【植物凝集素研究進展綜述6800字】

I摘要植物凝集素具有多種功能，包括生物固氮、抗蟲抗蚜、儲存物質(zhì)、抗菌等。本文介紹了植物凝集素的概念和分類，闡述了植物凝集素在生物固氮、抗病蟲害、抗腫瘤、抑制細菌等方面的作用，詳細分析了植物凝集素檢測方法的類型、原理、應用。隨著人們對植物凝集素的性質(zhì)、功能的了解，植物凝集素將會在農(nóng)業(yè)、預防醫(yī)學、腫瘤治療、大健康應用等方面具有廣泛的應用前景。關(guān)鍵詞植物凝集素；分類；功能；檢測前言當前，植物凝集素由于其功能的多樣性被廣泛應用。在藥學方面，植物凝集素具有抗菌作用，為抗生素類藥品的研究提供了重要方向。在生物學方面，植物凝集素能作為有機化肥的替代，利用生物固氮作用，減少化肥在農(nóng)業(yè)方面的污染，促進我國當前農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[1]。除此之外，植物凝集素還因為有一定的抗蟲抗蚜性，能夠為提高作物抗病蟲能力的相關(guān)研究，提供研究基礎(chǔ)。并且，隨著當前科學技術(shù)的進一步發(fā)展，人們對于植物凝集素的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及功能作用方面不斷深入的探究，當前許多研究表明植物凝集素在生物學、免疫學、醫(yī)藥學、生殖生理學以及農(nóng)業(yè)方面都具有重要作用，應用前景非常廣闊[2]。當前，針對植物凝集素的相關(guān)研究還在不斷進行，本文就對當前的研究成果進行綜述，以期為植物凝集素的研究和應用，提出有益的參考。1植物凝集素概念“凝集素”一詞（源自拉丁語legere），最初被解釋為選擇。凝集素的概念被國外學者Boyd和Shapleigh在1954首次提出，指出凝集素就是可以與識別其他物質(zhì)并與之進行識別的碳水化合物結(jié)構(gòu)。凝集素是含有至少一個糖類識別結(jié)構(gòu)域（carbohydraterecognitiondomain，CRD）的糖類結(jié)合蛋白，根據(jù)其CRD獨特的氨基酸序列基序?qū)⑵浞譃閹讉€家族。凝集素參與了多種生理過程，包括蛋白質(zhì)運輸、信號轉(zhuǎn)導、病原識別或做為效應分子，細胞內(nèi)的凝集素主要參與蛋白的篩選與運輸，而細胞外的凝集素主要參與信號轉(zhuǎn)導和病原識別。而植物血凝素（PHA）是一種非常多樣化的非免疫蛋白，他的結(jié)構(gòu)包含至少一個非催化結(jié)構(gòu)域，因此可以選擇性的去識別一些特定的單糖、寡糖、糖蛋白和糖脂，并且在此基礎(chǔ)上，并不會改變這些糖的結(jié)構(gòu)[3]。在1916年，第一種植物凝集素被在直刀豆蛋白中分離出來，這種植物凝集素可以特異性結(jié)合甘露糖、葡萄糖。除此之外，在1975年，國外學者針對刀豆凝集素的結(jié)構(gòu)進行了探究，研究結(jié)果針對植物凝集素分子結(jié)構(gòu)和功能進行了詳細的分析。直到現(xiàn)在，全球已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近一千多種植物凝集素，這些凝集素廣泛的被分布在植物界。2植物凝集素分類對于植物凝集素來說，它擁有一個巨大的群體。不同的植物凝集素在分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)以、特異性以及生活活性方面都有很大的差異。當前對于植物凝集素的分類主要可以從不同家族、不同特征等方面去分類。