全球首创植物信号分子调控技术 -COR冠菌素首获ICAMA登记应用

一、COR冠菌素的起源

植物毒素通常是微生物的次级代谢产物，这些活性物质能够干扰植物细胞的正常生理功能或直接杀死细胞^{[1, 2]}。植物病原体利用一系列植物毒素来抑制宿主防御和促进致病性^[3]。1977年Ichihara等从丁香假单胞菌绛红致病变种（Pseudomonassyingaepv．atropurpurea）培养液中分离出一种化合物，是能够在多种植物中引起萎黄病的非宿主特异性植物毒素，并将其命名为coronatine^[4]，全球中文通用名‘冠菌素’（COR）则由中国企业成都新朝阳作物科学股份有限公司（以下简称″新朝阳″）牵头，经中国标准化技术委员会审定，于2013年5月3日获得。COR冠菌素是植物激素茉莉酸甲酯（MeJA）的类似物，能够通过茉莉酸途径调节植物生长发育和逆境胁迫等众多生理化过程，在脱叶、控旺、除草、促进转色、增糖、低温种子萌发、抗逆、抗病、抗虫等方面有宽广的应用前景。

二、COR冠菌素的结构及功能研究

2.1冠菌素的结构特点以及作用机制

冠菌素（C₁₈H₂₅NO₄，分子量：319 g/mol），由含α-氨基酸的冠烷酸（coronamic acid，CMA）和聚酮结构的冠菌酸（coronafacic acid，CFA）以酰胺键联结而成^[5]。丁香假单胞菌的多个变种均能产生冠菌素^[6]，它是茉莉酸甲酯（MeJA）的结构模拟物（图1），在植物中可被茉莉酸受体COI1（COR-insensitive 1）识别，激活茉莉酸信号转导通路，但在某些功能上COR比MeJA更活跃^[7]（图2）。

图 1冠菌素和茉莉酸甲酯的结构差异^[7]

茉莉酸受体COI1的发现得益于COR的应用^[8]。研究人员从上万个拟南芥中筛选到一株COR不敏感突变体coi1（COR-insensitive 1），随后的深入研究发现该突变体中的一个F-box蛋白失活，造成JA信号通路无法激活。

如图2所示，受体复合物SCF^COI1、JAZ蛋白和转录因子MYC构成JA信号的核心转导机制。在非胁迫条件下，植物内源活性JA-Ile低水平累积，此时JAZ蛋白通过招募TPL转录抑制复合体抑制JA早期响应基因表达；然而在COR/JA-Ile存在条件下，COR/JA-Ile可被JA受体复合物SCF^COI1结合，促使JAZ蛋白通过26S蛋白酶体途径降解，进而释放MYC2转录因子激活JA信号响应通路，启动下游基因表达，产生一系列生理响应。

图 2 冠菌素作用机制^[9]

2.2 冠菌素的生理功能

植物体内COR信号的生理响应，存在一定的浓度依赖，在不同浓度时呈现差异性生理效果。

高浓度的COR（>10 μM）^[10]会导致叶片萎黄、释放乙烯^{[11, 12]}，刺激JA信号传导并通过拮抗作用抑制植物水杨酸（SA）依赖的防御^[13]、拮抗气孔关闭以允许细菌进入植物叶片内部^[14]、导致受感染植物的褪绿症状，以及通过干扰次级代谢来抑制植物细胞壁的防御^[15]。有研究表明，COR能增加防御相关蛋白酶抑制剂和次级代谢物的积累，例如挥发物、尼古丁和生物碱^[16]。另外，Toum等在棉花脱叶的研究中发现，COR在不影响棉花铃重、棉绒百分比和种子质量的情况下显着提高了吐铃能力，可以成为一种潜在的棉花脱叶剂，其生理作用机制与目前使用的噻苯隆（TDZ）不同^[17]（图3），因此可以应用于脱叶和除草。

图 3 冠菌素在棉花脱叶的潜在应用^[17]

中等浓度COR（1-10 μM）可以响应机械损伤^[18]、调节果实的成熟^[19]和脱落^{[20, 21]}。有研究表明，COR能够诱导果实产生花青素，提高植物内源蛋白质、糖类等物质的积累^{[12, 22]}（图4），可以广泛应用于果实的快速均匀转色、糖度的提升以及风味物质的积累，提高果品的商业性。此外， COR还可以抑制植物体内非必要活性氧水平的升高降低植物果实变软、植物细胞迅速崩解腐坏的风险，延长果实的储存期和货架期^[10]，从而应用于果实采后储藏品质的改善。

图 4 冠菌素诱导花青素的合成^[12]

