生物防治 几丁质、壳聚糖在植物保护 中的研究与应用进展赵 蕾 汪天虹(山东省科学院生物研究所 济南 250014) (山东大学微生物技术国家重点实验室) 几丁质(chitin),又称甲壳素,广泛分布于于虾蟹壳、软体动物的外壳与内骨骼,节肢动物的外骨骼及真菌、酵母菌等微生物细胞壁中。与植物的纤维素一样,具有保护及支持生物体的作用。壳聚糖(chitosan),又称几丁聚糖,是几丁质经脱乙酰作用而得到的一种氨基多糖,存在于某些生物体内,特别是真菌的细胞壁上。近年来,对这类在自然界含量仅次于纤维素的几丁质和壳聚糖的研究与应用日益扩大,本文介绍其在植物保护中的应用潜力。1 几丁质与壳聚糖的特性几丁质是一种构造类似于纤维素的直链聚合物,约由1000~3000个N-乙酰葡萄糖胺单体以B-1,4键构成的高分子糖类聚合物,其中约每6个N-乙酰葡萄糖胺连接一个葡萄糖胺[1]。几丁质在生物体中以对称同向或反向非平行的糖链以氢键结合而成。由于氢键结构十分强固,使得几丁质在物理性质和化学性质上较其它多糖类具有更高的稳定性。对一般溶剂抗性大,只溶于强无机酸、氟化醇及含有5%氯化锂的N,N.-二甲基乙酰胺中。壳聚糖为几丁质经去乙酰作用后失去乙酰基产物的总称,去乙酰程度为65%~99%,一般以70%~80%最常见。分子特性为可生物分解,溶于10%的己二酸、醋酸、甲酸、乳酸、苹果酸、丙酸和琥珀酸等。其中以甲酸为最好溶剂,在无机酸中的溶解度则相当有限。几丁质与壳聚糖的化学结构式见图1。2 几丁质与壳聚糖诱发植物防御机理分析几丁质与壳聚糖在植物保护中的作用正在引起有关方面的重视。其诱发植物防御系统的机理是,病原菌入侵植物时,植物本身即有辨认系统,能识别病菌入侵。而病菌细胞壁上的几丁质即扮演被辨认的角色,使被侵染植株中原本低量而具活性的几丁质酶大大提高,以分解入侵病菌细胞壁上的几丁质。植株内产生的几丁质寡糖活化植物细胞膜上的蛋白质激发酶,使细胞内的酶产生磷酸化反应提高酶的活性,启动植物的防御系统并产生植物干扰素、酚类复合物等抗病物质,对病原菌产生抑制作用,这些反应均在数小时内完成。另外,这一过程也会促进植物木质化,将病原菌隔绝,使之无法侵犯植物体。图1 几丁质与壳聚糖的化学结构式(a)几丁质 (b)壳聚糖)43)1999年第1期 植物保护PLANTPROTECTION 几丁质也可提高某些生防菌的防效。Har-man等在研究利用哈氏木霉(Trichodermaharzianum)作为生防制剂防治腐霉菌和丝核菌时,发现添加几丁质可提高哈氏木霉的防治效果,原因是增强了木霉菌几丁质酶的活性,提高了木霉菌对病原菌的抗生作用。在土壤中施用几丁质能减轻线虫病害,同样是几丁质刺激土壤微生物分泌大量几丁质酶的结果。3 几丁质与壳聚糖的生产方法几丁质的传统生产方法是以蟹壳和虾壳为原料,经稀酸、稀碱溶液分别处理,除去钙质、蛋白质和脂肪,再经脱色制取。用浓碱加热几丁质脱除乙酰基得到壳聚糖。其缺点:(1)作为原料的虾蟹壳收集保存不易,原料价格经常波动。(2)制造工艺中需要大量强酸强碱,成本高,且产生大量废酸碱和高BOD废水,污染环境。(3)用高浓碱脱乙酰基处理时,壳聚糖中乙酰基含量太多,产品质量无法控制。近几年,国外许多研究报道,用生物方法(主要指用丝状真菌)生产壳聚糖将成为一种有前途的替代方法。研究表明,犁头霉属(Ab-sidia)产生壳聚糖的能力最强,其次为根霉属(Rhizopus)和接霉属(Zygorhynchus),而毛霉属(Mucor)、卷霉属(Circinella)、放射毛霉属(Actinomucor)和须霉属(Phycomyces)较低。有人从过去用于制造L(+)乳酸的米根霉(Rhizopusoryzae)菌丝体中成功地生产出有价值的壳聚糖副产品。其优点:分离工艺简便,原料来源丰富,产品性能优良,综合利用成本低。4 几丁质与壳聚糖在植物保护中的应用效果几丁质与壳聚糖是天然聚合物,将其应用于农业不会产生任何毒副作用。几丁质等含氮高分子聚合物在土壤中经微生物分解后的最终产物又可为植物吸收,所以,在防治植物病害、促进植物生长方面两者扮演了重要角色。用壳聚糖包覆的大豆种子,发芽率有所提高,加水后能迅速地诱导出壳聚糖酶,促进含豌豆素的酚类物质的形成,有利于大豆的快速生长。小麦种子经壳聚糖处理后,可增强抗土传真菌病害的能力,同时促进木质素的形成,提高麦秆抗倒伏能力,与未经壳聚糖处理的小麦相比,产量可提高20%~30%。壳聚糖对植物的诱导作用可减少病原菌对植物的危害。例如,用014%的壳聚糖溶液直接喷洒到烟草上,10d内即可减少烟草斑纹病毒的传染。喷洒011%的壳聚糖还可阻止豆科植物病原真菌的繁殖。利用壳聚糖溶液还可有效地阻止危害水果的黑斑病菌的生长。美国的一种新型杀线虫农药Clandosan,主要成分为壳聚糖,且本身具有一定肥效,有着巨大的潜力。5 研究趋势及展望几丁质与壳聚糖可提高植物和生防菌的几丁质酶活性,而几丁质酶可分解病原菌细胞壁或线虫中的几丁质。近几年来,许多研究者在努力筛选高活性几丁质酶的生产菌种,经培养直接喷洒于植株表面或根围附近,作为生防制剂,或应用生物技术使菌种改良。例如,利用原生质体融合技术使可产生几丁质酶的Tricho-dermasp1与土壤强势植物病原菌的寄生菌Trichodermahamatsuma融合,使后者具几丁质酶生产能力。国外近年对土壤细菌Serratiamarcescens几丁质酶基因的结构与功能做了许多研究[2、3]。Sandherm等1988年将此基因导入荧光假单孢菌,其工程菌株可抑制立枯丝核菌生长,并使萝卜根腐病危害明显减轻。Chet等1991年报道,将此基因导入有益真菌哈茨木霉,可显著提高哈茨木霉对土壤病原真菌的防治效果。另外,将几丁质酶基因克隆到作物中,制成转基因植物,使植物本身具有酶的活性。1991年,Broglie等将蚕豆的几丁质酶基因与强启动子CaMV35S连接,在烟草和芜菁中得到了高效表达,获得的抗性植株,显著抑制病原真菌立枯丝核菌的生长。主要参考文献1 王士奎等1几丁质及脱乙酰几丁质的微生物降解作用1微生物学通报,1994,21(3):180-18312 黄大1遗传工程微生物在生物防治中的应用1生物防治通报,1993,9(1):3413 DavillAG,AlbersheimP1Phytoalexinsandtheirelic-itorsadefenceagainstmicrobialinfectioninplant1AnnRevPlantPhysiol,35:247-2751)44) 植物保护PLANTPROTECTION 25(1)