例如從家族來分，植物凝集素可以分為豆科、含有Hevein結(jié)構(gòu)域的殼聚糖結(jié)合蛋白、核糖體失活蛋白Ⅱ型、Jacalin家族、葫蘆科、莧科以及含橡膠素結(jié)構(gòu)的幾丁質(zhì)結(jié)合。其中，豆科凝集素主要從豆科植物的種子中提取。研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物種子含有豐富的凝集素。豆科凝集素在種子成熟期間開始合成，并在種子發(fā)芽和幼苗生長時降解。這種合成降解模式可以有效地為植物早期營養(yǎng)器官的生長發(fā)育提供養(yǎng)分。大多數(shù)豆科凝集素具有糖結(jié)合位點。在二價陽離子的幫助下，它們可以特異性地結(jié)合一些糖，這在糖結(jié)合過程中至關(guān)重要。大多數(shù)被認為是典型的幾丁質(zhì)結(jié)合蛋白活性的植物蛋白都被認為是一種或多種所謂的Hevein結(jié)構(gòu)域。該結(jié)構(gòu)域是以橡膠樹中43個氨基酸的特殊名稱，是從早期橡膠中獲得的，是一種與葉黃素結(jié)合的蛋白質(zhì)家族。不僅在成熟葉黃素的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上，而且在初級產(chǎn)品的后期翻譯上也存在巨大差異。含葉黃素的蛋白質(zhì)存在于植物中，其中許多蛋白質(zhì)的范圍從一個到四個區(qū)域。再如從不同特征來分，可以分為部分凝集素、全凝集素、合凝集素以及超凝集素。目前針對植物凝集素的分類非常多樣，但是學術(shù)上主要以家族來對植物凝集素進行分類[4]。3植物凝集素功能3.1生物固氮氮素作為植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素之一，對土壤肥力的高低具有重要的影響。近幾十年來，由于固氮酶產(chǎn)生氨的過程，能夠杜絕化肥對環(huán)境的損害。因此，現(xiàn)代集約化農(nóng)業(yè)也將視線的焦點，放在固氮細菌的尋找和優(yōu)化上。生物固氮的酶促路徑耗能低，氨產(chǎn)量高，因此這種天然生物催化劑，激發(fā)了該領(lǐng)域的學者設(shè)計分子類似物，以模擬該過程的大量努力。植物凝集素在養(yǎng)分儲存和生物固氮中起著重要作用，可以為植物或種子的發(fā)芽和成熟提供氮或硫源。植物凝集素也參與防御機制，具體決定入侵者膜特定區(qū)域的碳水化合物結(jié)合、糖、單糖或特定碳水化合物糖，從而影響昆蟲的生長、發(fā)育和傳播。對食草動物有毒，因此許多凝集素具有劇毒，例如從幾內(nèi)亞珊瑚籽中被提取的凝集素、刺槐凝集素等等[5]。它也被用作植物和微生物之間的共生方式。植物的一些其他功能，如調(diào)節(jié)細胞信號、細胞組織中的分子、吞噬作用和細胞保護以及攜帶分裂，了解疫苗接種并參與植物組織中的碳水化合物運輸。除此之外，由于固氮植物的根與固氮細菌之間的共生對固氮細菌的固氮能力起到了重要作用，因此對豆科植物與根瘤菌的共生固氮系統(tǒng)進行了研究。在這種獨特的共生關(guān)系中，凝集素在識別根瘤菌方面發(fā)揮作用。1973年，有國外學者通過實驗發(fā)現(xiàn)，豆根瘤菌可以與豆凝集素凝集，因此推測根瘤菌可與豆凝集素結(jié)合，到達豆的根部，并在適當?shù)牟课桓腥局参?，形成結(jié)節(jié)。人們試圖將吸附的豆類基因引入其他植物中以穩(wěn)定其表達，運用豆根瘤菌接種其他植物，將其他植物也被豆根瘤菌所感染，這樣這些植物都會具有生物固氮能力。