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1、壳寡糖简介（一位教授的信，实际效果不知）1寡聚糖对植物的生长调节作用长期以来由于认为糖在生物有机体的作用远在核酸及蛋白质之下，故其功能一直未得到应有的重视。近年来，发现生物体内绝大多数蛋白质表面都连有数目不等的寡糖链(一般将少于12个糖基的糖链称为寡糖，多于12个糖基者称为多糖)，这些寡糖在许多生命过程中都具有重要的功能，如参与蛋白质的折叠、维系空间结构、介导特异的识别过程(细胞识别和分子识别)；作为某些重要生物大分子的保护性储存库(某些生长因子与寡糖结合能免受非特异的水解从而延长其寿命)；引导胞内某些特异蛋白(酶)的靶向定位等等。现已发现，不仅与蛋白质结合的寡糖具有广泛的生物学效应，游离的寡
2、聚糖本身在许多生命过程中也都有重要的生物学效应，某些寡聚糖与激素相似，它们依赖于糖链结构的不同调控着植物的生长、发育以及对逆境的防御等重要生理过程。寡聚糖作为植物免疫激活因子的基础研究始于20世纪60年代，Ayers等于1976年发现细胞壁的寡糖片段能诱导植物植保素(Phytoalexin)合成。Bishop于1981年发现番茄病原菌分泌的多聚半乳糖醛酸酶(PG)消化果胶多糖得到的片段，可诱导蛋白酶抑制剂的合成与积累。以后又发现寡糖可以诱导乙烯、甲壳素酶、葡聚糖酶、富含羟脯氨酸糖蛋白等的产生。1985年Albersheim首次提出了寡糖素(Oligosaccharins)这个新概念和新领域，并
3、认为寡聚糖具有调控植物生长、发育、繁殖、防病和抗病等方面的功能，能够刺激植物的免疫系统反应，每种活性寡聚糖可发出调节特定功能的信息，激活防御反应和调控植物生长，产生具有抗病害的活性物质，抑制病害的形成。特别是不同来源的寡聚糖可针对不同的病原菌，从而可开发针对各类病害的系列寡聚糖农药，解决基因工程遗传育种也很难解决的病原菌生态变异小种的问题。这些寡聚糖分子在很低浓度(nmol/L)下，可作为一种信号分子调控植物的生长发育和植物抵抗逆境(虫害、病原菌入侵、生理逆境)的防卫反应。把这些有生物活性的一类寡糖分子统称为寡糖素。第一个寡糖素即发现于真菌细胞中，具有活化被子植物的防卫反应的功能。不久，在高等
4、植物细胞内也发现了能引起类似防卫反应的寡糖素，这些来源于植物的寡糖素除具有激发子(Elicitor)效应能引起防卫相关反应，某些激发子可以是寡糖素、诱导植物产生的抗病抗虫化合物(植物抗毒素、酚类等)和相关蛋白(蛋白酶抑制剂、苯丙氨酸解氨酶等)，除参与植物的防卫反应外，还具有调控植物生长发育的功能，如促进或抑制豌豆茎切断的伸长生长，抑制生长素促进的烟草外植体生根，多聚半乳糖醛酸酶(PG)激发番茄中乙烯的产生，从而促进果实成熟。目前已知的寡糖素大多是一些细胞和真菌细胞壁结构多糖的降解产物中有活性的寡糖组分，如真菌b-寡葡聚糖(Fungal oligo-glucan)、木葡聚糖类寡糖(Xyloglu
5、caonderived oligosaccharide)、果胶类寡糖(Oligosaccharide of pectin)、b-寡木聚糖(Oligo-b-xylan)、壳寡糖(Chito-oligosaccharide)、某些糖蛋白(N-Linked glycoprotein)上寡糖链以及寡糖肽类等都是具有生物活性的寡糖素。2壳寡糖的来源及基本物理化学性质壳寡糖是水溶性的壳聚糖降解产物，又称为水溶性壳聚糖，壳聚糖(chitosan)是由甲壳素衍生而来的。甲壳素（chitin）又叫甲壳质或者几丁质，它广泛存在于微生物、酵母、蘑菇的细胞壁中，昆虫的表皮中，乌贼、贝壳等软体动物的骨骼内。尤其是虾、螃
