植物凝集素抗蟲性研究

馬琛　徐濤

摘要：在復雜的有機化合物活性蛋白中，植物凝聚素是較為高特異性的糖結合活性蛋白之一，其蛋白質通過氨基酸的相互作用形成的肽鏈，具有單糖和寡糖特性的結構功能。植物凝聚素存在于植物和微生物之間，能夠防御原茵對植物的侵害，廣泛應用于各大行業(yè)中，尤其是農業(yè)和醫(yī)學業(yè)。本文主要根據(jù)植物凝集素的定義與來源背景，通過對其分類、結構、功能、抗蟲機制、弊端等進一步分析，并提出植物凝聚素在抗蟲方面的應用前景。

關鍵詞：植物凝集素；糖結合特異性；抗蟲性；應用前景

1植物凝集素的定義與發(fā)現(xiàn)

凝集素是一類廣泛分布于動物、植物和微生物中的非免疫來源的糖結合蛋白，其結構中至少含有一個非催化結構域能可逆地結合特異性糖類或糖蛋白、糖脂表面糖基，而不改變糖類的結構。19世紀末，Still-mark在蓖麻（Ricinus communis L.）籽的研究中，發(fā)現(xiàn)了這類能夠起到吸聚人體或其他動物紅細胞作用的因子，這是人類最早發(fā)現(xiàn)植物凝集素的存在。隨后各種植物凝集素被分離純化出來，而對凝集素的研究也在不斷深入。

2植物凝集素糖結合特異性

植物凝集素區(qū)別于其他植物蛋白的標志是具有特異性糖結合活性，其結構中至少含有一個非催化結構域，以確保其能選擇性識別并與可逆結合特定的游離單糖或糖蛋白、糖脂中的糖基。在生物體中，糖蛋白一般起信號傳遞或轉換作用，凝集素作為一類糖結合蛋白，具有憑借特異性識別并結合糖鏈末端的糖基團，并引發(fā)下游一系列生化信號級聯(lián)反應的作用和功能。凝集素的很多生物學方面的作用都和其特異性的糖結合能力有著較大的關系。研究表明，凝集素的糖結合能力在凝集素進入靶位，與受體結合進而產生各種生物學效應的這一整套過程中起著舉足輕重的作用。而凝集素和糖的結合是由凝集素分子中糖結合結構域決定的，與凝集素分子中共價結合的糖類無關。糖結合結構域的形狀、大小、配體糖的結構和糖決定簇在糖鏈中所處的位置等因素都會對凝集素與糖分子的結合產生某種程度的影響。由于糖結合結構域的保守性，植物凝集素通常只會同一種單糖或寡聚糖結合，對配體糖分子中各個碳原子上的羥基、結合糖鏈上糖分子的位置以及糖苷鏈的類型都有專一性。凝集素糖的這種專一性可以利用糖抑制實驗進行檢驗。

3植物抗蟲凝集素的抗蟲性機制

一般情況下，對鞘翅目、雙翅目以及同翅目等昆蟲而言，植物凝集素有著巨毒。除此之外，在植食性昆蟲的消化道表皮膜表面有著很多的糖蛋白，不僅如此，它上面還有很多的凝集素結合位點，當昆蟲進行覓食的時候，這些凝集素就會隨著食物的攝入一同進入昆蟲的消化道，與此同時，就會和昆蟲體內的糖蛋白產生化學反應，從根本上降低消化道表皮膜的通透性，一旦昆蟲體內這類化學反應過多，就會造成昆蟲的生命危險，從而殺死昆蟲?？偟膩碚f，首個被發(fā)現(xiàn)有抗蟲性的物質就是菜豆凝集素，隨著科技的進步，人們發(fā)現(xiàn)很多種豆科凝集素都會對昆蟲造成影響，并抑制昆蟲的生長，通常而言，蝴蝶羊蹄甲凝集素只會抑制四紋豆象（Cal-losobruchus maeulatus）幼蟲的活性，另外，刀豆凝集素只會抑制番茄葉蛾（Lacanobia oleracea）幼蟲的活性，簡單來說，就是不同的凝集素有著不同的功效，因為從10個不同種類的木豆進行提取凝集素，之后在同翅目中的桃蚜（Myzus persicae）上進行檢驗，最后得出不同的結果，也就是說有不同的抑制功效。與此同時，天南星凝集素也會抑制瓜果蠅（Bactroeeracucurbitae）的活性，根據(jù)實驗顯示，麥胚凝集素（WGA）還能抑制綠豆象（Callosobruchuschinens）幼蟲的生長和存活，最后還有雪蓮花凝集素（GNA）也會對褐飛虱（Nilaparvata lu-gens）等同翅目害蟲有抑制效果，另外，這個凝集素對鱗翅目等害蟲也有相同的毒性。除寥寥幾種的凝集素外，是當前僅有的能夠整合各類真菌等微生物的物質。當前人類識別糖類物質都是通過植物凝集素進行的。植物凝集素毒害病蟲的原理，是利用其異地結合昆蟲腸臟糖綴合物來實現(xiàn)的，具體情形還不明了。傳統(tǒng)植物學界認為，植物凝集素能夠和毒害蟲類消化系統(tǒng)的糖蛋白進行結合，使其食欲降低，進而實現(xiàn)對植物的保護。此外，植物凝集素還能引發(fā)昆蟲疾病，造成其消化系統(tǒng)內的細菌滋生，從而影響昆蟲食欲，導致其病懨懨的，不能正常生長或死亡。最新的研究指出，植物凝集素之所以能夠驅趕害蟲，極有可能是凝集素能夠和圍食膜表層糖綴合物發(fā)生結合，糖基化的消化酶上以及受體植物的糖基化蛋白上。其對病毒的抵抗功能，可能是因為其對病原體表糖綴合物的識別功能，最終讓病毒失去侵害的能力。

