蓖麻籽中凝集素的家族研究

蓖麻籽中凝集素的家族研究

1888年首次發(fā)現(xiàn)植物凝集素。stillik發(fā)現(xiàn)了一種由棕櫚樹（ricinus）表面萃取的細(xì)胞凝集因子，該元件可以促進(jìn)紅細(xì)胞的形成。它是一類具有特異糖結(jié)合活性的蛋白,具有一個(gè)或多個(gè)可以與單糖或寡糖特異可逆結(jié)合的非催化結(jié)構(gòu)域。根據(jù)植物凝集素亞基的結(jié)構(gòu)特征,植物凝集素分成4種類型:部分凝集素、全凝集素、嵌合凝集素、超凝集素;根據(jù)氨基酸序列的同源性及其在進(jìn)化上的相互關(guān)系,植物凝集素分為7個(gè)家族:豆科凝集素、幾丁質(zhì)結(jié)合凝集素、單子葉甘露糖結(jié)合凝集素、2型核糖體失活蛋白、木菠蘿素家族、葫蘆科韌皮部凝集素和莧科凝集素。植物凝集素可識(shí)別并結(jié)合入侵者的糖結(jié)構(gòu)域,從而干擾該入侵者對植物產(chǎn)生的可能影響;植物凝集素的糖結(jié)合活性是針對外源寡糖,參與植物的防御反應(yīng)。許多植物凝集素可結(jié)合到諸如Glc、Man或Gal的單糖上,尤其對植物中不常見外來的寡糖具有更高的親和性。例如:結(jié)合幾丁質(zhì)植物凝集素識(shí)別真菌細(xì)胞壁及無脊椎動(dòng)物的外骨骼成分中的碳水化合物。另外,許多凝集素在較高PH范圍內(nèi)穩(wěn)定、抗熱、抗動(dòng)物及昆蟲蛋白酶等等。有些凝集素甚至是完全穩(wěn)定的蛋白質(zhì),如從刺荀麻莖中分離出的凝集素在三氯乙酸中保持穩(wěn)定,沸煮也不會(huì)失活。Peumans等(1998)認(rèn)為大多數(shù)植物凝集素存在于儲(chǔ)藏器官中,它們既可能作為一種氮源,也可以在植物受到危害作為一種防御蛋白發(fā)揮功能。因此植物凝集素是植物防御系統(tǒng)重要的組成部分,在植物保護(hù)上起著重要作用。筆者就植物凝集素在植物保護(hù)上的研究進(jìn)展作一綜述。1植物病原菌對植物的危害植物凝集素作為微生物與植物的共生介質(zhì),可防止植物病原菌對植物的危害。Mishkid等(1982)研究發(fā)現(xiàn),植物凝集素常積累于病原菌易侵染的部位,預(yù)示著凝集素可能參與對病原菌的防御。1.1多糖結(jié)合對真菌細(xì)胞正常代謝的影響已有實(shí)驗(yàn)證明,植物凝集素能結(jié)合真菌細(xì)胞、抑制孢子萌發(fā)和菌絲體生長。植物凝集素對真菌的抗生效應(yīng)可能與它特異結(jié)合暴露于真菌細(xì)胞壁表面的糖復(fù)合物并導(dǎo)致真菌細(xì)胞壁及菌體結(jié)構(gòu)形態(tài)改變有關(guān),凝集素可與真菌表面的葡聚糖、半乳糖、甘露糖等多糖結(jié)合,干擾真菌細(xì)胞壁的合成,影響其細(xì)胞的正常代謝。Peumans和VanDamme(1995)進(jìn)行的體外研究表明,麥胚凝集素(WGA)抑制綠色木霉的孢子萌發(fā)和菌絲生長,狹葉蕁麻凝集素抑制灰葡萄孢、鉤狀木霉和布拉克霉的生長。劉士莊等(1996)報(bào)道,棉花種子中凝集素含量與棉花抗枯萎病能力呈正相關(guān),分離純化的棉花凝集素能明顯凝集枯萎病菌分生孢子,并抑制其萌發(fā)。曾日中等(1998)指出橡膠蛋白和其它植物凝集素一樣也具有抗真菌活性,可以抑制病原菌的侵染和生長,起到保護(hù)橡膠樹乳管的作用。余萍等(2004)研究發(fā)現(xiàn)狗脊蕨凝集素(WJL)對玉米大斑病菌有抑制作用。1.2凝集素與細(xì)菌間的相互作用由于細(xì)菌細(xì)胞壁的作用,凝集素不能進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞質(zhì),因此不能改變細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)或滲透細(xì)胞膜擾亂侵入微生物的正常細(xì)胞間進(jìn)程。植物凝集素是通過一種基于與細(xì)胞壁糖類,或細(xì)胞外聚糖相互作用的機(jī)制對細(xì)菌構(gòu)成抗生效應(yīng)。Sequeira(1977)等報(bào)道馬鈴薯凝集素能抗青枯假單胞菌;Broekaet(1986)等提出,刺蘋果種子凝集素可使幼根免受細(xì)菌侵染。Ayouba等(1994)研究指出,幾種豆科植物種子凝集素可與細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚體(胞壁酸、N-乙酰胞壁酸、胞壁酰二肽等)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。