[科普中国]-植物凝集素

定义

植物凝集素最早发现于1888年，Stillmark在蓖麻(Ricinus communis L．)籽萃取物中发现了一种细胞凝集因子，它具有凝集红细胞的作用。它是一类具有特异糖结合活性的蛋白，具有一个或多个可以与单糖或寡糖特异可逆结合的非催化结构域。根据植物凝集素亚基的结构特征，植物凝集素分成4种类型：部分凝集素、全凝集素、嵌合凝集素、超凝集素；根据氨基酸序列的同源性及其在进化上的相互关系，植物凝集素分为7个家族：豆科凝集素、几丁质结合凝集素、单子叶甘露糖结合凝集素、2型核糖体失活蛋白、木菠萝素家族、葫芦科韧皮部凝集素和苋科凝集素。

植物凝集素可识别并结合入侵者的糖结构域，从而干扰该入侵者对植物产生的可能影响；植物凝集素的糖结合活性是针对外源寡糖，参与植物的防御反应。许多植物凝集素可结合到诸如Glc、Man或Gal的单糖上，尤其对植物中不常见外来的寡糖具有更高的亲和性。例如：结合几丁质植物凝集素识别真菌细胞壁及无脊椎动物的外骨骼成分中的碳水化合物。另外，许多凝集素在较高PH范围内稳定、抗热、抗动物及昆虫蛋白酶等等。有些凝集素甚至是完全稳定的蛋白质，如从刺苟麻茎中分离出的凝集素在三氯乙酸中保持稳定，沸煮也不会失活。Peumans等(1998)认为大多数植物凝集素存在于储藏器官中，它们既可能作为一种氮源，也可以在植物受到危害作为一种防御蛋白发挥功能。因此植物凝集素是植物防御系统重要的组成部分，在植物保护上起着重要作用。笔者就植物凝集素在植物保护上的研究进展作一综述。1

分类豆科凝集素豆科凝集素特指一类在豆科植物中发现的植物凝集素(并不是所有来自豆科植物的凝集素都是豆科凝集素)，已发现存在于70多种植物中，是目前研究得最清楚的凝集素家族。大多数豆科凝集素存在于植物的成熟种子中，但在叶、茎和根等组织器官中也有发现，并且，一些豆科植物还具有多种凝集素。

豆科凝集素均由2～4个亚基组成，大多数亚基为250个氨基酸残基构成的分子量约为30 kDa的单链蛋白，部分亚基会在特定位点断裂成2个多肽链，据此，又可将豆科凝集素分为单链豆科凝集素和双链豆科凝集素。豆科凝集素是唯一一类具有特定二价金属结合位点的凝集素，每个亚基都结合有一个Mn2+和一个Ca2+，它们对凝集素的糖结合活性发挥至关重要的作用，金属离子并不直接与糖类相互作用，而是协助稳定糖结合结构域。并且，在所有豆科凝集素的亚基中，结合金属离子的结构域的缬氨酸和天冬氨酸的量是十分保守的。

几丁质结合凝集素几丁质结合凝集素含有至少一个橡胶素结构域，橡胶素是从巴西橡胶树乳管细胞的黄色体中发现的分子量约为4.7 kDa的小分子酸性凝集素。

目前，已在荨麻科、禾本科、罂粟科、商陆科和茄科中发现几丁质结合凝集素。根据含有的橡胶素结构域的个数，几丁质结合凝集素又可分为只含有一个橡胶素结构域的部分凝集素及常见的含有多个橡胶素结构域的全凝集素，它们具有高度的序列同源性。

单子叶植物甘露糖结合凝集素单子叶植物甘露糖结合凝集素是一个严格甘露糖结合特异性的凝集素超家族，目前已在葱科、石蒜科、天南星科、凤梨科、百合科和兰科这六个单子叶植物家族中发现。构成此家族凝集素的亚基有相似的序列和三级结构，而凝集素本身的整体结构由于亚基的大小差距甚大。根据亚基大小，这一家族的凝集素可分成2个亚族：由含有一个结构域的分子量为11～14kDa的亚基组成的凝集素以及由具有2个结构域的分子量约为30 kDa的亚基组成的凝集素．第二个亚族又可根据亚基2个结构域的相似程度继续细分为具有2个相同或高度相似结构域和2个不同结构域的凝集素。

