植物免疫誘抗劑的應用研究

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長期以來，人們在防治植物病害的過程中，多以病原菌為直接靶標，以能夠快速全面殺死病菌為目標。由於化學殺菌劑的使用量大，加之施藥方法不夠科學，帶來了生產成本增加、農產品殘留超標、作物藥害、病原菌抗藥性、環境汙染等一系列問題，不僅嚴重製約了農業的可持續發展，而且已經直接危及人類健康。

因此，尋找經濟高效、安全環保的植物保護新方法、新技術，是在保障糧食產量前提下解決當前環境汙染和食品安全危機的迫切需求。在使用化學殺菌劑防控植物病害的過程中，人們往往忽視了寄主植物本身對病菌的抵抗能力。與動物類似，在漫長的進化中，植物已經逐步形成完備的免疫系統。近年來，隨著科學的發展以及技術的進步，科學家逐漸解析了植物免疫的相關機制，植物免疫的原理也被廣泛應用於農作物的病蟲害防控。植物免疫通常由外源的激發子誘導產生，科學家根據植物的免疫誘導抗性特點，將能夠激活植物免疫的激發子開發成植物免疫誘抗劑，用於植物的病蟲害防治。

植物免疫誘抗劑作用機理

隨著對植物免疫系統的深入了解，研究人員發現在病原菌與植物的互作初期，病原菌除了要突破植物表面的物理屏障（細胞壁、蠟質層等）外，還必須要突破植物的主動防衛系統，才能實現成功侵染。

在侵染初期，病原菌會分泌一些毒性因子攻擊植物，而植物為了逃避病原菌的攻擊，逐步進化出細胞膜表面模式識別受體（PRRs，patternrecognitionreceptors），用於識別病原菌遺傳保守的病原相關分子模式（PAMPs，pathogen-associatedmolecularpatterns）並激發植物的PTI（PAMP-triggeredimmunity）。PTI是一種普遍存在但強度較弱的抗性，可以抵抗多數病原菌的侵染。而病原菌則進化出效應分子（effector）進入植物細胞，抑制寄主產生的PTI，克服植物的抗病性；植物針對病原菌效應分子會進化出相應的抗病蛋白NLR（nucleotide-bindingleucine-richrepeat），產生新的免疫反應ETI（effector-triggeredimmunity）；病原菌則通過效應分子的變異，逃避識別或分泌新的效應分子幹擾ETI。

在進化的過程中，病原菌與寄主植物均在這種無休止的鬥爭之中不斷協同進化，相互進行著「軍備競賽」。相對於PTI而言，植物ETI抗性強度較強，但是只針對特定的病原菌，且田間大規模使用單一抗病品種會導致病原菌承受更強的選擇壓力，加快病原菌的進化，不利於植物病害的持久防控。植物的誘導免疫抗性，則充分利用了植物自身對病害發生的潛在控制能力，通過調節植物防衛、代謝系統，誘導產生基礎免疫反應，延遲或減輕病害的發生和發展。能夠激活植物免疫的生物因子統稱為植物免疫激發子，在許多微生物中廣泛存在，且對微生物的適應和生存起著重要作用。

植物免疫激發子通常是一類非常保守的物質，主要包括寡糖、多肽、蛋白、脂質等類型。用以識別病原相關分子模式（PAMPs）的植物蛋白被稱為細胞表面模式識別受體（PRRs，patternrecognitionreceptors），這些模式識別受體包括類受體激酶（receptor-likekinases，RLKs）和類受體蛋白（receptor-likeproteins，RLPs）。其中，類受體激酶定位於質膜上，包含一個胞外配體結合結構域、一個跨膜結構域以及胞內的蛋白激酶結構域；而類受體蛋白僅含有胞外結構域和跨膜結構域，缺少胞內的激酶結構域，因此類受體蛋白需要與其他的胞內共受體激酶結合共同傳遞下遊信號。雖然有很多報導鑑定了病原相關分子模式（PAMPs）以及它們相應的模式識別受體（PRRs），但是，其功能以及相應互作機制仍知之甚少。目前研究相對清楚的主要有植物FLS2（Flagellin-sensing2）對細菌鞭毛蛋白的識別、EFR（LRR-RLKEF-Tureceptor）對細菌延伸因子Tu（elongationfactorTu，EFTu）的識別等。鞭毛蛋白是構成細菌鞭毛的粒狀蛋白，在模式植物擬南芥中鑑定到負責識別鞭毛蛋白的PRR，即富含亮氨酸重複序列的類受體蛋白激酶FLS2。

目前，在所有已知基因組信息的高等植物中，均發現有FLS2的同源基因存在。已經證明在菸草、水稻以及番茄中FLS2同源蛋白均能夠識別細菌鞭毛蛋白。說明植物利用FLS2識別鞭毛蛋白這種方式在進化上是保守和古老的。植物細胞膜表面受體對病原微生物PAMPs的識別，僅僅是它們做出免疫應答的開始。當在細胞膜上確定有病原菌來襲後，PRRs還需要和其它質膜蛋白一起作用，將這個信號通過相應的信號轉導途徑傳遞到下遊，從而使植物做出進一步免疫應答。BAK1（BRI1associatedreceptorkinase1）是一個在多種信號轉導途徑中普遍存在的共受體蛋白，研究發現其參與多種PAMPs受體複合體介導的PTI信號轉導。受體被激活後，通常經過磷酸化將信號傳遞到下遊，並引起下遊Ca2+信號內流、活性氧積累、胼胝質積累、氣孔關閉、水楊酸產生等一系列抗病相關免疫反應。