低剂量COR（<1 μM）则可以在植物受到在低温、热害、盐碱、干旱以及病虫害等恶劣自然条件下促进一系列防御基因的表达和防御反应化学物质的合成^[23]。研究表明，COR可以调节植物的″免疫″和″应激″反应，通过维持作物叶片含水量、促进可溶性蛋白合成、调节细胞渗透压、抗氧化酶活性以及诱导蛋白酶抑制剂等方式提高植物的抗逆水平，减轻逆境对植物的伤害，提高作物的产量^[10]，在抵抗非生物胁迫方面起着重要作用^[10]，例如提高大豆的抗低温能力，棉花的耐盐性、黄瓜的抗寒性^[24]、水稻^[25]，玉米^[26]，花椰菜^[27]和大豆的^[28]耐旱性以及鹰嘴豆的热应激^[29]等，使得COR在大田作物的抗逆增产应用中具有重大潜力。

图 5 冠菌素提高小麦在高温环境的耐热性^[10]

三、COR冠菌素首次获得正式登记

根据中国《农药登记管理办法》，在中华人民共和国境内生产、经营、使用的农药应当取得农业农村部颁发的农药登记证，鼓励和支持登记安全、高效、经济的农药，加快淘汰对农业、林业、人畜安全、农产品质量安全和生态环境等风险高的农药。

2021年9月3日，根据中国《农药管理条例》、《农药登记管理办法》等有关规定，经严格的技术评审、中国农药登记评审委员会的评审，农业农村部农药检定所（ICAMA，Institute for the Control of Agrochemicals，MOA）批准新朝阳提交的98%冠菌素原药和0.006%冠菌素可溶液剂登记申请，颁发《农药登记证》（图6），这意味着冠菌素这一跨时代的新型植物生长调节剂获得首次正式登记。

图 6 98%冠菌素原药和0.006%冠菌素可溶液剂登记证

四、COR冠菌素的产业化

早期由于COR产量低、成本高，产业化面临巨大困难。在中国国家″863计划″(国家高技术研究发展计划)和″十三•五″重点研发计划支持下，新朝阳和中国农业大学植物生长调节剂教育部工程研究中心历经近20年的科研攻关，构建比常规菌株产量提高5-10倍的高产冠菌素工程菌，解决发酵效价难题，最终在新朝阳建立起世界上第一条冠菌素发酵生产线，利用绿色高效的微生物发酵技术和生物合成技术突破生产技术瓶颈。同时利用膜浓缩、重结晶等方法优化冠菌素提取精制工艺，最终获得纯度98%以上的冠菌素原药^[30-31]，实现冠菌素的批量生产，以满足巨大的市场需求。

作为全球第一个实现产业化的茉莉酸类植物生长调节剂，COR冠菌素能够获得ICAMA的登记应用，说明中国对新型、安全、高效、经济的新型生物农药开发和应用的重视。通过对冠菌素在大豆低温种子处理，抗逆增产，柑橘、葡萄、苹果等转色增糖、脱叶、除草等领域的深入持续研究及转化应用，未来必将在提高全球粮食安全、农产品产量和品质中发挥积极和广泛的作用，也必将加快全球农业绿色转型，推动绿色农业生产，为全球农业绿色高质量发展做出重大贡献。

文献：

[1]     Pruess, D.L., et al., Antimetabolites produced by microorganisms. VII. L-(N5-phosphono)methionine-S-sulfoximinyl-L-alanyl-L-alanine. J Antibiot (Tokyo), 1973. 26(5): p. 261-6.

[2]     Uchytil, T.F. and R.D. Durbin, Hydrolysis of tabtoxins by plant and bacterial enzymes. Experientia, 1980. 36(3): p. 301-302.

[3]     Geng, X., et al., The phytotoxin coronatine is a multifunctional component of the virulence armament of Pseudomonas syringae. Planta, 2014. 240(6): p. 1149-1165.

[4]     Ichihara, A., et al., The structure of coronatine. Journal of the American Chemical Society, 1977. 99(2): p. 636-637.

[5]     Bender, C.L., F. Alarcón-Chaidez, and D.C. Gross, Pseudomonas syringae phytotoxins: mode of action, regulation, and biosynthesis by peptide and polyketide synthetases. Microbiology and molecular biology reviews : MMBR, 1999. 63(2): p. 266-292.

[6]     Brooks, D.M., et al., Identification and characterization of a well-defined series of coronatine biosynthetic mutants of Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. 2004. 17(2): p. 162-174.