6、蟹等甲壳类的水生动物的甲壳中含有丰富的甲壳素（约1/41/3）。有虾蟹壳经过酸碱处理可得到甲壳素。甲壳素在自然界的合成量仅次于纤维素，是地球上第二大再生资源，每年其生物合成量约为100亿吨。甲壳素是法国人Braconnot于1811年首次描述的，从那以后有关甲壳素的一些基础研究便逐渐开展起来，而壳聚糖是在1859年被Rouget发现的，自1950年以来有关甲壳素/壳聚糖的研究和开发便逐渐成为化学和生物领域的一个热点，并一直持续升温到现在。甲壳素的化学名称为聚-（1，4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，甲壳素脱乙酰化产物为壳聚糖。它们的化学结构式如图1.2。 &#
7、160; chitin chitosan图1.1 甲壳素/壳聚糖的结构式Figure 1.1The structure of chitin and chitosan3 壳寡糖类物质的作用机理从壳寡糖的化学结构来看，它显然不属于常用的农业化肥，同时也不是农药，但它却能使植物达到增产的效果。人们还不知道它的精确的生物化学行为是如何发生的。根据国内外现有的研究结果，已有的学说大致可归纳为两个方面：抗菌说和诱导说，有些假设已
8、为实验所证实。l 直接抑制病原菌生长壳寡糖能抑制一些真菌、细菌和病毒的生长繁殖。目前，人们提出3种可能存在的机制。1 改变病原菌细胞膜的流动性和通透性。壳寡糖为多聚阳离子，易与真菌细胞表面带负电荷的基团作用，从而改变了真菌细胞膜的流动性和通透性。2 干扰 DNA的复制与转录。壳寡糖对DNA有高度的亲和力，可以进入到病原菌的细胞核中，与带负电荷的DNA相互作用，影响真菌DNA的复制和RNA的转录，从而抑制其生长。3 阻断病原菌代谢。壳寡糖抑制真菌生长作用的机理是其在真菌细胞壁表面堆积，是真菌的代谢受阻。此外，郑连英等的研究表明：对壁结构不同的细菌，壳寡糖抑菌的作用机理也不同。对革兰氏阳性菌，壳寡
9、糖分子能阻止营养物质进入其细胞，从而抑制其生长；对革兰氏阴性菌，壳寡糖分子则进入其细胞壁的空隙结构内，干扰其细胞的新陈代谢。l 诱导病程相关蛋白，积累次生代谢产物病程相关蛋白（Pathogenesis-related proteins,简称PRs）最早是Van 和VanKammen于1970年在由烟草花叶病毒（TMV）诱发产生过敏反应的烟草叶片中检测到的。至今已在7个科的30多种植物中发现了PRs。近年来，人们对壳寡糖在不同植物中诱导的PRs与抗病性关系作了较为广泛的研究。外源施用壳寡糖或受病原菌攻击时，许多植物-病原菌作用系统中都可诱导产生大量几丁质酶和1，3-葡聚糖酶，但在高等植物中尚未发
10、现这两种酶的底物，因此推测其具有抗病菌的作用，而在植物自身代谢中没有作用。这些酶能与植物病害菌或害虫外皮的甲壳质反应，并阻止其侵入植物组织内，从而增强了植物自身对敌害的防御能力。壳寡糖能诱导植物抗毒素的合成，特定结构的壳寡糖具有调控植物生长、发育、繁殖、防病和抗病等方面的功能，能够刺激植物的免疫反应，激活防御反应和调控植物生长，产生具有抗病害的物质，抑制病害的形成36。研究表明，四至六环的壳寡糖已经显示出诱导活性，而六个以上环的壳寡糖在nMM的浓度范围内就可引起水稻细胞的抗毒素积累。酚类是植物重要的次生代谢物质，一般认为植物受到病源物侵染与干扰后，病原物可诱导酚类物质的形成和积累，最后形成植保
