植物凝集素抗虫性研究

马琛　徐涛

摘要：在复杂的有机化合物活性蛋白中，植物凝聚素是较为高特异性的糖结合活性蛋白之一，其蛋白质通过氨基酸的相互作用形成的肽链，具有单糖和寡糖特性的结构功能。植物凝聚素存在于植物和微生物之间，能够防御原茵对植物的侵害，广泛应用于各大行业中，尤其是农业和医学业。本文主要根据植物凝集素的定义与来源背景，通过对其分类、结构、功能、抗虫机制、弊端等进一步分析，并提出植物凝聚素在抗虫方面的应用前景。

关键词：植物凝集素；糖结合特异性；抗虫性；应用前景

1植物凝集素的定义与发现

凝集素是一类广泛分布于动物、植物和微生物中的非免疫来源的糖结合蛋白，其结构中至少含有一个非催化结构域能可逆地结合特异性糖类或糖蛋白、糖脂表面糖基，而不改变糖类的结构。19世纪末，Still-mark在蓖麻（Ricinus communis L.）籽的研究中，发现了这类能够起到吸聚人体或其他动物红细胞作用的因子，这是人类最早发现植物凝集素的存在。随后各种植物凝集素被分离纯化出来，而对凝集素的研究也在不断深入。

2植物凝集素糖结合特异性

植物凝集素区别于其他植物蛋白的标志是具有特异性糖结合活性，其结构中至少含有一个非催化结构域，以确保其能选择性识别并与可逆结合特定的游离单糖或糖蛋白、糖脂中的糖基。在生物体中，糖蛋白一般起信号传递或转换作用，凝集素作为一类糖结合蛋白，具有凭借特异性识别并结合糖链末端的糖基团，并引发下游一系列生化信号级联反应的作用和功能。凝集素的很多生物学方面的作用都和其特异性的糖结合能力有着较大的关系。研究表明，凝集素的糖结合能力在凝集素进入靶位，与受体结合进而产生各种生物学效应的这一整套过程中起着举足轻重的作用。而凝集素和糖的结合是由凝集素分子中糖结合结构域决定的，与凝集素分子中共价结合的糖类无关。糖结合结构域的形状、大小、配体糖的结构和糖决定簇在糖链中所处的位置等因素都会对凝集素与糖分子的结合产生某种程度的影响。由于糖结合结构域的保守性，植物凝集素通常只会同一种单糖或寡聚糖结合，对配体糖分子中各个碳原子上的羟基、结合糖链上糖分子的位置以及糖苷链的类型都有专一性。凝集素糖的这种专一性可以利用糖抑制实验进行检验。

3植物抗虫凝集素的抗虫性机制

一般情况下，对鞘翅目、双翅目以及同翅目等昆虫而言，植物凝集素有着巨毒。除此之外，在植食性昆虫的消化道表皮膜表面有着很多的糖蛋白，不仅如此，它上面还有很多的凝集素结合位点，当昆虫进行觅食的时候，这些凝集素就会随着食物的摄入一同进入昆虫的消化道，与此同时，就会和昆虫体内的糖蛋白产生化学反应，从根本上降低消化道表皮膜的通透性，一旦昆虫体内这类化学反应过多，就会造成昆虫的生命危险，从而杀死昆虫。总的来说，首个被发现有抗虫性的物质就是菜豆凝集素，随着科技的进步，人们发现很多种豆科凝集素都会对昆虫造成影响，并抑制昆虫的生长，通常而言，蝴蝶羊蹄甲凝集素只会抑制四纹豆象（Cal-losobruchus maeulatus）幼虫的活性，另外，刀豆凝集素只会抑制番茄叶蛾（Lacanobia oleracea）幼虫的活性，简单来说，就是不同的凝集素有着不同的功效，因为从10个不同种类的木豆进行提取凝集素，之后在同翅目中的桃蚜（Myzus persicae）上进行检验，最后得出不同的结果，也就是说有不同的抑制功效。与此同时，天南星凝集素也会抑制瓜果蝇（Bactroeeracucurbitae）的活性，根据实验显示，麦胚凝集素（WGA）还能抑制绿豆象（Callosobruchuschinens）幼虫的生长和存活，最后还有雪莲花凝集素（GNA）也会对褐飞虱（Nilaparvata lu-gens）等同翅目害虫有抑制效果，另外，这个凝集素对鳞翅目等害虫也有相同的毒性。除寥寥几种的凝集素外，是当前仅有的能够整合各类真菌等微生物的物质。当前人类识别糖类物质都是通过植物凝集素进行的。植物凝集素毒害病虫的原理，是利用其异地结合昆虫肠脏糖缀合物来实现的，具体情形还不明了。传统植物学界认为，植物凝集素能够和毒害虫类消化系統的糖蛋白进行结合，使其食欲降低，进而实现对植物的保护。此外，植物凝集素还能引发昆虫疾病，造成其消化系统内的细菌滋生，从而影响昆虫食欲，导致其病恹恹的，不能正常生长或死亡。最新的研究指出，植物凝集素之所以能够驱赶害虫，极有可能是凝集素能够和围食膜表层糖缀合物发生结合，糖基化的消化酶上以及受体植物的糖基化蛋白上。其对病毒的抵抗功能，可能是因为其对病原体表糖缀合物的识别功能，最终让病毒失去侵害的能力。