[7]     Uppalapati, S.R., et al., The phytotoxin coronatine and methyl jasmonate impact multiple phytohormone pathways in tomato. 2005. 42(2): p. 201-217.

[8]     Katsir, L., et al., COI1 is a critical component of a receptor for jasmonate and the bacterial virulence factor coronatine. 2008. 105(19): p. 7100-7105.

[9]     刘庆霞, 李梦莎, and 国静, 茉莉酸生物合成的调控及其信号通路. 2012. 48(09): p. 837-844.

[10]   Zhou, Y., et al., Phytotoxin coronatine enhances heat tolerance via maintaining photosynthetic performance in wheat based on Electrophoresis and TOF-MS analysis. Scientific Reports, 2015. 5(1): p. 13870.

[11]   Boyer, J.S., Plant productivity and environment. Science, 1982. 218(4571): p. 443-8.

[12]   Melotto, M., et al., Plant Stomata Function in Innate Immunity against Bacterial Invasion. Cell, 2006. 126(5): p. 969-980.

[13]   Zheng, X.-Y., et al., Coronatine promotes Pseudomonas syringae virulence in plants by activating a signaling cascade that inhibits salicylic acid accumulation. Cell host & microbe, 2012. 11(6): p. 587-596.

[14]   Toum, L., et al., Coronatine Inhibits Stomatal Closure through Guard Cell-Specific Inhibition of NADPH Oxidase-Dependent ROS Production. 2016. 7(1851).

[15]   Harzallah, D., F. Dehbi, and L. Larous, The physiological development of the chlorotic lesion induced by coronatine. Meded Rijksuniv Gent Fak Landbouwkd Toegep Biol Wet, 2001. 66(2a): p. 249-56.

[16]   Schüler, G., et al., Coronalon: a powerful tool in plant stress physiology. FEBS Lett, 2004. 563(1-3): p. 17-22.

[17]   Du, M., et al., The Phytotoxin Coronatine Induces Abscission-Related Gene Expression and Boll Ripening during. 2014.

[18]   18.   Benedetti, C.E., et al., Differential expression of a novel gene in response to coronatine, methyl jasmonate, and wounding in the coi1 mutant of Arabidopsis. 1998. 116(3): p. 1037-1042.

[19]   19.   Fan, X., J.P. Mattheis, and J.K.J.P. Fellman, A role for jasmonates in climacteric fruit ripening. 1998. 204(4): p. 444-449.

[20]   Miyamoto, K., M. Oka, and J.J.P.P. Ueda, Update on the possible mode of action of the jasmonates: Focus on the metabolism of cell wall polysaccharides in relation to growth and development. 1997. 100(3): p. 631-638.

[21]   Burns, J.K., et al., Coronatine and abscission in citrus. 2003. 128(3): p. 309-315.

[22]   Feys, B.J., et al., Arabidopsis mutants selected for resistance to the phytotoxin coronatine are male sterile, insensitive to methyl jasmonate, and resistant to a bacterial pathogen. 1994. 6(5): p. 751-759.

[23]   23.   Duke, S.O. and F.E. Dayan, Modes of Action of Microbially-Produced Phytotoxins. 2011. 3(8).

[24]   Wang, L., et al., Coronatine enhances chilling tolerance in cucumber (Cucumis sativus L.) seedlings by improving the antioxidative defence system. 2009. 195(5): p. 377-383.

[25]   Ai, L., et al., Coronatine alleviates polyethylene glycol‐induced water stress in two rice (Oryza sativa L.) cultivars. 2008. 194(5): p. 360-368.

[26]   Wang, B., et al., Effects of coronatine on growth, gas exchange traits, chlorophyll content, antioxidant enzymes and lipid peroxidation in maize (Zea mays L.) seedlings under simulated drought stress. 2008. 11(3): p. 283-290.

[27]   Wu, H., et al., Physiological evaluation of drought stress tolerance and recovery in cauliflower (Brassica oleracea L.) seedlings treated with methyl jasmonate and coronatine. 2012. 31(1): p. 113-123.

[28]   Hao, L., et al., Coronatine enhances drought tolerance via improving antioxidative capacity to maintaining higher photosynthetic performance in soybean. 2013. 210: p. 1-9.

[29]   Ceylan, H.A., I. Türkan, and A.H.J.J.o.P.G.R. Sekmen, Effect of coronatine on antioxidant enzyme response of chickpea roots to combination of PEG-induced osmotic stress and heat stress. 2013. 32(1): p. 72-82.

[30]   段留生等，2016，一种从发酵液中提取和精制冠菌素的方法.

[31]   段留生等，2011，一种从发酵液中纯化提取冠菌素的方法.