我国植物免疫诱导剂产业化发展现状

日期:11-01-2023

作者：云中君

植物在大多数的陆地生态系统中属于生产者，形成食物链的基本。自然界中许多生物，如细菌、真菌、植物病毒、原生生物、昆虫和脊椎动物等都以植物作为其生存所必须的营养来源。对人类来说，植物为人类提供粮食和营养的同时，还提供了其他生产生活必不可少的物质材料，如，木材、纺织纤维、燃料、橡胶、药品、化妆品等。与其他生物不同，植物不能通过移动来躲避伤害。那么面对各种外来伤害，植物只能被动承受攻击吗？植物是否具备主动防御的能力呢？实际上植物在漫长的进化过程中形成了一系列外部和内部的防御机制。了解植物如何抵御病原微生物以及某些植食性草昆虫所造成的侵害，对于植物保护至关重要。

1、植物如何防御外界侵害

物理屏障

植物的细胞壁、表皮蜡质层及角质层、以及坚硬的树皮等结构在为植物生长提供物理支撑的同时也成为了植物先天的防御屏障。

植物细胞壁作为细胞外复杂交联网络，为植物细胞生长、发育以及适应环境变化提供机械支撑，具有调节植物形态、抵抗胁迫、运输水分等功能。植物光合作用积累的生物质大部分贮藏在细胞壁中。除此之外，病原真菌入侵植物时，其细胞壁中的几丁质会被植物几丁质酶水解成几丁质寡糖，这些寡糖被植物细胞膜受体识别，进而引发植物自身免疫响应，进攻病原真菌。

植物免疫系统

植物在与病原菌长期″博弈″的过程中，进化出了免疫系统。植物具备多重复杂的监测机制，以识别环境伤害或病原微生物入侵，并在这些伤害或入侵造成更严重损害之前迅速做出反应，如产生有毒化学物质、产生病原物降解酶、以及局部组织死亡（细胞程序性死亡）以限制伤害的进一步扩展等。这个监测系统与特定的先天防御响应机制有关，被称为基础抗性，也称为先天免疫，是保护植物免受侵害的第一道组织内的可诱导的防御系统。

植物第一层免疫系统是由细胞膜表面定位的模式识别受体（PRRs）直接识别病原体相关分子模式（PAMPs）而触发植物的免疫系统（Pattern-Triggered Immunity，PTI）。这些分子模式（PAMPs）包括细菌鞭毛蛋白、细菌延伸因子、真菌几丁质多糖、真菌木聚糖酶以及内源激发多肽等，其结果是触发植物细胞免疫系统，分泌相关物质，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、茉莉酸等多种植物内源激素来抵抗病原菌。由于这些分子成分普遍存在于植物细胞中，病原微生物、非病原微生物及不利环境因素都能触发植物的基本抗性，不具有特异性，PTI主要在病原菌侵染初期起作用。

作为对策，成功入侵的病原菌会通过向植物细胞内分泌一类毒性蛋白，从而反过来攻击植物的免疫系统，以抑制宿主免疫，以利于病原菌侵染植物。所谓″魔高一尺道高一丈″，植物进化出细胞内核苷酸结合和富亮氨酸重复序列受体（NLRs）能够感知病原菌的一些毒性蛋白（效应因子），并激活效应因子触发植物的第二层免疫系统（称为ETI），激活更强烈的免疫反应来抵抗病原菌的攻击。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。病原体又可能通过进化去除效应因子或效应因子多样化，来逃避或抑制ETI。在漫长的进化史中，二者在斗争中共同进化。Jones等人在2006年提出了植物免疫系统的″之字形″模型（″zig-zag-zig″ model）。

植物免疫系统的″之字形″模型(Jones et al., 2016)

超敏反应

与非病原微生物相比，病原微生物能够抑制或突破某些特定植物基本抗性。在这种情况下，植物的另一种防御方式超敏反应（hypersensitive response，HR）可能会被激发。超敏反应的特点是通过受感染部位植物细胞的快速死亡来限制病原菌获得水分和养分，从而使得植物未受感染的部分继续生长。