當前，對于豆科凝集素的克隆以及表達都已經(jīng)研究成果，例如有研究已經(jīng)成功的將豌豆的凝集素基因轉(zhuǎn)化到三葉草當中，同時成功的突破了豆根瘤菌的宿主特異性[6]。然而，將豆類凝集素轉(zhuǎn)移到其他科和屬以使其具有固氮能力仍處于研究階段。在中國，豆類凝集素基因已被轉(zhuǎn)移到水稻和煙草中。如果能夠獲得具有穩(wěn)定固氮能力的轉(zhuǎn)基因植物，將對食品生產(chǎn)和環(huán)境保護具有重大的理論和現(xiàn)實意義。3.2抗蟲抗蚜植物凝集素也被認為是植物防御系統(tǒng)中重要的一員，在植物的成長過程中，植物凝集素可以通過各種方式來對植物進行保護，例如植物凝集素具有抗蟲性，從而保護植物免受病蟲侵害。植物凝集素的抗蟲作用離不開與昆蟲腸道結(jié)合的特定碳水化合物，不同的凝集素有不同的作用模式。當前植物凝集素的抗蟲機制主要是與昆蟲消化道上皮細胞中的糖復合體相結(jié)合，影響昆蟲吸收營養(yǎng)物質(zhì)，同時，植物凝集素可能誘發(fā)昆蟲消化道病變，促進消化道細菌繁殖，使昆蟲易感疾病，對食物產(chǎn)生抗性，抑制生長發(fā)育，甚至死亡，最終達到殺蟲或毒害動物的效果。植物凝集素除了通過自身毒性對害蟲的生長、發(fā)育和繁殖產(chǎn)生一定的毒性作用外，還可以通過其他間接途徑對害蟲的成長和發(fā)育產(chǎn)生不利影響，植物凝集素及其與其他蛋白質(zhì)的協(xié)同作用[7]。目前，大多數(shù)關(guān)于凝集素基因的研究都集中在基因工程領(lǐng)域的抗蟲性，這可以提高作物對疾病的抵抗力。豆凝集素是第一種具有抗蟲性的植物凝集素。近年來的研究結(jié)果表明，多種豆類凝集素對昆蟲具有抑制活性[8]。有研究針對蝴蝶羊蹄甲凝集素和刀豆凝集素進行了探究，發(fā)現(xiàn)這些凝集素對四紋豆象幼蟲和番茄葉蛾具有毒性，也就是可以利用凝集素進行殺蟲。也有研究通過許多品種的豌豆凝集素進行純化提取，發(fā)現(xiàn)這些凝集素可以對桃蚜產(chǎn)生一定程度的抑制作用。另外，還有報道指出，將植物凝集素進行分離提取可以獲得轉(zhuǎn)基因植物，同時也證實了植物凝集素基因可以影響植物的抗病蟲性。楊會苗[9]也對中國水仙中的凝集素基因進行了探究，證實了這種凝集素基因具有抗蚜蟲的作用。目前，已經(jīng)有十幾種植物通過植入凝集素獲得了轉(zhuǎn)基因，例如油菜、番茄、水稻、甘蔗等植物。3.3抗腫瘤作用陽研究發(fā)現(xiàn)，植物凝集素具有抗腫瘤活性。主要的抗腫瘤機制就是植物凝集素可以儲存一些癌細胞，并且并不聚集正常的細胞，因此，這些凝集素可以通過與癌細胞膜或受體結(jié)合來刺激自噬或凋亡。在實驗室和人體案例研究中，一些凝集素在體內(nèi)具有抗癌特性。因此，它被用作一種治療方法。另外，一些報道也證明了，一些植物凝集素可以根據(jù)各種殺滅機制達到抗病毒菌株的效果，例如，它依賴于細胞途徑，阻止細胞循環(huán)，產(chǎn)生杏仁核并抵抗增殖。據(jù)報道，許多植物都具有很強的抗腫瘤特性，如刀豆蛋白、面包樹果實凝集素、馬鈴薯凝集素等等[10]。細胞癌通常與細胞膜糖鏈的變化有關(guān)。凝集素可以識別細胞膜表面的糖，因此在治療中可以作為靶向藥物的載體。凝集素憑借自身優(yōu)勢有望成為各種疾病的治療靶點，成為腫瘤治療的獨特靶點[11]。隨著細胞的轉(zhuǎn)化、侵襲和轉(zhuǎn)移，細胞膜上糖脂和糖蛋白的結(jié)構(gòu)和功能也將隨之改變，凝集素可用于研究癌細胞膜表面糖蛋白和糖脂結(jié)構(gòu)的變化。