4凝集素存在的弊端和改进方法

虽然植物凝集素转基因作物对害虫有着极大的抗拒能力，但对人类的健康也有着一定的危害，比如大豆的植物凝集素能够结合或者被裹在人体小肠皮细胞中。转基因农作物在正常的农业生产工作中，也存在很多的危害，比如，由于抗虫谱较为窄小，对害虫的抗拒能力并不大，甚至会造成昆虫抗体增加。为了解决这一问题，相关专家通过将不同渠道获取的不同抗虫基因一起转入植物中，创建出双价或多价转基因植物，通过相互补足或拓展抗虫谱的方式，来提升其抗虫能力。这种方法还能降低害虫对药性的适应，以此来提升转基因植物的使用时间。我国的王志斌等专家，通过利用UNA成熟蛋白基因和人工合成的GFMcryAI，从而创建双价基因载体，进行烟草进行转基因抗棉铃虫的实验。实验证明，超过4成的转基因烟草拥有较好的抗虫效能；随后进行抗蚜虫实验证明，其在极大程度上控制了蚜虫的繁殖。实验获得了好几株具有抗击棉铃虫、蚜虫的烟草。赵存友等用改造过的雪莲凝集素基因，通过和有分泌信号的bt基因的结合，创建出一个双价植物表达载体。通过实验检测，这2个转基因抗虫植物的结合，能够得到具有良好抗虫效果的转基因植物。刘召华等植物学专家，创造了ACA以及经过改造而形成的UNA的双价植物载体。在把ACA和UNA基因转入烟草后，能够对虫类造成极大的抑制，实验表明这2类基因的抗虫能力能够遗传。此种转基因抗虫棉的广泛种植，为广大人民带来了丰厚的经济利益，极大推动了社会经济的进步，但虫类对其抗虫性的逐步适应，也限制着转基因抗虫棉的发展。针对这一问题，我国农科院生物技术中心，在1995年首次提出创建双价抗虫基因的建议，并将其转入棉花种植工作当中。在这之后，转基因双夹抗虫棉的研究迎来热潮。王伟在内的一批专家则将P-Lec基因以及SK TI基因，转变为陆地棉花。经过科学检测，转基因陆地棉拥有较好的抗棉铃虫功能。刘志等专家对转基因bt以及UNA双价基因的抗虫性，分别进行了研究。研究结果指出，植物在生长阶段，其茎叶对棉铃虫幼虫的抵抗能力极强，能够有效地控制蚜虫的繁衍生长。

总而言之，不管是2类植物凝集素，还是2类bt基因组织，其结合而产生的抗虫能力，比单一基因的植物抗虫能力要强得多，而且拥有较宽的抗虫谱，能够降低害虫对基因的适应能力。所以，应当尽可能创建双价或多价转基因植物，在增强其抗虫能力的同时，还能控制其适应性、抗体的增长，而且还能尽可能保全生态系统，应当获得大力推广。

5植物凝集素在抗虫方面的应用前景

近些年来，植物凝集素已经广泛运用于植物基因工程内，从相关的研究成果来看，其具有极佳的抑制效果，具体体现在对害虫以及真菌等方面，能够有效抑制它们的生长，与此同时，其还具备了稳定性能佳以及不会产生对环境有害的物质等明显优点。针对植物凝集素的优势之处，不少相关专家以及学者都致力于对其进行深入探索和研究，以此来防治各种类型的植物病虫害。就目前而言，已经有不少类型的凝集素被成功研制出来，用来防治植物抗病虫害，其中，主要的凝集素有雪莲花凝集素以及豌豆凝集素，除此之外，还包含了半夏凝集素等，凝集素不仅仅能够防治虫害，特别是能够有选择地进行虫害预防，并且能够有目的性地减少对人体的伤害，因此，这类凝集素在基因工程内具有极大的价值。另外，我国的科学技术发展到今天已经取得了一个十分巨大的进步，在各个方面都已经有所展现。特别是将凝集素基因这一技术成功地运用于我国农产品的生产当中，具体包括有水稻、油菜、马铃薯等。此举也成功地驱逐了桃蚜、水稻褐飞虱等害虫，保证了此类转基因植物得到良好的生长环境。一般而言，人们为了识别根瘤菌，都会发挥豆科植物凝集素的作用，在将其导入豆科植物当中，增强其发展稳定性。除此之外，还接种根瘤菌，使其固氮能力得到大大的增强。现如今，该种技术已经被应用于三叶草当中，改变了豌豆根瘤菌的宿主具有专一性的特点。值得一提的是，在其他科属植物的研究上仍是处于初级阶段，一旦该技术被大力应用于水稻和烟草的种植当中，这对于粮食增产和环境保护都是一项十分重要的举措，发挥着极其重要的作用。