凝集素在農(nóng)業(yè)和食品領域中的應用研究進展

徐重新， 謝雅晶， 何 鑫， 仲建鋒， 劉 媛， 張 霄， 劉賢金

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營養(yǎng)研究所/省部共建國家重點實驗室培育基地—江蘇省食品質(zhì)量安全重點實驗室，江蘇 南京 210014； 2.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

凝集素(Lectin)是廣泛存在于自然界生物體內(nèi)非免疫來源的一類具有特異性非共價靶向可逆結(jié)合糖及糖類分子的蛋白質(zhì)或糖蛋白類物質(zhì)，其來源廣、種類多，具有巨大的應用潛力：不僅可以作為研究細胞膜結(jié)構(gòu)的工具，也能充當類似“抗體”角色對靶標受體進行“免疫”治療、診斷或檢測。有研究結(jié)果表明，在生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)病蟲害以及食品防腐保鮮的新材料創(chuàng)制領域，可以借助凝集素凝集細胞、結(jié)合或抑制特定功能性糖蛋白、糖脂等功能，研發(fā)抗癌[1]、抗蟲[2]、抗病菌[3-4]、抗氧化[5]及促進作物生長發(fā)育[6]的新型蛋白質(zhì)或糖蛋白類藥物；也可以利用凝集素對糖及糖類分子具有多價結(jié)合的能力，通過偶聯(lián)生物素、熒光素、酶、鐵蛋白、膠體金及磁珠顆粒等示蹤性或特征性功能物質(zhì)，用于診斷或示蹤病癥[7]以及對致病微生物進行篩查檢測[8]等。

農(nóng)業(yè)和食品是民生的基礎，關乎國計民生。病蟲害和致病微生物是威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品質(zhì)量安全的最關鍵危害物，傳統(tǒng)依賴化學農(nóng)藥對病蟲害的防控和依賴抗生素類化學藥物對致病微生物的防控，盡管有效，但它們帶來的毒副作用也相當嚴重，不僅危害人類健康更威脅生態(tài)安全[9-10]。綠色生產(chǎn)及防控是農(nóng)業(yè)和食品生產(chǎn)可持續(xù)健康發(fā)展的必然要求，近年來持續(xù)受到政府決策部門和學術界的高度重視。凝集素是農(nóng)業(yè)和食品綠色生產(chǎn)及防控創(chuàng)新材料挖掘和利用的重點研究對象，近年來在農(nóng)業(yè)病蟲害防控和食源性致病微生物防控及篩查檢測等方面的研究蓬勃發(fā)展?；诖耍疚耐ㄟ^系統(tǒng)梳理凝集素在農(nóng)業(yè)病蟲害防控及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)節(jié)、食源性致病微生物防控及篩查檢測等方面的相關研究狀況，進一步探討有關凝集素應用技術、最新研究動向以及未來可能的發(fā)展趨勢，以期為凝集素在農(nóng)業(yè)和食品領域中的應用研究提供參考。

1 凝集素在農(nóng)業(yè)領域中的應用研究

1.1 防控農(nóng)業(yè)病害

近年來凝集素已成為農(nóng)業(yè)病害綠色防控新材料挖掘的新興熱點，部分研究成果逐漸展示出直接或潛在的應用價值。目前凝集素在農(nóng)業(yè)病害防控中的應用研究，主要聚焦在植物凝集素上，動物和微生物凝集素也有所涉及，防控對象以農(nóng)作物中的真菌性病害(如赤霉病、黑斑病、紋枯病、軟腐病等)為主，而對畜牧和水產(chǎn)業(yè)病害的防控研究則相對較少；相關代表性應用研究實例如表1所示。

表1 凝集素在農(nóng)業(yè)病害防控上的代表性應用研究實例

1.2 防控農(nóng)業(yè)蟲害

蟲害對農(nóng)業(yè)特別是種植業(yè)生產(chǎn)及其產(chǎn)品質(zhì)量安全與品質(zhì)的威脅程度幾乎可與病害比肩，對害蟲的有效防控是確保農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)必不可少的重要手段。凝集素是探尋和挖掘新型生物抗蟲材料領域關注的重點，相關研究發(fā)展蓬勃。目前有關凝集素在農(nóng)業(yè)蟲害防控中的應用研究，已涵蓋動植物源和微生物源凝集素，其中尤以植物凝集素最多且應用最廣；而就防控對象而言，已涉及種植業(yè)中常見害蟲種類，如線蟲、蚜蟲、棉鈴蟲、象蟲以及螟類、蛾類、粉虱和粉蚧類害蟲等，部分研究成果已作為生物農(nóng)藥制劑或轉(zhuǎn)基因抗蟲作物開始應用于對靶標害蟲的防控。相關代表性應用研究實例如表2所示。