余萍等(2004)研究發(fā)現(xiàn)狗脊蕨凝集素(WJL)對甘薯薯瘟病原細(xì)菌生長具有抑制作用。1.3種特殊類型凝集素植物病毒不含聚糖,沒有凝集素的作用位點(diǎn),因此植物凝集素對植物病毒無抑制作用。Peumans和VanDamme(1995)綜述道,一種稱為核糖體失活蛋白型的特殊類型凝集素對植物病毒具有抑制活性,其機(jī)理尚不清楚。但有殺蟲活性的凝集素可能會(huì)阻止或減少蟲傳播病毒病害的傳播。1.4植物樣品的線蟲活性這方面研究相對較少,目前僅常團(tuán)結(jié)等(2002)報(bào)道純化的雪花蓮?fù)庠茨?GNA)可以抗植物病原性線蟲。2凝集素的篩選植物凝集素對昆蟲如同翅目昆蟲及動(dòng)物產(chǎn)生毒害的機(jī)理還不清楚,一般認(rèn)為植物凝集素可能通過和糖蛋白,如和昆蟲圍食膜表面、消化道上皮細(xì)胞的糖綴合物、或糖基化的消化酶等結(jié)合,從而影響昆蟲、動(dòng)物對營養(yǎng)吸收,促進(jìn)消化道中細(xì)菌的繁殖和誘發(fā)病灶,抑制昆蟲的生長發(fā)育和繁殖,最終達(dá)到殺蟲、或?qū)?dòng)物產(chǎn)生毒害的作用。菜豆凝集素(PHA)是第一個(gè)被描述的具有抗蟲性的植物凝集素。有趣的是,PHA對豆象幼蟲具有毒性的結(jié)論是基于一個(gè)錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,后來研究發(fā)現(xiàn)這種防衛(wèi)作用是由于含有A-淀粉酶抑制劑的緣故(Huesing等,1991)。如今許多實(shí)驗(yàn)表明,來源于麥胚、馬鈴薯塊莖、核桃、沙棘、水稻和刺蕁麻的凝集素對豌豆象甲幼蟲和豇豆象甲幼蟲的生長有抑制作用。WGA和紫色羊蹄甲種子凝集素在濃度很低時(shí)對歐洲玉米螟新生幼蟲就有致死作用;從雪花蓮和大蒜提取的凝集索對豇豆象鼻蟲和煙草天蛾幼蟲有毒性。雪花蓮凝集素(GNA)等對咀嚼式昆蟲和刺吸式昆蟲都有致死作用。黃大昉等(1997)報(bào)道來源于掌葉半夏和半夏的凝集素對麥長管蚜、禾縊管蚜、棉蚜和桃蚜等有致死活性。王偉等(1998)獲得同時(shí)表達(dá)P-lec(豌豆外源凝集素基因)和CpT1(豇豆胰蛋白酶抑制劑)的雙價(jià)轉(zhuǎn)基因棉花,棉鈴蟲的存活率、平均體重、生物總量及蛻皮指數(shù)均明顯低于對照。毛雪等(1999)利用全純營養(yǎng)液飼養(yǎng)蚜蟲技術(shù)明確鑒定了棉花凝集素(GHA)、蓖麻凝集素(ACA)、天南星凝集素(AMA)和伴刀豆凝集素(ConA)對棉蚜和麥長管蚜的抗生作用,盡管所測凝集素半致死濃度有差異。對于長角葉甲,Czapla實(shí)驗(yàn)表明WGA、BPA可抑制40%的蟲重,來源(EHL)凝集素在2%水平上致死率為100%,但由于EHL的熱不穩(wěn)定性,后來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有些不一致;在0.1%水平上雪花蓮凝集素(GNA)、WGA對1齡、3齡灰、褐飛虱作用都非常明顯,同對照相比死亡率大于75%;WGA對黑尾葉蟬的致死率為15%,GNA的致死率為87%;Powell等人以GNA、WGA0.1%(w/v)人工飼料飼喂灰、褐飛虱,24h內(nèi)降低蜜汁分泌96%,而且GNA的抗性效果最佳;但豌豆凝集素對黑尾葉蟬成蟲則沒有效果;此外WGA、豌豆凝集素等5種凝集素也能減少馬鈴薯葉蟬成活時(shí)間。最近的工作發(fā)現(xiàn)刺吸式口器昆蟲如椰粉虱、葉蟬、蚜蟲等對一些單子葉植物甘露糖結(jié)凝集素敏感。劉紅霞等(2004)研究發(fā)現(xiàn)刺槐種子凝集素對舞毒蛾幼蟲的營養(yǎng)代謝有較強(qiáng)的抑制作用。3植物凝集素同昆蟲一樣,高等動(dòng)物消化道上布滿了細(xì)胞膜糖蛋白及高度糖基化的粘蛋白,這就成了植物凝集素的無數(shù)作用位點(diǎn),保護(hù)植物免受食草動(dòng)物侵食。如動(dòng)物食用植物血細(xì)胞凝集素(PHA)或生豆后會(huì)引起急性惡心伴有嘔吐和腹瀉,以至于動(dòng)物寧肯挨餓也不食用含PHA飼料。4抗病品種的選擇隨著人們長期單一地在作物中導(dǎo)入某個(gè)基因,如Bt基因,又出現(xiàn)了新的問題。一是應(yīng)用這類基因不能有效防治有些害蟲,如引起同翅目蚜蟲在轉(zhuǎn)Bt棉上的再猖獗現(xiàn)象;二是某些害蟲已對這類長期使用的基因產(chǎn)生了抗性,如鱗翅目的棉鈴蟲和小菜蛾已對Bt基因產(chǎn)生了不同程度的抗性。這種情況下,植物凝集素以其具有對鱗翅目、特別是對同翅目蚜蟲、飛虱、葉蟬等刺吸式口器害蟲及一些微生物有防效,對環(huán)境無污染,穩(wěn)定性好及對高等動(dòng)物相對安全等優(yōu)點(diǎn),為防治病蟲害開拓新思路。不可否