植物免疫激發子的種類

植物免疫激發子可來源於動物、植物、微生物活體或者其代謝產物，亦可來源於植物微生物互作產生的活性分子。根據其化學性質，可將植物免疫激發子分為糖類激發子、糖肽類激發子、脂類或脂肽類激發子、蛋白類激發子以及小分子代謝產物類激發子等。

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蛋白類激發子

蛋白類激發子是目前鑑定到種類最多的激發子類型。近年來從細菌、真菌、卵菌、病毒及植物等物種中鑑定到諸如過敏致病性蛋白（harpin）、壞死及乙烯誘導相關蛋白（nep1-likeprotein）、過敏反應誘導蛋白（Hrip）、隱地蛋白（elicitin）、纖維素酶（cellulase）等幾十種植物免疫激活蛋白，為後續植物免疫誘抗蛋白質農藥的開發積累了大量的蛋白資源。南京農業大學王源超團隊從大豆根腐病的病原菌大豆疫黴的培養濾液中鑑定到一個GH12家族糖基水解酶XEG1。XEG1在大豆疫黴侵染植物早期上調表達，其糖基水解酶活性能夠降解植物的細胞壁從而幫助疫黴菌順利侵染。同時，除了攻擊植物免疫系統以外，XEG1也是疫黴菌以及其他一些病原真菌和細菌中廣泛存在的植物免疫激發子。XEG1能夠誘導一系列的植物免疫反應，包括活性氧迸發、胼胝質積累、抗病相關基因的高量表達，並誘導植物產生過敏性壞死反應。XEG1可以被大豆疫黴的寄主植物大豆和非寄主植物菸草、番茄、辣椒等多種植物識別。表明植物中存在一種對XEG1的保守識別機制。此外，植物對XEG1的識別依賴於植物細胞膜上的共受體蛋白BAK1，BAK1通過與其他受體蛋白協作共同傳遞免疫信號、。進一步的研究構建了菸草PRRs基因沉默篩選系統，並成功鑑定到疫黴菌免疫激活蛋白XEG1的受體RXEG1。RXEG1屬於受體類蛋白，其能夠特異性的結合XEG1，從而激活相應的免疫通路。

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寡糖類激發子

寡糖類激發子多來源於動物、植物、微生物的外殼或細胞壁，在自然界含量極為豐富。目前鑑定到的寡糖類激發子主要有胞外多糖、幾丁質、殼寡糖、木葡聚糖、海藻糖、海帶多糖等。海藻糖是一類廣泛分布於多種物種中的非還原性二糖，研究表明使用海藻糖處理小麥能夠顯著提高小麥對白粉菌的抗性。進一步研究發現海藻糖處理後顯著提高小麥的防禦反應相關酶苯丙氨酸解氨酶和過氧化物酶的酶活性，提高了植物的抗性。海帶多糖是一類水溶性的β-1，3-葡聚糖，能夠誘導菸草、擬南芥、水稻等多種植物產生防禦反應，誘導植物體依賴於水楊酸信號途徑的免疫通路，包括植保素的積累和一系列病程相關蛋白的表達。研究發現，植物中包含溶菌酶結構的受體激酶LysMRKs在識別真菌的細胞壁成分幾丁質上起到重要作用。幾丁質能夠直接與擬南芥和水稻的幾丁質激發子受體激酶CERK1結合，並誘導受體二聚化，激活相應的免疫信號。另外，在擬南芥和水稻中分別鑑定到類受體蛋白AtLYM2、OsLYP4、OsLYP6在幾丁質的識別上發揮重要功能。

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脂類激發子

目前鑑定到的脂類激發子主要有脂多糖、麥角固醇、二十碳五烯酸、花生四烯酸等。脂多糖是革蘭氏陰性菌細胞壁的成分之一，其對細菌的侵染非常重要。此外，脂多糖也能夠被植物識別，誘導植物免疫反應。進一步研究從擬南芥中鑑定到脂多糖的受體蛋白為凝集素-S-結構域-類受體激酶LORE。另外，研究發現從真菌中分離到的麥角固醇，僅需要微量濃度即可誘導番茄細胞的胞外鹼化，誘發番茄的免疫反應。類似的，從植物病原卵菌致病疫黴中分離得到的花生四烯酸和二十碳五烯酸能夠激活馬鈴薯的免疫反應。

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其他類型的激發子

除了上述幾種常見的激發子類型以外，研究人員還鑑定到諸如外源ATP、腦苷脂等物質同樣能夠激活植物免疫，誘導植物抗性。例如，研究人員發現一定濃度的植物產生的外源ATP能夠誘導植物氣孔的關閉，後續研究從植物中鑑定到外源ATP的受體為類受體激酶DORN1。DORN1對外源ATP的識別誘導了植物的鈣離子迸發、MAPK的激活等免疫相關應答。