超敏反应通常比基础抗性更具病原特异性，病原细菌、真菌、病毒和线虫都能够在其寄主植物中诱导超敏反应。一旦超敏反应被触发，植物组织可能会在很长一段时间内对相对广泛的病原体产生高度抗性。

基因沉默

除了上述防御机制外，在面对植物病毒的侵入时，植物还可以启动基因沉默的防御机制。许多病毒在宿主细胞中复制时产生双链RNA或DNA。植物可以识别这些外源小片段遗传物质，并通过将这些遗传物质消解成无用的片段，从而阻断病毒复制。植物病毒通常会造成植株黄化和叶片斑驳，但如果基因沉默机制成功启动，这些症状可能最终消失。此外，植物可能会保留一个外源的基因链模板，以便对未来类似病毒的攻击做出快速反应，这一过程类似于脊椎动物免疫系统。

  

系统获得性抗性（SAR）

病原体不仅在局部触发防御反应，而且会还诱导水杨酸（Salicylic acid，SA）、甲基水杨酸（Methyl salicylic acid，MeSA）、壬二酸（Azelaic acid，AzA）、甘油-3-磷酸（ Glycerol-3-phosphate，G3P）和阿异烷二萜脱氢阿异酸（Abietane diterpenoid dehydroabietinal，DA）等信号的产生。激素信号会导致未受病原体侵染的远端组织中抗病基因的系统性表达，以保护植物的其余部分免受继发性感染。这种现象被称为系统获得性抗性（Systemic acquired resistance，SAR）。SAR也可以通过外源性施加激素SA或其合成类似物2,6-二氯异烟酸（INA）和苯并噻二唑S-甲酯（BTH）诱导。SAR与动物的特异性免疫不同，它对致病性真菌、卵菌、病毒和细菌具有广谱的抗性。SAR赋予植物的免疫″记忆″可以持续几周到几个月，甚至可以通过表观遗传调控遗传给后代 。

与ETI相比，SAR不会导致细胞死亡，而是促进细胞存活。SAR的发生与大量的转录重编程相关，这依赖于转录辅助因子NPR1（Nonexpresser of PR genes 1）及其相关转录因子（TF），如TGAs。(Fu et al., 2013)。尽管进行了大量的研究，但我们对SAR信号通路的认识仍有许多空白。

诱导系统抗性（Induced Systemic Resistance，ISR）

它是由某些植物根际非致病细菌或根际益生菌（Plant Growth Promoting Rhizobacteria, PGPR）所诱导的或增强的防御反应。这一过程的特征是不依赖于水杨酸途径，也不合成病程相关（pathogenesis related，PR）蛋白，但它是植物特异性的，其表现效果依赖于植物基因型。ISR过程涉及到植物激素茉莉酸和乙烯的参与调节。茉莉酸可调节植物对生物和非生物胁迫的反应，包括来自病原微生物的攻击。有时茉莉酸会以挥发性化合物的形式被释放，可到达植物各部位以及附近的其他植物，通过这种方式形成警告并触发植物的防御反应。伤害或被病原微生物攻击还会刺激乙烯的生物合成，然后启动有利于植物的防御反应，如快速衰老、成熟和脱落，如叶片或果实突然脱落等。

两种诱导抗性模式的比较：

ISR是由茉莉酸和乙烯分子信号传导途径协同作用而产生的，非病程相关蛋白表达过多。ISR形成的防御水平与寄主植物的基因型和根际非致病菌种类有关，但总体而言抗性水平相对较低。

SAR激发了植物得水杨酸途径，同时PR蛋白被合成。SAR所形成的防御水平较高、持久、广谱且与植物基因型无关，但先决条件是病原微生物造成植物组织局部坏死，或存在一些诱导剂类似物。

研究表明，ISR和SAR共同作用时能产生比单独作用更高水平的防御能力。

2、植物免疫激活剂分类

 

