凝集素在农业和食品领域中的应用研究进展

徐重新， 谢雅晶， 何 鑫， 仲建锋， 刘 媛， 张 霄， 刘贤金

(1.江苏省农业科学院农产品质量安全与营养研究所/省部共建国家重点实验室培育基地—江苏省食品质量安全重点实验室，江苏 南京 210014； 2.江苏大学食品与生物工程学院，江苏 镇江 212013)

凝集素(Lectin)是广泛存在于自然界生物体内非免疫来源的一类具有特异性非共价靶向可逆结合糖及糖类分子的蛋白质或糖蛋白类物质，其来源广、种类多，具有巨大的应用潜力：不仅可以作为研究细胞膜结构的工具，也能充当类似“抗体”角色对靶标受体进行“免疫”治疗、诊断或检测。有研究结果表明，在生物医药、农业病虫害以及食品防腐保鲜的新材料创制领域，可以借助凝集素凝集细胞、结合或抑制特定功能性糖蛋白、糖脂等功能，研发抗癌[1]、抗虫[2]、抗病菌[3-4]、抗氧化[5]及促进作物生长发育[6]的新型蛋白质或糖蛋白类药物；也可以利用凝集素对糖及糖类分子具有多价结合的能力，通过偶联生物素、荧光素、酶、铁蛋白、胶体金及磁珠颗粒等示踪性或特征性功能物质，用于诊断或示踪病症[7]以及对致病微生物进行筛查检测[8]等。

农业和食品是民生的基础，关乎国计民生。病虫害和致病微生物是威胁农业生产和食品质量安全的最关键危害物，传统依赖化学农药对病虫害的防控和依赖抗生素类化学药物对致病微生物的防控，尽管有效，但它们带来的毒副作用也相当严重，不仅危害人类健康更威胁生态安全[9-10]。绿色生产及防控是农业和食品生产可持续健康发展的必然要求，近年来持续受到政府决策部门和学术界的高度重视。凝集素是农业和食品绿色生产及防控创新材料挖掘和利用的重点研究对象，近年来在农业病虫害防控和食源性致病微生物防控及筛查检测等方面的研究蓬勃发展。基于此，本文通过系统梳理凝集素在农业病虫害防控及农业生产调节、食源性致病微生物防控及筛查检测等方面的相关研究状况，进一步探讨有关凝集素应用技术、最新研究动向以及未来可能的发展趋势，以期为凝集素在农业和食品领域中的应用研究提供参考。

1 凝集素在农业领域中的应用研究

1.1 防控农业病害

近年来凝集素已成为农业病害绿色防控新材料挖掘的新兴热点，部分研究成果逐渐展示出直接或潜在的应用价值。目前凝集素在农业病害防控中的应用研究，主要聚焦在植物凝集素上，动物和微生物凝集素也有所涉及，防控对象以农作物中的真菌性病害(如赤霉病、黑斑病、纹枯病、软腐病等)为主，而对畜牧和水产业病害的防控研究则相对较少；相关代表性应用研究实例如表1所示。

表1 凝集素在农业病害防控上的代表性应用研究实例

1.2 防控农业虫害

虫害对农业特别是种植业生产及其产品质量安全与品质的威胁程度几乎可与病害比肩，对害虫的有效防控是确保农业稳产、增产必不可少的重要手段。凝集素是探寻和挖掘新型生物抗虫材料领域关注的重点，相关研究发展蓬勃。目前有关凝集素在农业虫害防控中的应用研究，已涵盖动植物源和微生物源凝集素，其中尤以植物凝集素最多且应用最广；而就防控对象而言，已涉及种植业中常见害虫种类，如线虫、蚜虫、棉铃虫、象虫以及螟类、蛾类、粉虱和粉蚧类害虫等，部分研究成果已作为生物农药制剂或转基因抗虫作物开始应用于对靶标害虫的防控。相关代表性应用研究实例如表2所示。

1.3 在农业领域其他方面的应用

目前凝集素在农业领域的应用研究主要集中在防控农业病虫害上，此外在农作物生长调节、品种抗逆性改良、产地环境治理等方面也有报道。其中Sousa等[51]从黄野百合中分离的凝集素能有效促进针叶樱桃花粉管形成从而促进更多的花粉萌发，有利于提高针叶樱桃产量；Alenkina等[52-53]从固氮螺菌中分离出的凝集素能调节小麦幼苗根系抗氧化酶活性，提升植株对异常气温、干旱以及盐胁迫的适应能力，促进作物生长和细胞生物量积累；Kumar等[12]将鹰嘴豆凝集素基因导入芥菜植株，Lambin等[54]将卫矛凝集素基因导入水稻植株，均能增强相应转基因作物对干旱和高盐等逆境的抗性，促进农作物在逆境胁迫中生长发育，而Sreevidya等[55]将源于豌豆和野大豆的2个凝集素基因导入水稻，能极大促进根瘤菌在转基因水稻根系的定殖，从而促进侧根增殖，有利于作物生长；李丹彤等[56]以裙带菜凝集素注射日本对虾，田园等[57]以刀豆凝集素投喂菲律宾蛤仔，发现供试生物体的血细胞吞噬活性和溶菌酶、碱性磷酸酶及超氧化物歧化酶等功能蛋白酶活性显著提升，均能明显提高机体非特异性免疫力，对水产养殖具有重要价值；而Freitas等[58]依托水溶性辣木凝集素联合硫酸铝使污水样品的浊度和生态毒性显著降低，且该凝集素能同步降低铝离子残留量，从而减少投入品产生的次生污染，这对农田和水产环境治理具有重要意义。

