【植物凝集素研究进展综述6800字】

I摘要植物凝集素具有多种功能，包括生物固氮、抗虫抗蚜、储存物质、抗菌等。本文介绍了植物凝集素的概念和分类，阐述了植物凝集素在生物固氮、抗病虫害、抗肿瘤、抑制细菌等方面的作用，详细分析了植物凝集素检测方法的类型、原理、应用。随着人们对植物凝集素的性质、功能的了解，植物凝集素将会在农业、预防医学、肿瘤治疗、大健康应用等方面具有广泛的应用前景。关键词植物凝集素；分类；功能；检测前言当前，植物凝集素由于其功能的多样性被广泛应用。在药学方面，植物凝集素具有抗菌作用，为抗生素类药品的研究提供了重要方向。在生物学方面，植物凝集素能作为有机化肥的替代，利用生物固氮作用，减少化肥在农业方面的污染，促进我国当前农业的可持续性发展[1]。除此之外，植物凝集素还因为有一定的抗虫抗蚜性，能够为提高作物抗病虫能力的相关研究，提供研究基础。并且，随着当前科学技术的进一步发展，人们对于植物凝集素的性质、结构以及功能作用方面不断深入的探究，当前许多研究表明植物凝集素在生物学、免疫学、医药学、生殖生理学以及农业方面都具有重要作用，应用前景非常广阔[2]。当前，针对植物凝集素的相关研究还在不断进行，本文就对当前的研究成果进行综述，以期为植物凝集素的研究和应用，提出有益的参考。1植物凝集素概念“凝集素”一词（源自拉丁语legere），最初被解释为选择。凝集素的概念被国外学者Boyd和Shapleigh在1954首次提出，指出凝集素就是可以与识别其他物质并与之进行识别的碳水化合物结构。凝集素是含有至少一个糖类识别结构域（carbohydraterecognitiondomain，CRD）的糖类结合蛋白，根据其CRD独特的氨基酸序列基序将其分为几个家族。凝集素参与了多种生理过程，包括蛋白质运输、信号转导、病原识别或做为效应分子，细胞内的凝集素主要参与蛋白的筛选与运输，而细胞外的凝集素主要参与信号转导和病原识别。而植物血凝素（PHA）是一种非常多样化的非免疫蛋白，他的结构包含至少一个非催化结构域，因此可以选择性的去识别一些特定的单糖、寡糖、糖蛋白和糖脂，并且在此基础上，并不会改变这些糖的结构[3]。在1916年，第一种植物凝集素被在直刀豆蛋白中分离出来，这种植物凝集素可以特异性结合甘露糖、葡萄糖。除此之外，在1975年，国外学者针对刀豆凝集素的结构进行了探究，研究结果针对植物凝集素分子结构和功能进行了详细的分析。直到现在，全球已经发现了近一千多种植物凝集素，这些凝集素广泛的被分布在植物界。2植物凝集素分类对于植物凝集素来说，它拥有一个巨大的群体。不同的植物凝集素在分子结构、理化性质以、特异性以及生活活性方面都有很大的差异。当前对于植物凝集素的分类主要可以从不同家族、不同特征等方面去分类。例如从家族来分，植物凝集素可以分为豆科、含有Hevein结构域的壳聚糖结合蛋白、核糖体失活蛋白Ⅱ型、Jacalin家族、葫芦科、苋科以及含橡胶素结构的几丁质结合。其中，豆科凝集素主要从豆科植物的种子中提取。研究发现，豆科植物种子含有丰富的凝集素。豆科凝集素在种子成熟期间开始合成，并在种子发芽和幼苗生长时降解。这种合成降解模式可以有效地为植物早期营养器官的生长发育提供养分。大多数豆科凝集素具有糖结合位点。在二价阳离子的帮助下，它们可以特异性地结合一些糖，这在糖结合过程中至关重要。大多数被认为是典型的几丁质结合蛋白活性的植物蛋白都被认为是一种或多种所谓的Hevein结构域。该结构域是以橡胶树中43个氨基酸的特殊名称，是从早期橡胶中获得的，是一种与叶黄素结合的蛋白质家族。不仅在成熟叶黄素的蛋白质结构上，而且在初级产品的后期翻译上也存在巨大差异。含叶黄素的蛋白质存在于植物中，其中许多蛋白质的范围从一个到四个区域。再如从不同特征来分，可以分为部分凝集素、全凝集素、合凝集素以及超凝集素。目前针对植物凝集素的分类非常多样，但是学术上主要以家族来对植物凝集素进行分类[4]。