壳寡糖类抗病激活剂有望成为新一代生物农药

图1 张文清教授

多糖是由多个单糖分子以苷键结合而成的高分子碳水化合物。多糖在自然界分布极广，有的是构成动植物细胞壁的组成成分，有的是作为动植物储藏的养分，有的具有特殊的生物活性。自20 世纪50 年代以来，逐渐发现多糖具有复杂的、多方面的生物活性和功能，已广泛应用于食品科学、生物化工、医药卫生、农业等领域。

华东理工大学上海市功能性材料化学重点实验室天然产物研究团队在学术带头人张文清教授带领下(图1、2)，对多糖的提取分离、结构分析和活性研究建立了系统的方法，目前通过分离和生物技术开发了多个多糖产品并实现工业化生产，特别是壳聚糖系列产品的研究，如植物活力剂寡糖素(图3)，2003 年获得上海市科技进步二等奖和上海市发明一等奖。

图2 团队研讨

图3 农业生物制剂

壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-2-脱氧-β-D 葡萄糖。这种天然高分子多糖由于其良好的生物相容性、可降解性、安全性和广谱抗菌性等特点而被广泛关注。自Peter 于1984 年首次提出寡糖素能作为植物激发子以来，寡糖素在农业领域的研究开发受到极大关注。由壳聚糖降解所得到的壳寡糖，作为植物抗病激发子具有调控植物生长、发育、繁殖、防病和抗病等方面的功能，能够激发植物的基础免疫反应。壳寡糖作为植物抗病激发子，虽具有广谱、持久的抗性，但与有机农药相比，诱导产生的抗病效果存在滞后性、受环境因素影响较大和产品不稳定等。在农业生产中受到一定程度的限制。

张文清课题组通过化学修饰制备壳寡糖季铵盐，改变壳寡糖自身的电荷分布和强度，加强壳寡糖(配体)与受体之间相互作用，诱导植物产生植物抗毒素(Phytoalexin)，有效抵御病原菌的侵染(图4)。以模式植物拟南芥为例，camalexin 是拟南芥产生的一种重要植保素，对拟南芥抵御腐生型病原真菌——灰葡萄孢菌侵染具重要作用。研究发现，壳寡糖季铵盐能迅速激活拟南芥分裂活化蛋白激酶MAPK3 和MAPK6，通过对camalexin 合成基因PAD3 的上调来调控camalexin 的合成，抑制灰葡萄孢菌孢子在拟南芥叶片上生长。壳寡糖虽然也能激活MAPK3 和MPK6，但从速度和作用程度上来说，要远低于壳寡糖季铵盐所产生的效果。

壳寡糖季铵盐能快速调节拟南芥气孔的开度并保持较长时间，限制丁香假单胞菌的快速入侵。壳寡糖在此方面则“束手无策”。此研究为改善不同来源的寡糖素作为植物抗病激发子提供了一种新的策略。

模式植物拟南芥和水稻的壳寡糖受体AtCERK1 和OsCEBiP 直接结合壳寡糖，通过形成同源二聚体或异源二聚体并发生磷酸化作用，将壳寡糖信号由胞外传递到胞内，激活植物的PTI。病原菌为了生存，其在与植物漫长的协同进化过程中进化出能够对PTI 进行抑制的效应分子。病原真菌和病原细菌的抑制机制各不相同，细菌主要实行“攻击消灭”，而病原真菌则采取“以守为攻”。例如细菌丁香假单孢菌的效应分子AvrPtoB 能够直接泛素化CERK1 来抑制植物的PTI 产生;真菌水稻稻瘟病能分泌具有LysM 功能域的效应分子Slp1，Slp1 同时具有抑制植物分泌的几丁质酶活性及与CERK1 竞争性结合，从而抑制植物PTI 的产生。

图4 合成工艺图

图5 LysM-CERK1 嵌合受体载体的构建

利用具有LysM 功能域的效应蛋白能竞争性结合壳寡糖的特性，将Slp1 与拟南芥CERK1的胞内结构域融合，构建Slp1-CERK1 嵌合受体(图5)。用壳寡糖处理表达嵌合受体的拟南芥cerk1 植株(CERK1 功能缺失突变体)，发现ROS 活性和壳寡糖相关基因(MAPK3、WRKY33、WRKY53)的转录表达水平均显著上调，拟南芥中合成的camalexin 基因PAD3 也显著上升，叶片中灰葡萄孢菌的菌丝生长得到有效控制。此研究有助于更好地理解LysM 功能域与壳寡糖相互作用分子机制和信号转导的调控机制，而且对合理利用具有LysM 功能域的效应分子来提高植物的抗病性奠定了理论基础。植物的诱导抗病性从激发子与受体识别开始，到植物产生明显的抗病防卫反应结束。在这一过程中，通过研究寡糖素和CERK1 受体的分子特性以及两者之间的相互作用方式，探讨壳寡糖类抗病激活剂诱导的抗病信号传导的细节和防卫基因的调控方式等。壳寡糖类抗病激活剂优良的诱导特性，有望使其成为新型的生物农药，相信随着研究进一步深入，壳寡糖类抗病激活剂诱导的植物抗病的作用机制将逐步了解，将为其诱导植物抗病有效合理的应用起了巨大的推动作用。