植物免疫与植物免疫激活剂

能够激活植物产生免疫反应的物质又可称为激发子，笔者详细整理如下：

小分子化合物：植物激素及其衍生物（水杨酸（SA）、生长素（IAA）、萘乙酸（NAA）、苯并噻二唑S-甲酯(BTH)、油菜素类固醇（BR）等）、天然次生代谢物及其衍生物（AHO、DSF、ZNC等）。

糖类：多糖（果胶（低聚半乳糖醛酸等）、壳聚糖、β-葡聚糖、海藻酸盐、几丁质等）、寡糖（壳寡糖、葡寡糖、几丁寡糖等）、脂多糖（多种微生物来源LPS、JY001等）。

蛋白质和肽：多肽（鞭毛肽段flg22等）、蛋白（超敏蛋白Harpin、极细链格孢蛋白、隐地蛋白、VDAL等）、卵菌蛋白、糖蛋白。

其他：微生物、脂、核酸(鸟嘌呤糖苷)、维生素B1、无机盐、非蛋白质氨基酸、壬二酸、二氢卟吩铁、3-磷酸甘油和脱氢松香醛等。

3、部分植物免疫激活剂的作用原理

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。

极细链格孢蛋白是从天然菌株真菌中提取出的高活性免疫诱抗蛋白，通过外源施用，可有效诱导激活植物自身免疫系统（PTI/ETI），增强抗病相关基因上调，促使植物细胞分泌水杨酸、茉莉酸、乙烯、几丁质酶、蛋白溶解酶及植物内源激素，调控细胞内部磷酸化与活性氧过程，进而达到抗病、抗逆、增产的效果。

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。

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。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、激活SA生物合成及信号通路等途径提高植物防御能力。

         

4、植物免疫制剂的产业化现状

农药方面分析

植物免疫诱抗剂（生物类）在我国农药领域是划分为生物化学农药管理，截至目前我国农药方面登记具有免疫诱抗功能的产品占比较少，主要有活化酯、烯丙苯噻唑、tiadinil、异噻菌胺（isotianil）、氨基寡糖素、毒氟磷、氟唑活化酯、超敏蛋白、极细链格孢蛋白、几丁寡糖素、酰氨寡糖素（国际首个批准登记的诱导抗虫生物农药）、几丁聚糖、低聚寡糖、葡聚烯糖、石榴葡聚糖、云芝葡聚糖等、香菇多糖等。有些植物生长调剂在登记方面也强调了具有提高抗病性的功能，比如：S-诱抗素、二氢卟吩铁（叶绿素类衍生物）、谷维菌素等。随着政策鼓励和科研水平的不断提升，目前也有些新的产品在尝试性的进行农药登记工作，比如″鸟嘌呤糖苷″、″VDAL（来源于棉花黄萎病菌—大丽花轮枝菌）″等。笔者结合市场情况，以生物农药为例，具体分析几个比较成熟的产品：

  

部分产品登记信息

阿泰灵-免疫诱抗领域爆品，年销售额突破1.5亿元。

中国农科院植保所创制了我国首个自主知识产权的蛋白质免疫激活剂-极细链格孢激活蛋白，2017年取得临时登记（商品名：阿泰灵），2018年获得正时登记。是目前我国登记的唯一原创蛋白质免疫激活剂农药。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。据悉邱德文团队仍在持续开发免疫诱抗类新产品，后续为大家专题介绍。

         

氨基寡糖素-免疫诱抗领域登记最多的品类。

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，这些物质能抑制和杀灭病菌生长，达到抗病目的。截止至2020年4月，据中国农药信息网公开数据显示，共240个糖类生物农药类登记证，具体类别如下：

1）氨基寡糖素的生物农药共有登记证78个（其中单剂56个，混剂22个）

按照农药类别可分为：杀菌剂、杀线虫剂、植物抗性诱导剂、植物生长调节剂

2）糖类生物农药（单剂）共有登记证129个

按照农药类别可分为：杀菌剂、植物抗性诱导剂、植物生长调节剂、植物诱抗剂

3）糖类生物农药（混剂）共有登记证33个

按照农药类别可分为：杀虫剂、杀菌剂、杀线虫剂、植物生长调节剂

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。同时不同浓度的壳寡糖基聚合物可作为保鲜剂，如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。

