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植物免疫诱抗剂的发现、作用及其在农业中的应用 qrcode

2020-12-01

作者:山东农业大学植物保护学院王露露等,山东蓬勃生物科技有限公司晓英,李洋,孔波


- 植物免疫诱抗剂的定义和发展历程是什么?

- 生物刺激最早又是谁提出来的?

- 植物免疫系统到底是什么?

- 植物免疫诱抗剂的种类有哪些?

- 国内外植物免疫诱抗产品有哪些?应用现状如何?

- 国际上活性最高的植物免疫诱抗剂是什么?是谁开发的?

- 植物免疫诱抗剂未来应用前景如何?


本文参考文献70余篇,系统讲述了植物免疫诱抗剂定义、发展历程、国内外研发及产品应用状况及未来发展方向!


植物病虫害的化学防治是我国粮食产量和品质的保障,但是化学农药的过度使用给环境和人类健康造成严重损害。2015年农业部提出化肥农药零增长计划,因此开发生物农药是解决农药污染问题,实现农药减量的有效手段之一。植物免疫诱抗剂作为新型生物农药,并不能直接对病原菌进行强烈的毒杀,而是以植物为目标,通过调节植物本身的免疫、代谢系统来增强植物对病原菌的抗性,提高植物抗逆性,促进植物生长。植物免疫诱抗剂作为植物保护的新实践,因具有对人畜毒性低,环境相容性高,作用谱广,病原菌不会产生抗药性等优点而获得关注,在农业生产中应用越来越广泛。


1. 植物免疫诱抗剂的定义及发展历程


植物免疫诱抗剂即植物疫苗,主要是通过增强植物生理功能,增加植物对致病因子的抵抗力,从而提高植物的诱导抗性。它能够激发植物体内多条代谢路径,加强新陈代谢,促进植物的生长发育,达到增产抗病的效果。植物免疫诱抗剂也称为植物生物刺激素,欧盟管理法规对植物生物刺激素的定义为:一种刺激植物营养过程的产品,其目的是改善植物的一个或多个特性如营养素利用效率、对非生物胁迫的耐受性、土壤和根际中作物质量特性或限制营养素的有效性。


1933年苏联Filatov教授首次讨论“生物刺激”理论,植物在外界不利但不致命的条件下,会经过生化重组形成非特异性的生物刺激物,激发生物体反应,抵抗病原菌的入侵,增强植物免疫力。Herve为生物刺激素提供了第一个真正的概念性产生方法,指出生物刺激素的开发应该建立在化学合成、生物化学和生物技术的系统方法的基础上,能够在低剂量下发挥作用,并且对生态友好。1992年,美国学者从淀粉欧文氏菌中分离出一种引起植物防御反应的蛋白质激发子,该激发子被命名为Harpin,能诱导烟草等植物产生过敏反应。Zhang and Schmidt在1999年强调了对生物刺激素进行全面和实证分析的必要性,特别强调生物刺激作用是通过激素效应,其次是通过抗氧化剂对非生物胁迫的保护。它的作用主要表现在提高光合作用效率,减少病原菌的强度及传播,并提高作物产量。Basak开创了对生物刺激素的系统讨论,为现代生物刺激素科学的形成创造了概念前提;Du Jardin首次对植物生物刺激素科学进行了深入的分析,强调了生物刺激素在生理生化功能、作用方式和来源上的系统化和分类。该分析和分类对欧盟后续立法和法规的发展产生了重要影响。2012年11月在斯特拉斯堡召开的第一届世界生物刺激素农业大会被视为接受生物刺激素进入学术界的一个里程碑。2014年美国科学家指出生物控制微生物和植物生长促进微生物可以促进植物生长发育以及诱导植物系统获得抗性,提高植物对生物和非生物胁迫的耐受性。植物在抵抗病原菌时会产生一系列信号物质如水杨酸、乙烯、茉莉酸和脱落酸等进行信号传导,诱导植物抗病相关基因表达,这些信号物质也可以作为植物免疫诱抗剂的原材料。