木菠萝相关凝集素木菠萝素是从木菠萝种子中分离得到的一种凝集素，具有半乳糖结合特异性。木菠萝相关凝集素家族是与木菠萝素的结构和进化关系相近的一系列凝集素的统称，这一家族的凝集素分为2个亚群：与木菠萝素相似的具有GalNAc特异性的桑科种子凝集素。以及序列与桑科种子凝集素相似但糖结合特性相异的旋花科和菊科等凝集素，这一类凝集素具有甘露糖/麦芽糖结合特异性。

葫芦科韧皮部凝集素葫芦科韧皮部凝集素发现于葫芦科植物的韧皮部，是由2个分子量约为25 kDa的非糖基化亚基组成的二聚体几丁质结合凝集素，可识别GlcNAc寡聚糖，并且寡聚糖对凝集素活力的抑制程度随糖链延长而增强。目前还未有此家族凝集素的完整序列被准确测定。

苋科凝集素苋科凝集素家族较小，只存在于一些苋科植物中，目前发现不超过10种，均具有GalNAc结合特异性，并且在氨基酸序列及三维结构上与其他植物凝集素都存在差异。苋科凝集素都是由2个同源的亚基以头一尾方式排列形成的二聚体。2

功能特性对植物病原菌的作用植物凝集素作为微生物与植物的共生介质，可防止植物病原菌对植物的危害；Mishkid等(1982)研究发现，植物凝集素常积累于病原菌易侵染的部位，预示着凝集素可能参与对病原菌的防御。

对植物病原真菌的作用已有实验证明，植物凝集素能结合真菌细胞、抑制孢子萌发和菌丝体生长。植物凝集素对真菌的抗生效应可能与它特异结合暴露于真菌细胞壁表面的糖复合物并导致真菌细胞壁及菌体结构形态改变有关，凝集素可与真菌表面的葡聚糖、半乳糖、甘露糖等多糖结合，干扰真菌细胞壁的合成，影响其细胞的正常代谢。Peumans和Van Damme(1995)进行的体外研究表明，麦胚凝集素(WGA)抑制绿色木霉的孢子萌发和菌丝生长，狭叶荨麻凝集素抑制灰葡萄孢、钩状木霉和布拉克霉的生长。刘士庄等(1996)报道，棉花种子中凝集素含量与棉花抗枯萎病能力呈正相关，分离纯化的棉花凝集素能明显凝集枯萎病菌分生孢子，并抑制其萌发。曾日中等(1998)指出橡胶蛋白和其它植物凝集素一样也具有抗真菌活性，可以抑制病原菌的侵染和生长，起到保护橡胶树乳管的作用。余萍等(2004)研究发现狗脊蕨凝集素(w儿)对玉米大斑病菌有抑制作用。

对植物病原细菌的作用由于细菌细胞壁的作用，凝集素不能进入细菌细胞质，因此不能改变细胞膜结构或渗透细胞膜扰乱侵人微生物的正常细胞间进程。植物凝集素是通过一种基于与细胞壁糖类，或细胞外聚糖相互作用的机制对细菌构成抗生效应。Sequeira(1977)等报道马铃薯凝集素能抗青枯假单胞菌；Broekaet (1986)等提出，刺苹果种子凝集素可使幼根免受细菌侵染。Ayouba等(1994)研究指出，几种豆科植物种子凝集素可与细菌细胞壁肽聚体(胞壁酸、N一乙酰胞壁酸、胞壁酰二肽等)发生强烈的相互作用。余萍等(2004)研究发现狗脊蕨凝集素 (wJL)对甘薯薯瘟病原细菌生长具有抑制作用。

对植物病毒的作用植物病毒不含聚糖，没有凝集素的作用位点，因此植物凝集素对植物病毒无抑制作用。Peumans和Van Damme(1995)综述道，一种称为核糖体失活蛋白型的特殊类型凝集素对植物病毒具有抑制活性，其机理尚不清楚。但有杀虫活性的凝集素可能会阻止或减少虫传播病毒病害的传播。

对植物病原线虫的作用这方面研究相对较少，仅常团结等(2002)报道纯化的雪花莲外源凝集素(GNA)可以抗植物病原性线虫。

对昆虫的作用植物凝集素对昆虫如同翅目昆虫及动物产生毒害的机理还不清楚，一般认为植物凝集素可能通过和糖蛋白，如和昆虫围食膜表面、消化道上皮细胞的糖缀合物、或糖基化的消化酶等结合，从而影响昆虫、动物对营养吸收，促进消化道中细菌的繁殖和诱发病灶，抑制昆虫的生长发育和繁殖，最终达到杀虫、或对动物产生毒害的作用。

