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年首次发现植物凝集素。stillik发现了一种由棕榈树（ricinus）表面萃取的细胞凝集因子，该元件可以促进红细胞的形成。它是一类具有特异糖结合活性的蛋白,具有一个或多个可以与单糖或寡糖特异可逆结合的非催化结构域。根据植物凝集素亚基的结构特征,植物凝集素分成4种类型:部分凝集素、全凝集素、嵌合凝集素、超凝集素;根据氨基酸序列的同源性及其在进化上的相互关系,植物凝集素分为7个家族:豆科凝集素、几丁质结合凝集素、单子叶甘露糖结合凝集素、2型核糖体失活蛋白、木菠萝素家族、葫芦科韧皮部凝集素和苋科凝集素。植物凝集素可识别并结合入侵者的糖结构域,从而干扰该入侵者对植物产生的可能影响;植物凝集素的糖结合活性是针对外源寡糖,参与植物的防御反应。许多植物凝集素可结合到诸如Glc、Man或Gal的单糖上,尤其对植物中不常见外来的寡糖具有更高的亲和性。例如:结合几丁质植物凝集素识别真菌细胞壁及无脊椎动物的外骨骼成分中的碳水化合物。另外,许多凝集素在较高PH范围内稳定、抗热、抗动物及昆虫蛋白酶等等。有些凝集素甚至是完全稳定的蛋白质,如从刺荀麻茎中分离出的凝集素在三氯乙酸中保持稳定,沸煮也不会失活。Peumans等(1998)认为大多数植物凝集素存在于储藏器官中,它们既可能作为一种氮源,也可以在植物受到危害作为一种防御蛋白发挥功能。因此植物凝集素是植物防御系统重要的组成部分,在植物保护上起着重要作用。笔者就植物凝集素在植物保护上的研究进展作一综述。1植物病原菌对植物的危害植物凝集素作为微生物与植物的共生介质,可防止植物病原菌对植物的危害。Mishkid等(1982)研究发现,植物凝集素常积累于病原菌易侵染的部位,预示着凝集素可能参与对病原菌的防御。1.1多糖结合对真菌细胞正常代谢的影响已有实验证明,植物凝集素能结合真菌细胞、抑制孢子萌发和菌丝体生长。植物凝集素对真菌的抗生效应可能与它特异结合暴露于真菌细胞壁表面的糖复合物并导致真菌细胞壁及菌体结构形态改变有关,凝集素可与真菌表面的葡聚糖、半乳糖、甘露糖等多糖结合,干扰真菌细胞壁的合成,影响其细胞的正常代谢。Peumans和VanDamme(1995)进行的体外研究表明,麦胚凝集素(WGA)抑制绿色木霉的孢子萌发和菌丝生长,狭叶荨麻凝集素抑制灰葡萄孢、钩状木霉和布拉克霉的生长。刘士庄等(1996)报道,棉花种子中凝集素含量与棉花抗枯萎病能力呈正相关,分离纯化的棉花凝集素能明显凝集枯萎病菌分生孢子,并抑制其萌发。曾日中等(1998)指出橡胶蛋白和其它植物凝集素一样也具有抗真菌活性,可以抑制病原菌的侵染和生长,起到保护橡胶树乳管的作用。余萍等(2004)研究发现狗脊蕨凝集素(WJL)对玉米大斑病菌有抑制作用。1.2凝集素与细菌间的相互作用由于细菌细胞壁的作用,凝集素不能进入细菌细胞质,因此不能改变细胞膜结构或渗透细胞膜扰乱侵入微生物的正常细胞间进程。植物凝集素是通过一种基于与细胞壁糖类,或细胞外聚糖相互作用的机制对细菌构成抗生效应。Sequeira(1977)等报道马铃薯凝集素能抗青枯假单胞菌;Broekaet(1986)等提出,刺苹果种子凝集素可使幼根免受细菌侵染。Ayouba等(1994)研究指出,几种豆科植物种子凝集素可与细菌细胞壁肽聚体(胞壁酸、N-乙酰胞壁酸、胞壁酰二肽等)发生强烈的相互作用。余萍等(2004)研究发现狗脊蕨凝集素(WJL)对甘薯薯瘟病原细菌生长具有抑制作用。1.3种特殊类型凝集素植物病毒不含聚糖,没有凝集素的作用位点,因此植物凝集素对植物病毒无抑制作用。