目前，研究人員可以使用凝集素標記的探針來檢測人體各個系統(tǒng)中腫瘤細胞膜上糖蛋白的空間構(gòu)象變化。凝集素當前在癌癥治療中也有三種用途：1）可誘導癌細胞凋亡和自噬，可直接用作癌癥治療藥物；2）增強抗癌藥物的治療效果，并將其用作輔助藥物；3）作為抗癌藥物的載體，用于開發(fā)腫瘤靶向藥物。然而，藥物具有高度毒性，一些凝集素具有天然毒性，可能導致耐藥性，因此很難直接使用。因此，針對凝集素的修飾是未來的研究方向。研究發(fā)現(xiàn)，菜豆凝集素顯示出有效的抗肝癌HepG2細胞活性，它可以誘導小鼠巨噬細胞中誘導型一氧化氮合酶（iN0S）的表達和一氧化氮的產(chǎn)生，這可能與其抗腫瘤活性有關(guān)[12]。蓖麻蛋白、刀豆凝集素（ConA，PCL）和槲寄生凝集素可通過激活Caspase蛋白酶家族或線粒體途徑啟動與凋亡相關(guān)的信號通路。3.4抑菌作用凝集素可以與一些真菌表面的多糖（如甘露糖、半乳糖和葡聚糖）或不同的雜多糖結(jié)合，干擾真菌細胞壁合成過程，從而抑制真菌的生長。植物凝集素可以結(jié)合到被微生物入侵的工作場所，以抑制微生物的生長和遷移，還可以與真菌表面的糖或異葉糖結(jié)合，從而影響真菌表面真菌細胞壁的形成殺死細菌。植物凝集素還可以與病毒包膜蛋白上的糖相互作用，防止病毒傳播并進入宿主細胞，從而達到抗病毒效果。研究結(jié)果表明，植物凝集素細菌的抑制機制可以通過兩種方式形成積累的復合物來實現(xiàn)：一種是通過皮膚對糖的識別，如正乙酸甲酯細胞壁酸，另一種是結(jié)合細胞壁酸[13]。植物凝集素通過兩種途徑實現(xiàn)抗病毒機制，一種是通過競爭性抑制防止病毒感染，另一種是與病毒表面的特定糖配體結(jié)合，阻斷病毒配體與細胞表面受體之間的信息交換。也有研究表明，從白蕓豆中分離的凝集素WKBL對瓜果腐真菌、瓜枯病真菌、蘋果環(huán)腐真菌和葡萄灰霉病真菌具有一定的生長抑制作用。通過不同硫酸飽和度的沉淀獲得的駱駝蓬粗種子凝集素對交替鏈霉菌（Streptomycesalternifolium）、灰葡萄孢霉（Botrytiscinerea）、指狀青霉（Penicilliumdigitatum）、意大利青霉（Penicilliumitalicum）和灰木蘭（Magnaporthegrisea）具有不同程度的抑制作用。有學者研究表明，桑葉凝集素和小麥胚芽凝集素（WGA）對綠色木霉有抑制作用，甚至對孢子萌發(fā)和菌絲生長也有抑制作用。一些研究表明，氨基酸序列相似，但AHA轉(zhuǎn)基因煙草和ACA轉(zhuǎn)基因煙草對蚜蟲的抗性水平顯著不同，因此凝集素可能具有間接作用[14]。 4植物凝集素的檢測方法4.1紅細胞凝聚法紅細胞凝聚法主要基于植物凝集素對紅細胞的凝集作用。凝集素含量之間存在線性關(guān)系，利用紅細胞凝聚法檢測凝集素，對其活性有益，這逐漸成為檢測植物凝集素的最佳方法[15]。試管法、石灰法、96孔板血凝法和許多其他植物凝集素檢測方法，96孔板法被廣泛使用。該方法是將待測凝集素溶液按一定比例稀釋，然后在樣品溶液中加入一定濃度的動物紅細胞，在保存一段時間后制備紅細胞懸浮液，通過比色法或目視觀察計算樣品溶液的凝血活性和凝集素含量。有學者通過血凝試驗檢測，轉(zhuǎn)基因小麥葉片中表達的雪花凝集素可以凝集紅細胞，具有正常的生物活性[16]。凝集素含量與凝集滴度呈線性關(guān)系，根據(jù)標準曲線可以實現(xiàn)凝集素的定量檢測。這種檢測方法由于操作簡單而成為最常用的檢測方法。