2. 植物免疫系统


植物免疫诱抗剂作用于植物本身,通过预先激活植物自身免疫系统来抵御病原菌的入侵,从而达到促进植物抗病的目的。植物在生长过程中不断地受到病原菌的侵染,为了抵抗病原菌侵入,植物有两种信号防御机制,包括病原相关分子触发免疫(PAMP-triggered immunity,PTI)以及效应分子触发免疫(Effector-triggered immunity, ETI)。植物免疫的第一类受体-模式识别受体(pattern recognition receptors, PRRs)定位于细胞膜上,其胞外结构域可以特异性识别病原相关分子模式,再通过跨膜结构域激活胞内激酶结构域,进而激活免疫反应,如植物FLS2对细菌鞭毛蛋白flg22的识别、EFR对细菌延伸因子Tu的识别等。PTI主要在病原菌侵染初期起作用,具有非寄主抗性,可以通过钙离子内流,胼胝质沉积,活性氧爆发,气孔关闭,产生一氧化氮及水杨酸、茉莉酸等多种植物激素来抵抗病原菌。面对植物的抗御策略,病原菌进而分泌效应因子(Effector)抑制植物PTI。为与病原菌抗衡,植物进化出防御效应因子的第二类免疫受体NLR(Nucleotide-binding leucine-rich repeat)即ETI。相较于PTI,ETI激活的下游免疫反应强度更大,时间更长,并且一般会伴随着程序性细胞死亡,导致过敏反应。病原菌会继续通过效应因子的变异来入侵植物,二者在斗争中共同进化。


3. 植物免疫诱抗剂的种类


能够激活植物产生免疫反应的物质称为激发子,主要包括蛋白类、寡糖类、脂类、小分子代谢物类、水杨酸及其类似物等类型。蛋白质激发子是目前已鉴定种类最多的激发子类型,已鉴定出坏死及乙烯诱导相关蛋白(Nep1-like protein)、过敏反应诱导蛋白(Hrip)、纤维素酶(Cellulase)等几十种免疫激活蛋白,这为后续植物免疫诱抗剂的研究积累了重要的蛋白资源。


BcGs1是来源于灰霉病菌(Botrytis Cinerea)的一种细胞壁降解酶,它可以触发植物的免疫反应,抵抗病原菌侵袭植物。研究表明,BcGs1通过活性氧代谢和苯丙烷代谢诱导番茄的防御反应,可以引起活性氧爆发,提高苯丙胺酸解氨酶和过氧化物酶活性,促进木质素积累,提高番茄对灰霉病的抗性。


XEG1是从大豆疫霉中发现的GH12家族糖基水解酶,可以诱导植物产生免疫反应,如活性氧爆发、胼胝质沉积、抗病相关基因的高表达以及过敏性坏死反应。植物细胞膜上的共受体蛋白BAK1可以识别XEG1,并与其他受体蛋白互作诱导植物免疫。进一步研究发现XEG1的特异性受体RXEG1,二者结合激活免疫通路。XEG1是植物、疫霉菌、真菌、细菌中广泛存在的植物免疫激发子。


寡糖类激发子在自然界中含量丰富,主要通过诱导植物的系统抗病性来增强植物抵抗病原菌的能力。


海带多糖是从褐藻海带中提取的β-1,3-葡聚糖,是植物防御反应的激发子,主要通过钙离子内流、活性氧爆发、抗病相关基因表达、丝裂原活化蛋白激酶的激活、几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶活性的增加、植物防御素的产生等免疫反应抑制葡萄灰霉病菌侵染葡萄。


海藻糖是一种非还原性双糖,广泛存在于包括真菌在内的多种生物中。小麦在喷洒海藻糖溶液后,白粉病侵染程度降低。研究表明,海藻糖不仅可以抑制分生孢子萌发和附着体分化,还可以提高苯丙氨酸解氨酶和过氧化物酶的活性。


几丁质是一种N-乙酰葡糖通过β连接聚合而成的多糖,主要存在于真菌的细胞壁上。几丁质可以与拟南芥和水稻激酶活性共受体CERK1结合,引起植物免疫反应。


CERK1参与细菌肽聚糖和脂多糖引发的免疫信号转导、真菌β-1,3-葡聚糖引发的免疫信号转导和短链几丁质寡糖引发的共生信号转导、细胞死亡以及植物耐盐等生理活动。


脂多糖是脂类激发子的一种,由革兰氏阴性菌产生,通过微生物相关分子模式的感知触发植物的先天免疫。从拟南芥中鉴定到脂多糖的受体蛋白为凝集素-S-结构域-类受体激酶LORE,LORE在烟草瞬时表达后赋予烟草对脂多糖的敏感性,这在脂多糖传感中发挥了关键作用,并表明了在作物物种中进行工程抗病的可能性。


水杨酸(Salicylic acid, SA)调节植物生长发育的多个方面,并激活植物对生物和非生物胁迫的防御,是植物对多种病原菌产生抗性所必须的一种关键物质。1979年SA与植物免疫的关系被首次提出,乙酰水杨酸能使感病烟草对烟草花叶病毒产生抗性。SA可以被两种不同的受体——NPR1 and NPR3/NPR4感知,SA结合刺激NPR1的转录激活活性,抑制NPR3/NPR4的转录抑制活性,诱导产生防御相关基因。SA处理还可以诱导一些感受器NLRs和大多数已知的NLR信号转导元件的表达,增强PRR和NLR介导的免疫反应。SA在植物抗病发面具有良好效果,外源施用SA可提高甜瓜中总酚、类黄酮、木质素含量以及增强抗病相关酶活性,延迟甜瓜发病时间,降低发病率。水杨酸还可诱导黄瓜对白粉病的抗性。此外,SA可以提高植物抗逆性,SA处理盐胁迫下辣椒幼苗可提高其叶绿素含量,进而恢复正常生长。SA对寒冷胁迫下的小麦、番茄也有一定的缓解和恢复作用。