Peumans和VanDamme(1995)综述道,一种称为核糖体失活蛋白型的特殊类型凝集素对植物病毒具有抑制活性,其机理尚不清楚。但有杀虫活性的凝集素可能会阻止或减少虫传播病毒病害的传播。1.4植物样品的线虫活性这方面研究相对较少,目前仅常团结等(2002)报道纯化的雪花莲外源凝集素(GNA)可以抗植物病原性线虫。2凝集素的筛选植物凝集素对昆虫如同翅目昆虫及动物产生毒害的机理还不清楚,一般认为植物凝集素可能通过和糖蛋白,如和昆虫围食膜表面、消化道上皮细胞的糖缀合物、或糖基化的消化酶等结合,从而影响昆虫、动物对营养吸收,促进消化道中细菌的繁殖和诱发病灶,抑制昆虫的生长发育和繁殖,最终达到杀虫、或对动物产生毒害的作用。菜豆凝集素(PHA)是第一个被描述的具有抗虫性的植物凝集素。有趣的是,PHA对豆象幼虫具有毒性的结论是基于一个错误的实验结果,后来研究发现这种防卫作用是由于含有A-淀粉酶抑制剂的缘故(Huesing等,1991)。如今许多实验表明,来源于麦胚、马铃薯块茎、核桃、沙棘、水稻和刺荨麻的凝集素对豌豆象甲幼虫和豇豆象甲幼虫的生长有抑制作用。WGA和紫色羊蹄甲种子凝集素在浓度很低时对欧洲玉米螟新生幼虫就有致死作用;从雪花莲和大蒜提取的凝集索对豇豆象鼻虫和烟草天蛾幼虫有毒性。雪花莲凝集素(GNA)等对咀嚼式昆虫和刺吸式昆虫都有致死作用。黄大昉等(1997)报道来源于掌叶半夏和半夏的凝集素对麦长管蚜、禾缢管蚜、棉蚜和桃蚜等有致死活性。王伟等(1998)获得同时表达P-lec(豌豆外源凝集素基因)和CpT1(豇豆胰蛋白酶抑制剂)的双价转基因棉花,棉铃虫的存活率、平均体重、生物总量及蜕皮指数均明显低于对照。毛雪等(1999)利用全纯营养液饲养蚜虫技术明确鉴定了棉花凝集素(GHA)、蓖麻凝集素(ACA)、天南星凝集素(AMA)和伴刀豆凝集素(ConA)对棉蚜和麦长管蚜的抗生作用,尽管所测凝集素半致死浓度有差异。对于长角叶甲,Czapla实验表明WGA、BPA可抑制40%的虫重,来源(EHL)凝集素在2%水平上致死率为100%,但由于EHL的热不稳定性,后来的实验结果有些不一致;在0.1%水平上雪花莲凝集素(GNA)、WGA对1龄、3龄灰、褐飞虱作用都非常明显,同对照相比死亡率大于75%;WGA对黑尾叶蝉的致死率为15%,GNA的致死率为87%;Powell等人以GNA、WGA0.1%(w/v)人工饲料饲喂灰、褐飞虱,24h内降低蜜汁分泌96%,而且GNA的抗性效果最佳;但豌豆凝集素对黑尾叶蝉成虫则没有效果;此外WGA、豌豆凝集素等5种凝集素也能减少马铃薯叶蝉成活时间。最近的工作发现刺吸式口器昆虫如椰粉虱、叶蝉、蚜虫等对一些单子叶植物甘露糖结凝集素敏感。刘红霞等(2004)研究发现刺槐种子凝集素对舞毒蛾幼虫的营养代谢有较强的抑制作用。3植物凝集素同昆虫一样,高等动物消化道上布满了细胞膜糖蛋白及高度糖基化的粘蛋白,这就成了植物凝集素的无数作用位点,保护植物免受食草动物侵食。如动物食用植物血细胞凝集素(PHA)或生豆后会引起急性恶心伴有呕吐和腹泻,以至于动物宁肯挨饿也不食用含PHA饲料。4抗病品种的选择随着人们长期单一地在作物中导入某个基因,如Bt基因,又出现了新的问题。一是应用这类基因不能有效防治有些害虫,如引起同翅目蚜虫在转Bt棉上的再猖獗现象;二是某些害虫已对这类长期使用的基因产生了抗性,如鳞翅目的棉铃虫和小菜蛾已对Bt基因产生了不同程度的抗性。这种情况下,植物凝集素以其具有对鳞翅目、特别是对同翅目蚜虫、飞虱、叶蝉等刺吸式口器害虫及一些微生物有防效,对环境无污染,稳定性好及对高等动物相对安全等优点,为防治病虫害开拓新思路。不可否