhǎng)及增強(qiáng)抗病性。但激活蛋白誘導(dǎo)植物細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子和特異植物受體分子之間的識(shí)別與互作、經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)并最終引發(fā)防衛(wèi)反應(yīng)是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的過(guò)程，有關(guān)激活蛋白誘導(dǎo)植物抗病的分子機(jī)制及其在植物體內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)具體途徑仍需深入研究。

3 應(yīng)用展望

馬來(lái)西亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥的過(guò)量施用[24]引發(fā)了一些關(guān)于環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。在當(dāng)前化學(xué)藥物防治效果減弱、抗病育種抗性不穩(wěn)定的情況下，為減少農(nóng)藥的過(guò)度使用對(duì)環(huán)境造成的不良影響，可誘導(dǎo)農(nóng)作物產(chǎn)生抗病激發(fā)子提升其自身的防御能力。激活蛋白作為新型微生物農(nóng)藥[25]之一，受到越來(lái)越多研究者的重視。

真菌激活蛋白不僅可提高植物發(fā)芽率、促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)、改善作物品質(zhì)，且對(duì)天敵安全、對(duì)環(huán)境友好。經(jīng)多種植物的室內(nèi)栽培和田間試驗(yàn)證明，含激活蛋白1%～3%的可濕性粉劑，配制成100～500倍的水溶液，用于作物的拌種、浸種、澆根和葉面噴施后，對(duì)植物的生長(zhǎng)有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，且對(duì)病害有一定的誘導(dǎo)抗性[26]。

真菌激活蛋白與傳統(tǒng)的微生物蛋白農(nóng)藥最大的區(qū)別在于，激活蛋白處理后不直接殺滅害蟲和病原物，而是通過(guò)誘導(dǎo)植物自身的抗病防蟲基因表達(dá)，使其產(chǎn)生系統(tǒng)抗性。它的作用機(jī)理在性質(zhì)上類似動(dòng)物免疫的一種抗病機(jī)制[27]，這將為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中病害控制提供新思路。利用遺傳學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)等方法，人們對(duì)植物激活蛋白的作用機(jī)理將會(huì)有更深入的了解，從而在植物的促生增產(chǎn)、提高抗病性等方面取得突破性的成果。

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（責(zé)任編輯：成 平）