菜豆凝集素(PHA)是第一个被描述的具有抗虫性的植物凝集素。有趣的是，PHA对豆象幼虫具有毒性的结论是基于一个错误的实验结果，后来研究发现这种防卫作用是由于含有A一淀粉酶抑制剂的缘故(Huesing等1991 。如今许多实验表明，来源于麦胚、马铃薯块茎、核桃、沙棘、水稻和刺荨麻的凝集素对豌豆象甲幼虫和豇豆象甲幼虫的生长有抑制作用。WGA和紫色羊蹄甲种子凝集素在浓度很低时对欧洲玉米螟新生幼虫就有致死作用；从雪花莲和大蒜提取的凝集素对豇豆象鼻虫和烟草天蛾幼虫有毒性。雪花莲凝集素(GNA)等对咀嚼式昆虫和刺吸式昆虫都有致死作用。黄大叻等 (1997)报道来源于掌叶半夏和半夏的凝集素对麦长管蚜、禾缢管蚜、棉蚜和桃蚜等有致死活性。王伟等(1998)获得同时表达P—lec(豌豆外源凝集素基因)和CpT1(豇豆胰蛋白酶抑制剂)的双价转基因棉花，棉铃虫的存活率、平均体重、生物总量及蜕皮指数均明显低于对照。毛雪等(1999)利用全纯营养液饲养蚜虫技术明确鉴定了棉花凝集素 (GHA)、蓖麻凝集素(ACA)、天南星凝集素(AMA)和伴刀豆凝集素(ConA)对棉蚜和麦长管蚜的抗生作用，尽管所测凝集素半致死浓度有差异。对于长角叶甲，Czapla实验表明WGA、BPA可抑制40%

的虫重，来源(EHL)凝集素在2%水平上致死率为100%，但由于EHL的热不稳定性，后来的实验结果有些不一致；在0．1%水平上雪花莲凝集素(GNA)、WGA对1龄、3龄灰、褐飞虱作用都非常明显，同对照相比死亡率大于75%；WGA对黑尾叶蝉的致死率为l5%，GNA的致死率为87%；Powell等人以GNA、WGA 0．1%(w/v)人工饲料饲喂灰、褐飞虱，24h内降低蜜汁分泌96%，而且GNA的抗性效果最佳；但豌豆凝集素对黑尾叶蝉成虫则没有效果；此外WGA、豌豆凝集素等5种凝集素也能减少马铃薯叶蝉成活时间。最近的工作发现刺吸式口器昆虫如椰粉虱、叶蝉、蚜虫等对一些单子叶植物甘露糖结凝集素敏感。刘红霞等(2004)研究发现刺槐种子凝集素对舞毒蛾幼虫的营养代谢有较强的抑制作用。

对高等动物捕食者的作用同昆虫一样，高等动物消化道上布满了细胞膜糖蛋白及高度糖基化的粘蛋白，这就成了植物凝集素的无数作用位点，保护植物免受食草动物侵食。如动物食用植物血细胞凝集素(PHA)或生豆后会引起急性恶心伴有呕吐和腹泻，以至于动物宁肯挨饿也不食用含PHA饲料。3

应用及前景在生物学研究方面的应用植物凝集索由于专一的识别某一特定单糖或多糖中的特定糖基序列，不仅用于分离纯化，也用于糖链的结构分析。它们可识别糖链的不同类型、不同核心结构，探测糖链分布，选用多种凝集索反复核对糖链的结构可获得较为准确的结论。利用凝集素亲和层析。亲和电泳和抗体凝集素酶免疫测定凝集素和糖链结合的强弱。细胞表面的糖链结构因细胞种类、分化阶段或功能状态而异，因此可以利用凝集素分离无损伤，高存活率，高产量的特定结构细胞亚群。在免疫学上植物凝集索还是不可缺少的促淋巴细胞有丝分裂剂。在神经学科上，研究神经元表面结构，外周神经元损伤带来的后果及其修复机制，细胞神经递质受体等。