4. 植物免疫诱抗剂及其制剂产品在农业中的应用


传统的农药、化肥主要以病原菌及特定的营养需求为靶点,对农作物进行病害防治和产量提高,而忽略了植物本身对生物和非生物胁迫的抵抗能力。当前,植物免疫诱抗剂主要以外源生物或分子激活植物体内的免疫系统,提高植物抗病力,此外还激发植物代谢系统,促进植物根茎叶的生长及叶绿素的合成,提高作物产量,在农业生产中有良好的应用效果。目前植物免疫诱抗剂主要有植物免疫蛋白、寡糖、水杨酸及其类似物、次生代谢物等类型。


植物免疫蛋白是一种新型生物农药,在抗病、增产、抗冻、提高品质等方面具有良好效果,通过信号传导系统诱导植物抗病相关基因的表达,进而促进防御物质的产生,提高植物免疫力,减轻病害的发生。邱德文团队从极细链格孢菌中分离纯化得到高活性蛋白并加入氨基寡糖素制成世界上首个植物免疫蛋白生物农药-6%寡糖·链蛋白质可湿性粉剂(阿泰灵)。阿泰灵能够促进植物根系生长,增强植物免疫,达到防治病虫害的效果。研究表明,阿泰灵能使小麦、水稻等粮食作物、茶叶、大姜等经济作物以及番茄等蔬菜增产5%-10%,并且对番茄黄化曲叶病毒病、烟草花叶病毒病、水稻纹枯病等具有明显的防治效果。植物免疫增产蛋白对生姜、芝麻、莲藕、水稻等作物具有增产提质的效果。


美国生物公司的新型生物农药Messenger是含Hapin蛋白的可湿性颗粒剂。Harpins是革兰氏阴性菌在病原菌-植物相互作用过程中III型分泌系统分泌的蛋白质,可以作为激发子,刺激多种非寄主植物的防御和植物生长。Harpin处理的植株具有更高的抗性、品质和产量,因此Harpin蛋白可能具有许多潜在的农业应用价值。从木薯枯萎病菌中鉴定出一个新的Harpin-HpaXpm,可有效地诱导非寄主植物的过敏性反应、防御反应和促进生长。Harpin蛋白Hpa1能够显著诱导防御相关酶活性并增强抗病相关基因表达,增加过氧化氢、胼胝质等抗病相关物质含量,对烟草花叶病毒有很好的防御效果。


氨基寡糖素也称为农业专用壳寡糖,是植物识别病原真菌入侵的非特异性信号,对许多植物显示出强烈的免疫诱导活性,可以激发植物的基因表达,产生抗病的甲壳素酶、壳聚糖酶、植保素和免疫蛋白,这些物质能抑制和杀灭病菌生长,达到抗病目的。据中国农药信息网公开数据显示,截至2020年9月我国登记氨基糖糖素农药产品76个,水剂为氨基寡糖素的主要剂型。氨基寡糖素应用前景广阔,对促进农作物增产抗病,推进我国农业可持续发展具有重要的意义。不同浓度的壳寡糖基聚合物可作为保鲜剂,对成熟度八成的紫花芒进行果面喷施后,发现1%-2%的壳寡糖基聚合物水溶液对芒果具有很好的保鲜效果,且芒果的可溶性固形物、维生素C、可滴定酸含量等指标和好果率、失重率均明显优于对照。受冻的黄瓜经壳寡糖处理后,其长势明显好于对照,处理过的植株果实采收期可比对照提前3-5 d,产量也明显高于对照。叶片喷施壳寡糖对茶树有较好抗病增产效应,同时发现壳寡糖在叶片培养基中可起到激素生物的作用,对培养基及外植体起到了防污抗病的保护作用。


褐藻寡糖(Alginate-derived Oligosaccharide, AOS)是由褐藻胶降解而来,可作为植物激发子,促进植物生长,增加产量,提高品质,增强植物抗逆性和抗病性。研究表明,适当浓度的AOS可以增加黄瓜幼苗的株高、茎粗和鲜重以及光合能力,促进植株生长。此外,AOS还可促进黄瓜体内抗氧化酶活性,消除过多的活性氧,增强植物抗逆能力。在干旱胁迫下,AOS对黄瓜的促生和抗逆效果更明显,主要是AOS通过刺激脱落酸的合成提高了黄瓜的抗旱性。AOS可以通过诱导次生代谢和调节防御相关酶的活性提高草莓对白粉病菌的抵抗力。此外,褐藻寡糖在食品开发、药物研制、疾病预防等方面也具有良好的研究进展。