在氨基寡糖素行业发展中中科院体系可谓是做出了突出贡献，笔者稍作分享。

第一阶段：1994年中科院大连化学物理研究所1805组启动寡糖项目，聚焦于功能糖的活性发现、机理研究、产品开发与产业化；

第二阶段：2001年，创建了基于膜分离耦合与生物酶解的技术体系，实现了吨级壳寡糖中试生产。成果转化落地大连凯飞，孵化了商标名为″好普″的产品；

第三阶段：2005年，与海南正业合作，孵化了″海岛素″产品。建立了氨基寡糖素的农业部行业标准。国际上率先提出了糖链植物疫苗的概念；

第四阶段：2017年，中科院过程所第三代技术落地苏州，成了中科荣信与中科荣耀，致力于基于结构创新的糖基植物免疫诱导剂产品创制与开发，实现了褐藻寡糖产业化；

第五阶段：在国家重点研发计划项目的支持下，打通了几丁寡糖素与酰氨寡糖素的生物合成路径，成功获批了四个新农药登记证（2个原药、2个制剂），目前登记在中科荣信旗下。值得一提的是酰氨寡糖素是国际首个批准登记的诱导抗虫生物农药。

         

肥料方面分析

近些年在国家政策引导下，我国″十三五″在农业领域陆续研发出了一批具有免疫诱抗功能的产品，由于农药登记规则要求，对于新成份的化合物登记较为严格，不仅花费时间长，同时成本费用高。进而导致许多新产品转向了肥料领域，加之农药原药价格、传统大肥价格波动大，特肥市场被一众看好，促进了以增效剂为定位的细分领域发展。比如激活蛋白、ZNC、VDAL、肽（多肽、寡肽）、酶、5-ALA、聚谷氨酸、寡糖等均以不同形式（增效剂、叶面肥等）进入市场。在次不再举例说明。

5、植物免疫制剂的产业存在的问题

目前植物免疫诱导剂亟待解决的科学及技术问题

关键科学问题：

明确信号通路以及植物免疫诱导剂在植物体内的完整反应和影响；

明确不同植物在应对不同类型伤害时的防御机制；

植物免疫诱导剂的结构与作用靶标精准识别及新靶标挖掘；

病原微生物/害虫-作物-免疫诱导剂互作之间的进化调控规律。

 关键技术问题：

发掘和改造抗病新基因的关键技术。包括抗病种质资源的大规模收集和创制、抗病基因的快速发掘、感病基因的编辑改造、病原菌诱导型表达原件的利用和抗病受体蛋白的改造等；

植物免疫诱抗蛋白受体库建立、先导化合物设计及其高通量活性筛选与评价；

免疫诱导剂的稳定性、货架期、绿色制备及其规模化清洁生产关键技术突破；

免疫诱导剂制剂优化、田间应用技术及复配应用技术。

目前植物免疫诱导剂亟待解决的市场行业问题

市场问题：

市场上类似产品混乱，部分产品过度宣传，夸大功效；

侵权现象突出，如核心产品技术侵权、包装侵权、知识产权侵权等。部分产品无相关核心技术，却标注有免疫诱抗功能。缺乏植物免疫诱抗领域产品的系统性监管。

行业问题：

免疫诱抗领域缺乏相应的检测方法和行业标准，不利于产品的鉴别；

免疫诱抗领域缺乏聚焦行业组织/协会，行业专家、企业交流不充分，不利于行业良性发展。

 

结语

植物免疫诱抗剂通过激发植物自身的潜能而达到病虫害防治的作用。由于其特殊的作用机理，这一类物质对于环境和非靶标生物的影响很小，非常符合可持续农业的要求。随着对植物诱抗剂研究的进一步深入，相关产品开发技术的提升，相信未来植物诱抗剂在农业生产中会发挥更大的作用。