然而，這種方法在凝集反應過程中容易受到多種反應介質(zhì)的影響，并且紅細胞凝集不穩(wěn)定，不僅因為紅細胞的特性而受限，如分子大小、糖結(jié)合位點的數(shù)量等，還因為紅細胞表面特性，如細胞流動性或進入受體位點，都會受到影響。因此，這種方法只能半定量或定性檢測植物凝集素。4.2糖復合法糖復合法是一種檢測植物蛋白吸附的方法，它利用糖結(jié)合的特定特征，即糖蛋白或糖綴合物。最初，這個過程在一定溫度下培育放射性同位素和植物蛋白標記的糖原。此外，通過離心機或過濾器分離免費標記的載體。通過測量沉積物中的放射性強度，通過比較這些計算植物凝集素的標記化合物的量和結(jié)合常數(shù)，可以確定植物凝集素的特異性或結(jié)合活性，并可以獲得植物凝集素的蛋白質(zhì)含量。為了檢測植物凝集素的含量，初步建立了放射性同位素標記的糖復合法[17]。后來，逐漸建立了等溫滴定微熱量計、石英晶體微天平和表面等離子體共振等平臺，用于凝集素的定量分析?；谔囟ㄌ墙Y(jié)合反應的凝集素檢測具有較高的選擇性，其靈敏度通常與檢測方法有關(guān)[18]。Zhang等人使用含有甘露糖的二維光學晶體傳感器檢測刀豆蛋白，刀豆蛋白的濃度限制在0.02mg/ml。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，檢測固化膜的方法得到了發(fā)展。這種方法依賴于玻璃纖維納米顆粒的修飾，如探針的修飾。Selvaprakash等人將雞蛋血清蛋白冷凍在金納米顆粒上，金納米顆粒可以用作幾種果膠探針的親和力，并使用MALDI-MS檢測凝集素。由于不同類型的紅細胞會影響吸附的有效性，為了解決這個問題，研究人員將聚苯乙烯顆粒凝膠表面的特定冰點結(jié)合起來，以取代紅細胞，步驟與紅細胞積累基本相同。這種方法結(jié)合了紅細胞和糖復合物的優(yōu)點，是一種復雜、簡單、準確的方法。4.3抗原抗體免疫法由于植物凝集素是一種蛋白質(zhì)分子或糖蛋白，它也可以通過免疫結(jié)合酶免疫火箭（ELISA）或免疫系統(tǒng)（RIA）進行定量分析，使用針對免疫凝集素的特異性抗體?；钚悦庖吣痰鞍祝╢lia）或邊緣堆積刷檢測到堆積在微量營養(yǎng)素板中的凝固蛋白與刷細胞膜邊緣結(jié)合[19]。植物凝固蛋白作為一種蛋白質(zhì)，抗原也可用于誘導特異性抗體。因此，它也可以通過免疫植物蛋白來設(shè)計，例如通過免疫或免疫結(jié)合酶進行免疫電泳。然而，這些方法只能檢測葉黃素的免疫特性不能反映生物活性、凝血、糖結(jié)合能力和自身毒性。為了解決這個問題，研究人員發(fā)明了一種可以使用的功能免疫技術(shù)。為了更準確地評估體內(nèi)生物效應和凝集素在動物體內(nèi)的生物毒性。免疫電泳導彈具有高精度和靈敏度的優(yōu)點，但過程復雜。免疫結(jié)合酶（ELISA）WesternJavaScript具有較高的準確性和敏感性，但抗體的制備需要較長的時間。在植物凝集素檢測方面，血凝法是一種簡單的方法，但不同的吸附劑對不同的吸附反應有不同的敏感性，因此對紅細胞的選擇有嚴格的要求，只能使用一半的量。在未來，尋找植物凝集素的方法將迅速發(fā)展。5展望近年來，關(guān)于凝集素的研究報告逐年增加。隨著研究的深入，人們對凝集素的性質(zhì)、功能和應用范圍的了解也在不斷擴大。隨著研究的不斷深入，凝集素已出現(xiàn)在預防醫(yī)學、腫瘤治療等等范圍中，并在新藥的后續(xù)開發(fā)中具有重要作用。可以相信，植物凝集素在未來必定有非常廣闊的應用前景。

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