康而健是从抗病植物中提取的富含水杨酸及其衍生物的综合性免疫诱抗剂,可以激发植物抗体,对细菌性、真菌性及病毒性病害均具有免疫作用,可以预防植物病害的发生,减轻病害造成的损失。此外,康而健内吸性强,可直接进入植物细胞内,快速稳定地激发植物产生抗体,诱导植物产生抗性反应,提高对病原菌的抗侵染能力。对离体葡萄叶片喷施康而健1 000倍溶液,能够延缓并减轻葡萄叶片霜霉病的发生,抑制病斑扩散。在葡萄开花前喷施康而健,对葡萄灰霉病、霜霉病、白粉病等均有较好的预防效果,且葡萄叶片厚绿,落果减少。此外,在辣椒疫病发病前喷施康而健700倍溶液,10 d后,与对照组相比,处理后的辣椒疫病发病率减少近50%,康而健有效地较低了辣椒疫病的发生程度。瑞士先正达公司的植物免疫诱抗剂Actigard是以苯丙噻二唑(2,1,3-Benzothiadiazole, BTH)为活性成分,BTH是水杨酸结构类似物,对植物有良好的诱导免疫活性,对细菌、真菌和病毒性病害具有很好的防治效果。BTH可诱导辣椒对白粉病产生抗性,BTH处理辣椒后会使辣椒叶片中过氧化物酶、多酚氧化酶、苯丙酸解氨酶活性明显增加,并抑制白粉病菌菌丝生长。


智能聪(ZNC)是野生沙棘内生真菌的提取物,该内生真菌被鉴定为宛氏拟青霉(Paecilomyces Variotii)菌株SJ1。其具有促进植物生长,提高作物产量和抗逆性的作用,在我国农业生产中被广泛应用。ZNC作为一种激发子,可以通过促进氮磷吸收和转运以及生长素的合成等促进植物生长,同时,通过活性氧爆发、胼胝质沉积、抗病相关基因上调、激活SA生物合成及信号通路等途径提高植物防御病原菌的能力。此外,ZNC对植物病毒有一定的预防和治疗作用,主要通过PAL基因的表达诱导水杨酸的生物合成,促进RNA沉默来抵抗病毒侵染。ZNC可以通过提高植物体内超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和苯丙氨酸解氨酶活性,降低Na+/K+和丙二醛含量,提高植物对非生物胁迫(抗盐、抗低温)的抗性。ZNC可作为一种痕量营养增效物质用于控释尿素,可提高氮肥利用率15%-20%,提高水稻产量10%;与常规磷酸二铵复配后可有效促进玉米根系生长,增强根系活力,根表面积增加80%,土壤有效磷含量提高45%,提高玉米产量。对不同作物施用ZNC后发现,智能聪具有促进种子萌发、根系发育、生殖发育以及抗病抗逆的能力,对小麦、马铃薯、葡萄、黄瓜、茄子、烟草等多种作物均有显著效果。ZNC作用快速,在接触植物2 h内就能激发植物体内抗性基因上调表达,在田间使用5 d左右就有较明显的田间表现;具有超高活性,在1 ng/mL(十亿分之一)时即具有显著功效,并且在低浓度表现促生及抗逆效果,在高浓度抗病能力增强,其活性为腐植酸钠的30 000倍,海藻酸的300 000倍,因此ZNC具有极高的科研价值及田间应用推广价值。


5. 展望


在传统认知中,植物在遭遇病虫害攻击时一定要使用化学农药进行直接防治,这样虽快速有效,但长期使用,不仅会使病虫害产生抗性,而且对生态环境造成严重影响。与传统化学农药相比,植物免疫诱抗剂存在许多优点,如对环境友好,对人畜毒性较低,不会导致病原菌产生抗药性,使用浓度低,作用范围广等。植物免疫诱抗剂以预防为主、治疗为辅,通过提高植物抗病性,减轻病害发生,符合绿色、高效、低污染的农药行业发展方向。


植物免疫诱抗剂的使用贯彻了国家绿色发展新理念,符合农业部提出的农药、化肥“双减行动”的政策,有利于实现“美丽中国”的宏伟目标。随着人们对绿色环保问题的日益重视,相信在全社会的共同努力下,植物免疫诱抗剂作为新型生物农药会在农业生产中发挥重要作用,为低碳环保型社会贡献坚实力量。


本文出自2020年10月出版的《世界农药》(Vol.42 No.10)


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来源: 世界农药
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