圖1 張文清教授

多糖是由多個單糖分子以苷鍵結(jié)合而成的高分子碳水化合物。多糖在自然界分布極廣，有的是構成動植物細胞壁的組成成分，有的是作為動植物儲藏的養(yǎng)分，有的具有特殊的生物活性。自20 世紀50 年代以來，逐漸發(fā)現(xiàn)多糖具有復雜的、多方面的生物活性和功能，已廣泛應用于食品科學、生物化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)等領域。

華東理工大學上海市功能性材料化學重點實驗室天然產(chǎn)物研究團隊在學術帶頭人張文清教授帶領下(圖1、2)，對多糖的提取分離、結(jié)構分析和活性研究建立了系統(tǒng)的方法，目前通過分離和生物技術開發(fā)了多個多糖產(chǎn)品并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，特別是殼聚糖系列產(chǎn)品的研究，如植物活力劑寡糖素(圖3)，2003 年獲得上海市科技進步二等獎和上海市發(fā)明一等獎。

圖2 團隊研討

圖3 農(nóng)業(yè)生物制劑

殼聚糖(chitosan)是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)(chitin)經(jīng)過脫乙酰作用得到的，化學名稱為聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-2-脫氧-β-D 葡萄糖。這種天然高分子多糖由于其良好的生物相容性、可降解性、安全性和廣譜抗菌性等特點而被廣泛關注。自Peter 于1984 年首次提出寡糖素能作為植物激發(fā)子以來，寡糖素在農(nóng)業(yè)領域的研究開發(fā)受到極大關注。由殼聚糖降解所得到的殼寡糖，作為植物抗病激發(fā)子具有調(diào)控植物生長、發(fā)育、繁殖、防病和抗病等方面的功能，能夠激發(fā)植物的基礎免疫反應。殼寡糖作為植物抗病激發(fā)子，雖具有廣譜、持久的抗性，但與有機農(nóng)藥相比，誘導產(chǎn)生的抗病效果存在滯后性、受環(huán)境因素影響較大和產(chǎn)品不穩(wěn)定等。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中受到一定程度的限制。

張文清課題組通過化學修飾制備殼寡糖季銨鹽，改變殼寡糖自身的電荷分布和強度，加強殼寡糖(配體)與受體之間相互作用，誘導植物產(chǎn)生植物抗毒素(Phytoalexin)，有效抵御病原菌的侵染(圖4)。以模式植物擬南芥為例，camalexin 是擬南芥產(chǎn)生的一種重要植保素，對擬南芥抵御腐生型病原真菌——灰葡萄孢菌侵染具重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，殼寡糖季銨鹽能迅速激活擬南芥分裂活化蛋白激酶MAPK3 和MAPK6，通過對camalexin 合成基因PAD3 的上調(diào)來調(diào)控camalexin 的合成，抑制灰葡萄孢菌孢子在擬南芥葉片上生長。殼寡糖雖然也能激活MAPK3 和MPK6，但從速度和作用程度上來說，要遠低于殼寡糖季銨鹽所產(chǎn)生的效果。

殼寡糖季銨鹽能快速調(diào)節(jié)擬南芥氣孔的開度并保持較長時間，限制丁香假單胞菌的快速入侵。殼寡糖在此方面則“束手無策”。此研究為改善不同來源的寡糖素作為植物抗病激發(fā)子提供了一種新的策略。

模式植物擬南芥和水稻的殼寡糖受體AtCERK1 和OsCEBiP 直接結(jié)合殼寡糖，通過形成同源二聚體或異源二聚體并發(fā)生磷酸化作用，將殼寡糖信號由胞外傳遞到胞內(nèi)，激活植物的PTI。病原菌為了生存，其在與植物漫長的協(xié)同進化過程中進化出能夠?qū)TI 進行抑制的效應分子。病原真菌和病原細菌的抑制機制各不相同，細菌主要實行“攻擊消滅”，而病原真菌則采取“以守為攻”。例如細菌丁香假單孢菌的效應分子AvrPtoB 能夠直接泛素化CERK1 來抑制植物的PTI 產(chǎn)生;真菌水稻稻瘟病能分泌具有LysM 功能域的效應分子Slp1，Slp1 同時具有抑制植物分泌的幾丁質(zhì)酶活性及與CERK1 競爭性結(jié)合，從而抑制植物PTI 的產(chǎn)生。

圖4 合成工藝圖

圖5 LysM-CERK1 嵌合受體載體的構建

利用具有LysM 功能域的效應蛋白能競爭性結(jié)合殼寡糖的特性，將Slp1 與擬南芥CERK1的胞內(nèi)結(jié)構域融合，構建Slp1-CERK1 嵌合受體(圖5)。用殼寡糖處理表達嵌合受體的擬南芥cerk1 植株(CERK1 功能缺失突變體)，發(fā)現(xiàn)ROS 活性和殼寡糖相關基因(MAPK3、WRKY33、WRKY53)的轉(zhuǎn)錄表達水平均顯著上調(diào)，擬南芥中合成的camalexin 基因PAD3 也顯著上升，葉片中灰葡萄孢菌的菌絲生長得到有效控制。此研究有助于更好地理解LysM 功能域與殼寡糖相互作用分子機制和信號轉(zhuǎn)導的調(diào)控機制，而且對合理利用具有LysM 功能域的效應分子來提高植物的抗病性奠定了理論基礎。植物的誘導抗病性從激發(fā)子與受體識別開始，到植物產(chǎn)生明顯的抗病防衛(wèi)反應結(jié)束。在這一過程中，通過研究寡糖素和CERK1 受體的分子特性以及兩者之間的相互作用方式，探討殼寡糖類抗病激活劑誘導的抗病信號傳導的細節(jié)和防衛(wèi)基因的調(diào)控方式等。殼寡糖類抗病激活劑優(yōu)良的誘導特性，有望使其成為新型的生物農(nóng)藥，相信隨著研究進一步深入，殼寡糖類抗病激活劑誘導的植物抗病的作用機制將逐步了解，將為其誘導植物抗病有效合理的應用起了巨大的推動作用。