“植物疫苗”與傳統化學農藥相比有何不同?近距離認識“植物疫苗”
2017年11月24日07:57

  植物與病原菌相互作用中產生的寡糖素信號。

  在成長過程中,植物同動物一樣,會受到極端環境的刺激和昆蟲、病原菌等侵襲。雖然植物不能移動躲避,但在漫長的進化中,它們已逐步形成完備的免疫防禦系統。

  那麼,植物的免疫防禦系統是怎樣工作的呢?以植物抵禦病原菌入侵為例,作為對抗雙方的植物細胞和病原菌就像兩座城池,都建有堅固的城牆――細胞壁。在對抗第一階段,病原菌企圖瓦解植物細胞壁入侵,此時,植物會分泌出一系列多糖水解酶來破壞病原菌的細胞壁,以消滅病原菌。這一過程會產生很多寡糖類物質,植物由此啟動第一層免疫反應,分泌植保素、PR蛋白等殺傷力較強的物質對抗病原菌,並產生木質素等物質加厚細胞壁。

  在第二階段,病原菌受到植物抵禦後會改變戰略,分泌病毒效應蛋白干擾植物的第一層免疫反應。當然,植物不會坐以待斃,它會激活第二層免疫反應,加速和放大免疫,增強戰鬥力,抵禦病原菌入侵。這時,病原菌會繼續改變戰略,釋放另一種效應蛋白繼續入侵,而植物也會進一步加強自身防線,這一過程會循環往複,直至一方獲勝為止。

  這為科學家們帶來啟發:外源添加植病對戰過程的一些寡糖、蛋白等物質,是不是可以激活植物的免疫防禦系統,達到增強植物抗病性的目的呢?經過長期研究,這個推測得到了肯定回答。科學家們發現了一系列物理、化學或生物的因子都能夠激活植物的免疫防禦系統,從而誘導植物對寒冷、乾旱等極端天氣進行防禦,對病原菌的侵襲產生抗性。這些因子被定義為誘導子,也被形象地稱為“植物疫苗”。

  研究發現,“植物疫苗”的物質來源十分廣泛,除了一些滅活的病原菌、效應蛋白外,還包括自然界中一些天然產物,例如在植物與病原菌互作過程中產生的寡糖。通過利用自然界中富含多糖的海藻、果膠、微生物等資源,可以大規模製備得到系列寡糖類物質,再經過模擬自然界中植物與病原菌互作的情況,外源噴灑寡糖就可激活植物自身免疫系統,增強抗病性。因此,“植物疫苗”同人類疫苗一樣,都以預防為主,通過激活植物免疫系統來抵禦病原菌入侵,減少化學農藥的使用,是一種新型生物農藥。

  那麼,“植物疫苗”與傳統化學農藥相比有哪些不同呢?傳統化學農藥直接作用於病原菌,雖然效果明顯,但可能導致病原菌產生耐藥性,進而需要不斷加大劑量控製病害,造成環境汙染和農藥殘留。“植物疫苗”相當於通過為植物注射疫苗提高其免疫抗病能力,因此具有諸多優勢:使用濃度低、對人體無害、沒有農藥殘留、不汙染環境;誘導抗病效果顯著,持效期長、作用廣譜;病原菌不會產生抗藥性,對不具有致病性的微生物無影響,有利於生態平衡和環境保護;此外,還可以與常規殺菌劑配套使用,減少農藥使用量。

  目前,科研工作者著力開發多種“植物疫苗”,包括寡糖、蛋白、小分子化合物等一系列產品已被研發並投入實際應用。近日,中科院大連化物所研究團隊基於在糖工程與植物保護領域多年研究基礎,創製了一系列高效多糖降解酶,建立了系列寡糖的製備技術,並率先提出“糖鏈植物疫苗”概念。他們還與企業合作,開發出系列寡糖農用製劑,產品已在山東、陝西、海南等地多種作物上大面積推廣,取得了顯著經濟效益與社會效益。

  隨著人們日益重視食品安全,不斷呼喚綠色農業生產,相信在全社會共同努力下,這一新型生物農藥會在我國農業生產中一顯身手,為構建綠色低碳社會貢獻力量。

  (原文來源:經濟日報 作者:賈曉晨 單位:中科院大連化物所)

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