1.3 在農(nóng)業(yè)領域其他方面的應用

目前凝集素在農(nóng)業(yè)領域的應用研究主要集中在防控農(nóng)業(yè)病蟲害上，此外在農(nóng)作物生長調(diào)節(jié)、品種抗逆性改良、產(chǎn)地環(huán)境治理等方面也有報道。其中Sousa等[51]從黃野百合中分離的凝集素能有效促進針葉櫻桃花粉管形成從而促進更多的花粉萌發(fā)，有利于提高針葉櫻桃產(chǎn)量；Alenkina等[52-53]從固氮螺菌中分離出的凝集素能調(diào)節(jié)小麥幼苗根系抗氧化酶活性，提升植株對異常氣溫、干旱以及鹽脅迫的適應能力，促進作物生長和細胞生物量積累；Kumar等[12]將鷹嘴豆凝集素基因?qū)虢娌酥仓?，Lambin等[54]將衛(wèi)矛凝集素基因?qū)胨局仓?，均能增強相應轉(zhuǎn)基因作物對干旱和高鹽等逆境的抗性，促進農(nóng)作物在逆境脅迫中生長發(fā)育，而Sreevidya等[55]將源于豌豆和野大豆的2個凝集素基因?qū)胨?，能極大促進根瘤菌在轉(zhuǎn)基因水稻根系的定殖，從而促進側(cè)根增殖，有利于作物生長；李丹彤等[56]以裙帶菜凝集素注射日本對蝦，田園等[57]以刀豆凝集素投喂菲律賓蛤仔，發(fā)現(xiàn)供試生物體的血細胞吞噬活性和溶菌酶、堿性磷酸酶及超氧化物歧化酶等功能蛋白酶活性顯著提升，均能明顯提高機體非特異性免疫力，對水產(chǎn)養(yǎng)殖具有重要價值；而Freitas等[58]依托水溶性辣木凝集素聯(lián)合硫酸鋁使污水樣品的濁度和生態(tài)毒性顯著降低，且該凝集素能同步降低鋁離子殘留量，從而減少投入品產(chǎn)生的次生污染，這對農(nóng)田和水產(chǎn)環(huán)境治理具有重要意義。

2 凝集素在食品領域中的應用研究

2.1 防控食源性致病微生物

食源性致病微生物是引起食物腐敗變質(zhì)、誘發(fā)食物中毒的最主要因素，是食品質(zhì)量安全監(jiān)管和防控的重要對象[59]。目前均有用動植物和微生物凝集素防控食源性致病微生物的報道，其中動植物凝集素較多，防控對象則以食源性致病細菌(金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、李斯特菌、沙門氏菌等)為主，也略有涉及食源性真菌(霉菌、念珠菌、酵母菌等)，目前的研究尚未涉及食源性病毒。供試的凝集素抑菌效果參差不齊，相關代表性應用研究實例如表3所示。

表3 凝集素在食源性致病微生物防控上的代表性應用研究實例

2.2 篩查檢測食源性致病微生物

食源性致病微生物篩查檢測方法主要分為通過微生物活體培養(yǎng)方式鑒定的生物法和基于微生物細胞或特征性物質(zhì)的免疫學、光譜學、核酸、生物傳感等方式檢測的生化法兩大類型[71]。依托凝集素對食源性致病微生物的篩查檢測均屬于生化法，主要是借助凝集素具有凝集或沉淀特定微生物細胞、結(jié)合或識別微生物細胞表面特定蛋白質(zhì)或糖蛋白類物質(zhì)等功能而實現(xiàn)的。目前的研究動植物源凝集素均有涉及，而以植物凝集素為主，其中研究和應用最多的是大豆凝集素和麥胚凝集素，篩查檢測對象涵蓋大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、李斯特菌、糞腸球菌、變形鏈球菌、甲型肝炎病毒以及弓形蟲卵囊等。相關代表性應用研究實例如表4所示。