3植物凝集素功能3.1生物固氮氮素作为植物生长发育的重要营养元素之一，对土壤肥力的高低具有重要的影响。近几十年来，由于固氮酶产生氨的过程，能够杜绝化肥对环境的损害。因此，现代集约化农业也将视线的焦点，放在固氮细菌的寻找和优化上。生物固氮的酶促路径耗能低，氨产量高，因此这种天然生物催化剂，激发了该领域的学者设计分子类似物，以模拟该过程的大量努力。植物凝集素在养分储存和生物固氮中起着重要作用，可以为植物或种子的发芽和成熟提供氮或硫源。植物凝集素也参与防御机制，具体决定入侵者膜特定区域的碳水化合物结合、糖、单糖或特定碳水化合物糖，从而影响昆虫的生长、发育和传播。对食草动物有毒，因此许多凝集素具有剧毒，例如从几内亚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间的共生方式。植物的一些其他功能，如调节细胞信号、细胞组织中的分子、吞噬作用和细胞保护以及携带分裂，了解疫苗接种并参与植物组织中的碳水化合物运输。除此之外，由于固氮植物的根与固氮细菌之间的共生对固氮细菌的固氮能力起到了重要作用，因此对豆科植物与根瘤菌的共生固氮系统进行了研究。在这种独特的共生关系中，凝集素在识别根瘤菌方面发挥作用。1973年，有国外学者通过实验发现，豆根瘤菌可以与豆凝集素凝集，因此推测根瘤菌可与豆凝集素结合，到达豆的根部，并在适当的部位感染植物，形成结节。人们试图将吸附的豆类基因引入其他植物中以稳定其表达，运用豆根瘤菌接种其他植物，将其他植物也被豆根瘤菌所感染，这样这些植物都会具有生物固氮能力。当前，对于豆科凝集素的克隆以及表达都已经研究成果，例如有研究已经成功的将豌豆的凝集素基因转化到三叶草当中，同时成功的突破了豆根瘤菌的宿主特异性[6]。然而，将豆类凝集素转移到其他科和属以使其具有固氮能力仍处于研究阶段。在中国，豆类凝集素基因已被转移到水稻和烟草中。如果能够获得具有稳定固氮能力的转基因植物，将对食品生产和环境保护具有重大的理论和现实意义。3.2抗虫抗蚜植物凝集素也被认为是植物防御系统中重要的一员，在植物的成长过程中，植物凝集素可以通过各种方式来对植物进行保护，例如植物凝集素具有抗虫性，从而保护植物免受病虫侵害。植物凝集素的抗虫作用离不开与昆虫肠道结合的特定碳水化合物，不同的凝集素有不同的作用模式。当前植物凝集素的抗虫机制主要是与昆虫消化道上皮细胞中的糖复合体相结合，影响昆虫吸收营养物质，同时，植物凝集素可能诱发昆虫消化道病变，促进消化道细菌繁殖，使昆虫易感疾病，对食物产生抗性，抑制生长发育，甚至死亡，最终达到杀虫或毒害动物的效果。植物凝集素除了通过自身毒性对害虫的生长、发育和繁殖产生一定的毒性作用外，还可以通过其他间接途径对害虫的成长和发育产生不利影响，植物凝集素及其与其他蛋白质的协同作用[7]。目前，大多数关于凝集素基因的研究都集中在基因工程领域的抗虫性，这可以提高作物对疾病的抵抗力。豆凝集素是第一种具有抗虫性的植物凝集素。近年来的研究结果表明，多种豆类凝集素对昆虫具有抑制活性[8]。有研究针对蝴蝶羊蹄甲凝集素和刀豆凝集素进行了探究，发现这些凝集素对四纹豆象幼虫和番茄叶蛾具有毒性，也就是可以利用凝集素进行杀虫。也有研究通过许多品种的豌豆凝集素进行纯化提取，发现这些凝集素可以对桃蚜产生一定程度的抑制作用。另外，还有报道指出，将植物凝集素进行分离提取可以获得转基因植物，同时也证实了植物凝集素基因可以影响植物的抗病虫性。杨会苗[9]也对中国水仙中的凝集素基因进行了探究，证实了这种凝集素基因具有抗蚜虫的作用。目前，已经有十几种植物通过植入凝集素获得了转基因，例如油菜、番茄、水稻、甘蔗等植物。3.3抗肿瘤作用阳研究发现，植物凝集素具有抗肿瘤活性。主要的抗肿瘤机制就是植物凝集素可以储存一些癌细胞，并且并不聚集正常的细胞，因此，这些凝集素可以通过与癌细胞膜或受体结合来刺激自噬或凋亡。在实验室和人体案例研究中，一些凝集素在体内具有抗癌特性。因此，它被用作一种治疗方法。