4凝集素存在的弊端和改進方法

雖然植物凝集素轉基因作物對害蟲有著極大的抗拒能力，但對人類的健康也有著一定的危害，比如大豆的植物凝集素能夠結合或者被裹在人體小腸皮細胞中。轉基因農作物在正常的農業(yè)生產工作中，也存在很多的危害，比如，由于抗蟲譜較為窄小，對害蟲的抗拒能力并不大，甚至會造成昆蟲抗體增加。為了解決這一問題，相關專家通過將不同渠道獲取的不同抗蟲基因一起轉入植物中，創(chuàng)建出雙價或多價轉基因植物，通過相互補足或拓展抗蟲譜的方式，來提升其抗蟲能力。這種方法還能降低害蟲對藥性的適應，以此來提升轉基因植物的使用時間。我國的王志斌等專家，通過利用UNA成熟蛋白基因和人工合成的GFMcryAI，從而創(chuàng)建雙價基因載體，進行煙草進行轉基因抗棉鈴蟲的實驗。實驗證明，超過4成的轉基因煙草擁有較好的抗蟲效能；隨后進行抗蚜蟲實驗證明，其在極大程度上控制了蚜蟲的繁殖。實驗獲得了好幾株具有抗擊棉鈴蟲、蚜蟲的煙草。趙存友等用改造過的雪蓮凝集素基因，通過和有分泌信號的bt基因的結合，創(chuàng)建出一個雙價植物表達載體。通過實驗檢測，這2個轉基因抗蟲植物的結合，能夠得到具有良好抗蟲效果的轉基因植物。劉召華等植物學專家，創(chuàng)造了ACA以及經過改造而形成的UNA的雙價植物載體。在把ACA和UNA基因轉入煙草后，能夠對蟲類造成極大的抑制，實驗表明這2類基因的抗蟲能力能夠遺傳。此種轉基因抗蟲棉的廣泛種植，為廣大人民帶來了豐厚的經濟利益，極大推動了社會經濟的進步，但蟲類對其抗蟲性的逐步適應，也限制著轉基因抗蟲棉的發(fā)展。針對這一問題，我國農科院生物技術中心，在1995年首次提出創(chuàng)建雙價抗蟲基因的建議，并將其轉入棉花種植工作當中。在這之后，轉基因雙夾抗蟲棉的研究迎來熱潮。王偉在內的一批專家則將P-Lec基因以及SK TI基因，轉變?yōu)殛懙孛藁ā＝涍^科學檢測，轉基因陸地棉擁有較好的抗棉鈴蟲功能。劉志等專家對轉基因bt以及UNA雙價基因的抗蟲性，分別進行了研究。研究結果指出，植物在生長階段，其莖葉對棉鈴蟲幼蟲的抵抗能力極強，能夠有效地控制蚜蟲的繁衍生長。

總而言之，不管是2類植物凝集素，還是2類bt基因組織，其結合而產生的抗蟲能力，比單一基因的植物抗蟲能力要強得多，而且擁有較寬的抗蟲譜，能夠降低害蟲對基因的適應能力。所以，應當盡可能創(chuàng)建雙價或多價轉基因植物，在增強其抗蟲能力的同時，還能控制其適應性、抗體的增長，而且還能盡可能保全生態(tài)系統(tǒng)，應當獲得大力推廣。

5植物凝集素在抗蟲方面的應用前景

近些年來，植物凝集素已經廣泛運用于植物基因工程內，從相關的研究成果來看，其具有極佳的抑制效果，具體體現(xiàn)在對害蟲以及真菌等方面，能夠有效抑制它們的生長，與此同時，其還具備了穩(wěn)定性能佳以及不會產生對環(huán)境有害的物質等明顯優(yōu)點。針對植物凝集素的優(yōu)勢之處，不少相關專家以及學者都致力于對其進行深入探索和研究，以此來防治各種類型的植物病蟲害。就目前而言，已經有不少類型的凝集素被成功研制出來，用來防治植物抗病蟲害，其中，主要的凝集素有雪蓮花凝集素以及豌豆凝集素，除此之外，還包含了半夏凝集素等，凝集素不僅僅能夠防治蟲害，特別是能夠有選擇地進行蟲害預防，并且能夠有目的性地減少對人體的傷害，因此，這類凝集素在基因工程內具有極大的價值。另外，我國的科學技術發(fā)展到今天已經取得了一個十分巨大的進步，在各個方面都已經有所展現(xiàn)。特別是將凝集素基因這一技術成功地運用于我國農產品的生產當中，具體包括有水稻、油菜、馬鈴薯等。此舉也成功地驅逐了桃蚜、水稻褐飛虱等害蟲，保證了此類轉基因植物得到良好的生長環(huán)境。一般而言，人們?yōu)榱俗R別根瘤菌，都會發(fā)揮豆科植物凝集素的作用，在將其導入豆科植物當中，增強其發(fā)展穩(wěn)定性。除此之外，還接種根瘤菌，使其固氮能力得到大大的增強?，F(xiàn)如今，該種技術已經被應用于三葉草當中，改變了豌豆根瘤菌的宿主具有專一性的特點。值得一提的是，在其他科屬植物的研究上仍是處于初級階段，一旦該技術被大力應用于水稻和煙草的種植當中，這對于糧食增產和環(huán)境保護都是一項十分重要的舉措，發(fā)揮著極其重要的作用。