如今, 控制害虫和植物疾病最常用的方法是使用化学试剂, 但是这给环境造成了巨大影响。几丁质是一种天然多聚物, 是寡聚体N-乙酰葡糖胺由β-1, 4-糖苷键连接而成的, 几丁质广泛存在于昆虫等甲壳类动物的外壳、软体动物器官以及多数真菌的胞壁中。几丁质酶是一种能够将几丁质水解成N-乙酰葡糖胺的糖苷酶[1], 它作为一种天然溶菌酶类, 在抗植物病原真菌、杀线虫作用、抗细菌以及果蔬采后病害等的生物防治方面都有应用, 再加上它具有可诱导性、安全无毒副作用[2]等特点, 在农业上的应用范围正在不断扩大。
1 在抗植物病原真菌方面的应用
由真菌病原体引起的植物疾病使全球重要的农作物损失巨大。传统的合成杀菌剂对人体健康和环境有明显的不良影响。而大多数真菌的细胞壁都含有几丁质, 几丁质酶可以通过破坏植物病原真菌的细胞壁使其受损死亡[2], 即几丁质酶可以杀死一些真菌, 且不良影响较小。
已有研究表明, 微生物几丁质酶能够用于防治由植物病原真菌引起的粮食作物病害。如Karin等人发现苏云金芽孢杆菌BUPM255的培养基上清具有高抗真菌A.niger活性;还报道了一种分离自苏云金杆菌无性系种群的纯化几丁质酶, 它表现出了对6种植物病原真菌细胞壁的溶解活性, 并对镰刀菌 (Fusarium sp.) 等的菌丝生长有抑制作用[3]。
R o b e r t s等人报道了几丁质酶对烟草赤星病菌 (Alternaria alternata) 、尖孢镰刀菌 (Fusarium oxysporum) 、腐皮镰孢霉菌 (Fusarium solani) 和葡萄孢菌 (Botrytis cinerea) 都具有抗真菌活性。除此之外, 通过从有病理症状的黄瓜叶片、草豌豆、马铃薯和番茄分离致病性真菌, 发现放线菌几丁质酶对侵入花园植物的真菌也具有抗真菌活性。
Swiontek等人报道了枯草芽孢杆菌BG-11产生的几丁质酶与通常所用的杀真菌剂和杀虫剂非常兼容。肠杆菌属 (Enterobacter sp.) 产生的几丁质酶抑制串珠镰刀菌 (Fusarium moniliforme) 、黑曲霉 (Aspergillus niger) 和根霉菌 (Rhizopus nigricans) 的生长。链霉菌属M-20的几丁质酶对葡萄孢菌 (Botrytis cinerea) 也有一定的抗真菌活性[4]。
2 在杀虫方面的应用
Rajamanickam报道用几丁质酶处理过的叶子喂食斜纹夜蛾幼虫, 并用于生物鉴定, 组织学研究表明:几丁质酶处理的幼虫肠道、围食膜和上皮细胞的形成都明显受到影响。从枯草芽孢杆菌分离得到的几丁质酶有效地降低了肠道酶的活性, 并抑制了斜纹夜蛾的生长[5]。Kunert等研究了用纯化的几丁质酶CHI43、纯化的蛋白酶P32以及2种酶的结合来处理Globbodera pallida的卵表面, 确定了酶对虫卵的效应。用CHI43处理后, 虫卵表面出现伤痕, 用P32处理后, 表现出轻微的蜕皮。用2种酶组合处理后, 出现伤痕和更多明显的蜕皮。未经酶处理过的虫卵表面光滑。Maria等人证明, 几丁质酶参与线虫卵壳的破裂。线虫的卵是唯一含几丁质结构的卵, 它易被寄生在卵上的真菌攻击。一旦真菌接触到线虫的卵, 真菌会迅速生长, 其分泌的几丁质酶会黏附和侵入卵内, 侵染效率可高达70%, 最后使线虫逐渐死亡[6]。
有些植物几丁质酶抗虫性表现得不明显。原因可能是, 植物几丁质酶的最适p H值一般为4~6, 而昆虫肠道中的p H呈碱性, 这就使得那些食草性 (食植性) 的昆虫能够适应植物几丁质酶而不被其降解[7]。
3 在抗细菌方面的应用
一般来说, 几丁质酶不能够杀死细菌。但有研究发现, 几丁质酶的classⅢ类除了能够降解几丁质外, 还有溶菌酶的功能, 这类几丁质可以分解细菌细胞壁上的肽聚糖, 对细菌产生一定的抗性。已有报道克隆出了具有2个结合域的几丁质酶基因, 其编码的几丁质酶对大肠杆菌有一定的毒害作用, 而这种几丁质酶基因是在芥菜中找到的[8]。
4 在果蔬采后病害防治上的应用
果蔬采收以后在贮藏、运输过程中容易受到病原微生物侵染而引起病害, 造成重大的经济损失。已有研究证明, 几丁质酶可以防治这种果蔬采后病害引起的腐烂。Tabaeizadeh等人发现几丁质酶能有效地抵御番茄枯萎病真菌对番茄的侵染;Antonio Ippolito等观察了苹果在采后贮藏期间腐烂情况, 发现苹果在受到灰霉病菌和青霉病菌2种真菌感染时, 自身会诱导表达几丁质酶进行抗病反应;Maryline等人则证实了几丁质酶对葡萄病原菌-灰葡萄孢霉有生物防治作用[2]。
5 结语
几丁质酶在农业生产和环境保护上有着广阔的应用前景, 挖掘几丁质酶应用的潜在价值符合当前发展生态农业的要求。这就需要我们对几丁质酶继续深入研究, 尤其是加强对几丁质酶分子领域的研究。如利用基因工程手段, 将几丁质酶基因转入烟草、大豆、莴苣和甜菜等高产优质作物中, 可以提高植物的抗性;也可以直接利用几丁质酶基因构建遗传工程菌株;研究最佳发酵工艺, 加工成适用剂型, 使其更快、更好地为农业生产服务。在生物防治过程中, 除了几丁质酶外, 还有其他酶如葡聚糖酶、纤维素酶、蛋白酶等能够与几丁质酶协同作用, 使抑菌效果更加显著, 将几丁质酶基因转入生防菌株, 可以构建出更加优良的生物防治菌株[9]。
未来植物病害的控制将很快会被新的疾病控制技术补充或替换, 这些新的技术是由微生物控制试剂、线虫、宿主植物和环境之间的相互作用发展而来的。根据土壤中生物和非生物的特性进行处理, 是促进根系有益微生物活动、修饰微生物平衡以控制病原体和刺激植物体生长等的一个重要途径。采用多种学科协同的生物控制方法, 将有助于使生物控制实践更加成功[6]。这或许会成为今后植物基因工程的一个主流, 其突破也将会引导一场新的农业革命。
摘要：目前, 合成类杀虫剂和杀真菌剂的滥用造成了严重的环境污染。而几丁质酶有潜在的抗含几丁质的病原体的特性, 因此在农业方面应用前景广泛。综述了在几丁质酶抗植物病原真菌、杀虫、抗细菌和果蔬采后病害的防治等方面的应用研究情况。在此基础上, 对几丁质酶在生物农业上的应用前景进行了展望。
关键词：几丁质酶,生物防治,农业,应用研究
参考文献
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