表4 凝集素在食源性致病微生物檢測上的代表性應用實例

2.3 在食品領域其他方面的應用

目前凝集素在食品抗氧化保鮮以及污染物消減等方面也有一些直接或間接的研究報道。如楊晴晴等[89]將菲律賓蛤仔凝集素作為保鮮劑用于小黃魚冷藏，其感官評價要好于對照組，且魚體菌落總數(shù)、pH值、揮發(fā)性鹽基氮和硫代巴比妥酸含量都顯著低于對照組；Carrasco-Castilla等[90]分離的菜豆凝集素、Saha等[91]分離的扁豆凝集素、Lacerda等[92]分離的巴西利馬豆凝集素和Wu等[5]分離的褐藻羊棲菜凝集素均具有較強的抗氧化活性，由于它們源于食用農(nóng)產(chǎn)品的屬性特征，因此均有望作為抗氧化劑用于食品保鮮。此外Freitas等[58]分離的水溶性辣木凝集素對水體除濁和絮凝沉降毒性物質(zhì)具有良好的輔助作用，Rajalakshmi等[93]分離的馬錢子凝集素對水體中的氟離子具有良好絮凝清除作用，這些凝集素均有望用于飲用水中相應危害物的消減或清除，從而提升飲用水及水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品的質(zhì)量安全水平。

3 展 望

凝集素作為蛋白質(zhì)或糖蛋白類物質(zhì)在助推農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和保障農(nóng)產(chǎn)品、食品質(zhì)量安全方面具有獨特的優(yōu)勢和極大的應用潛力，但其在實際應用過程中也普遍存在如表達制備困難、生物活性不強、穩(wěn)定性較差等一系列有待進一步解決的共性短板問題。

在農(nóng)業(yè)領域方面，凝集素的優(yōu)勢主要集中在病蟲害防控上，特別是具備特殊生物學功能的蛋白質(zhì)類凝集素，不僅可以通過離體藥劑形式用于靶標病蟲害防控，也可以通過轉(zhuǎn)基因手段培育抗病蟲害作物品系，能最大程度發(fā)揮其應用價值。不過原始離體的凝集素甚至其轉(zhuǎn)基因作物在病蟲害防控效果上仍然不盡如人意，絕大多數(shù)尚不足以與同等功效的化學農(nóng)藥相媲美；特別是在害蟲防控上，效果普遍較差，防控率大多為30%～50%[22-23,29,31-32,37,40,43]，甚至更低[24，30，33-35，48]。目前改進其活性最直接的方式就是串聯(lián)其他活性更好的生物材料，如Bt 抗蟲蛋白[26]、蜘蛛神經(jīng)毒素[27]，不僅可以增強對靶標害蟲的聯(lián)合防控效果，同時也能減少或延緩靶標害蟲抗性發(fā)生頻率。此外借鑒抗體體外改造技術如基因水平上的定點突變[94]、易錯PCR[95]和蛋白質(zhì)翻譯后的泛素化修飾[96]、糖基化修飾[97]等，從分子水平上對凝集素進行成熟修飾，也是提升其活性的潛在有效手段。

在食品領域方面，凝集素在食源性致病微生物防控和檢測上的應用研究較多，而在抗氧化保鮮上的研究較少。值得注意的是，相當一部分凝集素對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、李斯特菌、沙門氏菌、芽孢桿菌、霉菌等常見的食源性致病微生物具有或多或少的廣譜抗菌作用[4,20,44,62-64,68-70]，其在食品防腐保鮮上具有良好的應用前景。食品質(zhì)量關乎老百姓“吃”的大事，因此對凝集素作為食品防腐保鮮劑使用的安全性和必要性上可能更謹慎，目前在中國尚無這類產(chǎn)品作為食品添加劑登記使用。盡管如此，隨著對凝集素的深入研究，未來在充分的風險評估數(shù)據(jù)支撐的前提下，特別是源于可食用生物體如刀豆[4]、菜豆[90]、扁豆[91]、馬齒莧[16]、蝦[65]、牡蠣[67]、褐藻羊棲菜[5]等的食源性凝集素勢必為業(yè)界和社會大眾所接受，在食品防腐保鮮上率先發(fā)揮應有價值。而對于食源性致病微生物的篩查檢測，無論是在物種特異性精度還是在靈敏度上，基于凝集素的檢測方法均無法與同等功效的抗體免疫法和儀器分析法相比[71]，基于凝集素的檢測優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對致病微生物的活體篩查以及由其介導或輔助改善的創(chuàng)新生物傳感法上，其中涉及刀豆凝集素和麥胚凝集素的研究最多，有望在實際應用中取得突破。