另外，一些报道也证明了，一些植物凝集素可以根据各种杀灭机制达到抗病毒菌株的效果，例如，它依赖于细胞途径，阻止细胞循环，产生杏仁核并抵抗增殖。据报道，许多植物都具有很强的抗肿瘤特性，如刀豆蛋白、面包树果实凝集素、马铃薯凝集素等等[10]。细胞癌通常与细胞膜糖链的变化有关。凝集素可以识别细胞膜表面的糖，因此在治疗中可以作为靶向药物的载体。凝集素凭借自身优势有望成为各种疾病的治疗靶点，成为肿瘤治疗的独特靶点[11]。随着细胞的转化、侵袭和转移，细胞膜上糖脂和糖蛋白的结构和功能也将随之改变，凝集素可用于研究癌细胞膜表面糖蛋白和糖脂结构的变化。目前，研究人员可以使用凝集素标记的探针来检测人体各个系统中肿瘤细胞膜上糖蛋白的空间构象变化。凝集素当前在癌症治疗中也有三种用途：1）可诱导癌细胞凋亡和自噬，可直接用作癌症治疗药物；2）增强抗癌药物的治疗效果，并将其用作辅助药物；3）作为抗癌药物的载体，用于开发肿瘤靶向药物。然而，药物具有高度毒性，一些凝集素具有天然毒性，可能导致耐药性，因此很难直接使用。因此，针对凝集素的修饰是未来的研究方向。研究发现，菜豆凝集素显示出有效的抗肝癌HepG2细胞活性，它可以诱导小鼠巨噬细胞中诱导型一氧化氮合酶（iN0S）的表达和一氧化氮的产生，这可能与其抗肿瘤活性有关[12]。蓖麻蛋白、刀豆凝集素（ConA，PCL）和槲寄生凝集素可通过激活Caspase蛋白酶家族或线粒体途径启动与凋亡相关的信号通路。3.4抑菌作用凝集素可以与一些真菌表面的多糖（如甘露糖、半乳糖和葡聚糖）或不同的杂多糖结合，干扰真菌细胞壁合成过程，从而抑制真菌的生长。植物凝集素可以结合到被微生物入侵的工作场所，以抑制微生物的生长和迁移，还可以与真菌表面的糖或异叶糖结合，从而影响真菌表面真菌细胞壁的形成杀死细菌。植物凝集素还可以与病毒包膜蛋白上的糖相互作用，防止病毒传播并进入宿主细胞，从而达到抗病毒效果。研究结果表明，植物凝集素细菌的抑制机制可以通过两种方式形成积累的复合物来实现：一种是通过皮肤对糖的识别，如正乙酸甲酯细胞壁酸，另一种是结合细胞壁酸[13]。植物凝集素通过两种途径实现抗病毒机制，一种是通过竞争性抑制防止病毒感染，另一种是与病毒表面的特定糖配体结合，阻断病毒配体与细胞表面受体之间的信息交换。也有研究表明，从白芸豆中分离的凝集素WKBL对瓜果腐真菌、瓜枯病真菌、苹果环腐真菌和葡萄灰霉病真菌具有一定的生长抑制作用。通过不同硫酸饱和度的沉淀获得的骆驼蓬粗种子凝集素对交替链霉菌（Streptomycesalternifolium）、灰葡萄孢霉（Botrytiscinerea）、指状青霉（Penicilliumdigitatum）、意大利青霉（Penicilliumitalicum）和灰木兰（Magnaporthegrisea）具有不同程度的抑制作用。有学者研究表明，桑叶凝集素和小麦胚芽凝集素（WGA）对绿色木霉有抑制作用，甚至对孢子萌发和菌丝生长也有抑制作用。一些研究表明，氨基酸序列相似，但AHA转基因烟草和ACA转基因烟草对蚜虫的抗性水平显著不同，因此凝集素可能具有间接作用[14]。 4植物凝集素的检测方法4.1红细胞凝聚法红细胞凝聚法主要基于植物凝集素对红细胞的凝集作用。凝集素含量之间存在线性关系，利用红细胞凝聚法检测凝集素，对其活性有益，这逐渐成为检测植物凝集素的最佳方法[15]。试管法、石灰法、96孔板血凝法和许多其他植物凝集素检测方法，96孔板法被广泛使用。该方法是将待测凝集素溶液按一定比例稀释，然后在样品溶液中加入一定浓度的动物红细胞，在保存一段时间后制备红细胞悬浮液，通过比色法或目视观察计算样品溶液的凝血活性和凝集素含量。有学者通过血凝试验检测，转基因小麦叶片中表达的雪花凝集素可以凝集红细胞，具有正常的生物活性[16]。凝集素含量与凝集滴度呈线性关系，根据标准曲线可以实现凝集素的定量检测。这种检测方法由于操作简单而成为最常用的检测方法。