2 凝集素在食品领域中的应用研究

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败变质、诱发食物中毒的最主要因素，是食品质量安全监管和防控的重要对象[59]。目前均有用动植物和微生物凝集素防控食源性致病微生物的报道，其中动植物凝集素较多，防控对象则以食源性致病细菌(金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、李斯特菌、沙门氏菌等)为主，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。供试的凝集素抑菌效果参差不齐，相关代表性应用研究实例如表3所示。

表3 凝集素在食源性致病微生物防控上的代表性应用研究实例

2.2 筛查检测食源性致病微生物

食源性致病微生物筛查检测方法主要分为通过微生物活体培养方式鉴定的生物法和基于微生物细胞或特征性物质的免疫学、光谱学、核酸、生物传感等方式检测的生化法两大类型[71]。依托凝集素对食源性致病微生物的筛查检测均属于生化法，主要是借助凝集素具有凝集或沉淀特定微生物细胞、结合或识别微生物细胞表面特定蛋白质或糖蛋白类物质等功能而实现的。目前的研究动植物源凝集素均有涉及，而以植物凝集素为主，其中研究和应用最多的是大豆凝集素和麦胚凝集素，筛查检测对象涵盖大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、李斯特菌、粪肠球菌、变形链球菌、甲型肝炎病毒以及弓形虫卵囊等。相关代表性应用研究实例如表4所示。

表4 凝集素在食源性致病微生物检测上的代表性应用实例

2.3 在食品领域其他方面的应用

目前凝集素在食品抗氧化保鲜以及污染物消减等方面也有一些直接或间接的研究报道。如杨晴晴等[89]将菲律宾蛤仔凝集素作为保鲜剂用于小黄鱼冷藏，其感官评价要好于对照组，且鱼体菌落总数、pH值、挥发性盐基氮和硫代巴比妥酸含量都显著低于对照组；Carrasco-Castilla等[90]分离的菜豆凝集素、Saha等[91]分离的扁豆凝集素、Lacerda等[92]分离的巴西利马豆凝集素和Wu等[5]分离的褐藻羊栖菜凝集素均具有较强的抗氧化活性，由于它们源于食用农产品的属性特征，因此均有望作为抗氧化剂用于食品保鲜。此外Freitas等[58]分离的水溶性辣木凝集素对水体除浊和絮凝沉降毒性物质具有良好的辅助作用，Rajalakshmi等[93]分离的马钱子凝集素对水体中的氟离子具有良好絮凝清除作用，这些凝集素均有望用于饮用水中相应危害物的消减或清除，从而提升饮用水及水产养殖产品的质量安全水平。

3 展 望

凝集素作为蛋白质或糖蛋白类物质在助推农业生产和保障农产品、食品质量安全方面具有独特的优势和极大的应用潜力，但其在实际应用过程中也普遍存在如表达制备困难、生物活性不强、稳定性较差等一系列有待进一步解决的共性短板问题。

在农业领域方面，凝集素的优势主要集中在病虫害防控上，特别是具备特殊生物学功能的蛋白质类凝集素，不仅可以通过离体药剂形式用于靶标病虫害防控，也可以通过转基因手段培育抗病虫害作物品系，能最大程度发挥其应用价值。不过原始离体的凝集素甚至其转基因作物在病虫害防控效果上仍然不尽如人意，绝大多数尚不足以与同等功效的化学农药相媲美；特别是在害虫防控上，效果普遍较差，防控率大多为30%～50%[22-23,29,31-32,37,40,43]，甚至更低[24，30，33-35，48]。目前改进其活性最直接的方式就是串联其他活性更好的生物材料，如Bt 抗虫蛋白[26]、蜘蛛神经毒素[27]，不仅可以增强对靶标害虫的联合防控效果，同时也能减少或延缓靶标害虫抗性发生频率。此外借鉴抗体体外改造技术如基因水平上的定点突变[94]、易错PCR[95]和蛋白质翻译后的泛素化修饰[96]、糖基化修饰[97]等，从分子水平上对凝集素进行成熟修饰，也是提升其活性的潜在有效手段。

在食品领域方面，凝集素在食源性致病微生物防控和检测上的应用研究较多，而在抗氧化保鲜上的研究较少。值得注意的是，相当一部分凝集素对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、李斯特菌、沙门氏菌、芽孢杆菌、霉菌等常见的食源性致病微生物具有或多或少的广谱抗菌作用[4,20,44,62-64,68-70]，其在食品防腐保鲜上具有良好的应用前景。食品质量关乎老百姓“吃”的大事，因此对凝集素作为食品防腐保鲜剂使用的安全性和必要性上可能更谨慎，目前在中国尚无这类产品作为食品添加剂登记使用。尽管如此，随着对凝集素的深入研究，未来在充分的风险评估数据支撑的前提下，特别是源于可食用生物体如刀豆[4]、菜豆[90]、扁豆[91]、马齿苋[16]、虾[65]、牡蛎[67]、褐藻羊栖菜[5]等的食源性凝集素势必为业界和社会大众所接受，在食品防腐保鲜上率先发挥应有价值。而对于食源性致病微生物的筛查检测，无论是在物种特异性精度还是在灵敏度上，基于凝集素的检测方法均无法与同等功效的抗体免疫法和仪器分析法相比[71]，基于凝集素的检测优势主要体现在对致病微生物的活体筛查以及由其介导或辅助改善的创新生物传感法上，其中涉及刀豆凝集素和麦胚凝集素的研究最多，有望在实际应用中取得突破。