医药方面的应用在某些恶性肿瘤中，某些蛋白如原发性肝癌中N一糖链发生变化，以此作为肿瘤诊断和鉴定。某些植物凝集素具有毒性，研究人员将完整的毒素分子或α链作为弹头，利用化学偶联剂与单克隆抗体制备成免疫毒素。免疫毒素可用于骨髓移植，体外清除其中的T细胞进行异体移植，清除其中的癌细胞进行自体移植，并防止减轻移植物抗宿主病。因此，在基因水平对小分子抗体和高活性的毒素弹头相偶联，将为肿瘤的导向治疗提供新途径。除抗体外，一些细胞因子和特定的糖链也可以作为导航装置，也有将人绒毛促性腺β亚基和RTA相偶联的报道。

在农业抗虫方面的应用目前已经克隆了一些对害虫抗性较好的基因，并取得一些进展。在植物中表达凝集素要求相对高的水平才具有较好的抗虫效果，构建强的高效表达载体，采用合适的强启动子，针对害虫取食是韧皮部都可采用特异性表达启动子，或与其它的杀虫蛋白相结合提高抗性。但植物凝集素对刺吸式害虫的杀虫性还不尽人意，有必要深入研究其作用机理，制定相应策略提高抗虫效果，着手新的抗虫植物凝集素的克隆。与此同时，转基因作物的安全有待进一步证实。

糖工程是继70年代基因工程，80年代蛋白质工程之后的第三个前沿领域，植物凝集素在糖生物学研究中作为信息识别分子倍受瞩目。随着凝集素数据库的建立，糖链结构分析，糖链合成方法学，X-ray单晶衍射的发展，将有更多的凝集素的三维立体结构，糖识别机制得以阐明。凝集素对糖识别机制的研究必将推动分子生物学、细胞生物学、病理学、免疫学、神经生物学、发育生物学等学科的发展。24

结语随着人们长期单一地在作物中导人某个基因，如Bt基因，又出现了新的问题。一是应用这类基因不能有效防治有些害虫，如引起同翅目蚜虫在转Bt棉上的再猖獗现象；二是某些害虫已对这类长期使用的基因产生了抗性，如鳞翅目的棉铃虫和小菜蛾已对Bt基因产生了不同程度的抗性。这种情况下，植物凝集素以其具有对鳞翅目、特别是对同翅目蚜虫、飞虱、叶蝉等刺吸式口器害虫及一些微生物有防效，对环境无污染，稳定性好及对高等动物相对安全等优点，为防治病虫害开拓新思路。不可否认，植物凝集素作为植物基因工程的一部分，将在培育抗病虫品种、发展可持续农业中大显身手，植物凝集素更多的应用于转基因抗虫品种的培育，抗病品种筛选上还有待于突破。另一方面，植物凝集素对刺吸式害虫的杀虫性还不尽人意，如抗虫性不强、抗虫谱不广等，因此有必要深入研究其作用机理，制定相应策略提高抗虫效果。

外源凝集素基因是一组广泛存在于植物组织中的蛋白质成分，在储藏器官和繁殖器官中的含量尤其丰富。外源凝集素对植物有许多很重要的生理作用，其中在作物害虫防治方面所能表现出的作用是保护功能，即在植物生长的各个阶段，外源凝集素以不同的方式保护植物免受害虫的侵害。研究结果表明，外源凝集素主要存在于植物细胞的蛋白粒中，一旦被害虫摄食，外源凝集素便会在昆虫的消化道内释放出来，并与肠道围食膜上的糖蛋白相结合，影响营养物质的正常吸收。同时，还可能在昆虫的消化道内诱发病灶，促进消化道内细菌的增殖，对害虫本身造成为害，从而达到杀虫的目的。因而引起了人们对探讨外源凝集素基因在抗虫植物基因工程中应用的极大兴趣。人们已分离出多种外源凝集素基因，然而由于多种外源凝集素对人和哺乳动物有较强的毒副作用，因而在生产上应用较少。但也有一些特例，其中豌豆外源凝集素和雪莲花外源凝素（GNA）对人的毒性极低，但对害虫却有极强的抑制作用，因而倍受人们的重视。现已证明GNA对稻褐飞虱、黑尾叶蝉有极强的毒杀作用，同时还能抑制蚜虫的生长。因而通过植物基因工程技术将GNA基因导入到植物体内，以培育出对稻褐飞虱、蚜虫等刺吸式害虫有抗性的转基因植物。到目前为止，已有至少10种植物获得了转GNA基因抗虫植株，它们分别是油菜、西红柿、水稻、甘蔗、甘薯、向日葵、烟草、马铃薯、大豆和葡萄等，均表现出一定的抗虫性。56