然而，这种方法在凝集反应过程中容易受到多种反应介质的影响，并且红细胞凝集不稳定，不仅因为红细胞的特性而受限，如分子大小、糖结合位点的数量等，还因为红细胞表面特性，如细胞流动性或进入受体位点，都会受到影响。因此，这种方法只能半定量或定性检测植物凝集素。4.2糖复合法糖复合法是一种检测植物蛋白吸附的方法，它利用糖结合的特定特征，即糖蛋白或糖缀合物。最初，这个过程在一定温度下培育放射性同位素和植物蛋白标记的糖原。此外，通过离心机或过滤器分离免费标记的载体。通过测量沉积物中的放射性强度，通过比较这些计算植物凝集素的标记化合物的量和结合常数，可以确定植物凝集素的特异性或结合活性，并可以获得植物凝集素的蛋白质含量。为了检测植物凝集素的含量，初步建立了放射性同位素标记的糖复合法[17]。后来，逐渐建立了等温滴定微热量计、石英晶体微天平和表面等离子体共振等平台，用于凝集素的定量分析。基于特定糖结合反应的凝集素检测具有较高的选择性，其灵敏度通常与检测方法有关[18]。Zhang等人使用含有甘露糖的二维光学晶体传感器检测刀豆蛋白，刀豆蛋白的浓度限制在0.02mg/ml。近年来，随着纳米技术的发展，检测固化膜的方法得到了发展。这种方法依赖于玻璃纤维纳米颗粒的修饰，如探针的修饰。Selvaprakash等人将鸡蛋血清蛋白冷冻在金纳米颗粒上，金纳米颗粒可以用作几种果胶探针的亲和力，并使用MALDI-MS检测凝集素。由于不同类型的红细胞会影响吸附的有效性，为了解决这个问题，研究人员将聚苯乙烯颗粒凝胶表面的特定冰点结合起来，以取代红细胞，步骤与红细胞积累基本相同。这种方法结合了红细胞和糖复合物的优点，是一种复杂、简单、准确的方法。4.3抗原抗体免疫法由于植物凝集素是一种蛋白质分子或糖蛋白，它也可以通过免疫结合酶免疫火箭（ELISA）或免疫系统（RIA）进行定量分析，使用针对免疫凝集素的特异性抗体。活性免疫凝固蛋白（flia）或边缘堆积刷检测到堆积在微量营养素板中的凝固蛋白与刷细胞膜边缘结合[19]。植物凝固蛋白作为一种蛋白质，抗原也可用于诱导特异性抗体。因此，它也可以通过免疫植物蛋白来设计，例如通过免疫或免疫结合酶进行免疫电泳。然而，这些方法只能检测叶黄素的免疫特性不能反映生物活性、凝血、糖结合能力和自身毒性。为了解决这个问题，研究人员发明了一种可以使用的功能免疫技术。为了更准确地评估体内生物效应和凝集素在动物体内的生物毒性。免疫电泳导弹具有高精度和灵敏度的优点，但过程复杂。免疫结合酶（ELISA）WesternJavaScript具有较高的准确性和敏感性，但抗体的制备需要较长的时间。在植物凝集素检测方面，血凝法是一种简单的方法，但不同的吸附剂对不同的吸附反应有不同的敏感性，因此对红细胞的选择有严格的要求，只能使用一半的量。在未来，寻找植物凝集素的方法将迅速发展。5展望近年来，关于凝集素的研究报告逐年增加。随着研究的深入，人们对凝集素的性质、功能和应用范围的了解也在不断扩大。随着研究的不断深入，凝集素已出现在预防医学、肿瘤治疗等等范围中，并在新药的后续开发中具有重要作用。可以相信，植物凝集素在未来必定有非常广阔的应用前景。

参考文献韩红艳,杜俊杰.植物凝集素的研究进展[J].果树资源学报,2022,3(06):1-6.蔡汝琼，郭新红.植物凝集素的分类，功能与应用[J].湖南大学学报，2022,32(49):5-14.徐重新,谢雅晶,何鑫,仲建锋,刘媛,张霄,刘贤金.凝集素在农业和食品领域中的应用研究进展[J].江苏农业学报,2022,38(04):1135-1144.陈高,朱洵,曾芬,何青松,陈禅友.菜豆植物凝集素的理化性质及活性研究[J].江汉大学学报(自然科学版),2022,50(04):31-37.冯利,郝永辉,曹珍.凝集素的结构特征及其生物技术应用进展[J].中国饲料,2021(22):5-7.段赛菲.褐球固氮菌的植物凝集素亲和性研究及其常压室温等离子体诱变[D].上海海洋大学,2020.王钰清,邢雪聪,柴许然,杨耀宇,王振义,吴传芳,鲍锦库.植物凝集素的生物学功能与应用[J].广西科学,2020,2