11、素。这是寄主植物对病原物很明显的防御反应。很多文献报道了植物受到来自病原菌的诱导物作用后，同样激发了植物体内与酚类物质代谢有关的重要酶苯丙氨酸解氨酶(PAL),过氧化物酶(PO)、及多酚氧化酶(PPO)的活性有明显提高的现象37，38。杜声亮等人用壳寡糖溶液对黄瓜幼苗进行叶面喷洒处理，一周一次，共重复三次，最后一次喷洒后的第三天摘取黄瓜苗的第二真叶，进行酶活性的测定，发现PAL，PO，PPO的活性均有很大的提高39。甲壳素也可提高某些生防菌的防效，Harman等在研究利用哈氏木霉（Trichoderma harzianum）作为生防制剂防治腐霉菌和丝核菌时，发现添加壳寡糖可提高哈氏木霉的防治效
12、果，原因是增强了木霉菌几丁质酶的活性，提高了木霉菌对病原菌的抗生作用。壳寡糖对不同病菌有不同的抑菌机理，南京农大实验证明壳多糖抑制水稻恶苗病的主要机理是壳多糖的直接抑菌作用，而抑制油菜菌核病主要是由于壳多糖诱导了油菜的抗病性。美国将壳寡糖与适当的载体物质相混，可制成一种对防治线虫非常有效的天然物农药，它不是直接杀死害虫，而是促使土壤中微生物产生一种能杀死线虫及其虫卵的酶，而达到灭虫的目的。Henryk Struszczyk采用接种和离体培养方法探讨壳寡糖及其衍生物在植物防护和促进植物生长方面存在的生物活性40，认为壳寡糖的抗菌活性可能是它阻碍了细菌细胞穿透植物细胞的细胞壁，或者影响它们在胞内空
13、间中的存活。用喷洒或接种的方法将壳寡糖用于叶片表面，就可以保护各类植物抵抗由人工病毒引起的局部和全身感染，壳寡糖的抗病毒活性与其脱酰程度没有明显联系。在壳寡糖抗菌活性实验中发现它也能保护经壳寡糖处理过的作物中未被处理的部分不受PSTV的传染，表明它可能是一种潜在的天然抗疾病诱导物。同时实验表明壳寡糖具有抗噬菌体活性，在农业上可用于保护根瘤菌抵抗其噬菌体。l 信号传导壳寡糖在诱导培养细胞合成1，3-葡聚糖酶的同时，总伴随着钾离子外流、钙离子内流及细胞外PH值升高等变化，这些离子转运速率的同时改变不是由于简单的非特异性通道的形成，而是涉及更有特异性的质膜信号传导系统，壳寡糖某些诱导活性与水杨酸、乙
14、烯、或茉莉酸甲酯的诱导活性相似。这些现象促使人们进一步去研究壳寡糖如何参与植物与病原菌的信息交流问题。1 壳寡糖细胞内信号传导壳寡糖作为信号分子能直接进入病原菌和植物细胞，抑制病原菌生长或诱导植物的防卫反应。真菌细胞与植物组织接触后可释放出壳寡糖，随着组织化学、免疫化学及同位素技术的应用，发现这些壳寡糖能顺着电化学梯度迅速的进入植物细胞，积累在细胞壁、细胞质以及细胞核中。由于壳寡糖对DNA具有高度亲和力，其在细胞核中的特异性积累说明壳寡糖可能对植物防卫反应具有直接调节效应。2 壳寡糖细胞外信号传导 Lienart等首次从悬钩子培养细胞中，通过壳寡糖亲和层析分离得到特异性壳寡糖凝集素
15、，它是一个67 kD的膜结合蛋白，有两个结合位点，一个能与壳寡糖四聚体高效结合，另一个与壳寡糖六聚体特异结合，而麦芽糖、纤维四糖、几丁质对结合位点没有竞争力。由于该凝集素能与壳寡糖特异结合，它可能是壳寡糖信号分子的手体，壳寡糖与膜上受体结合，诱导生物活性，最后触发植物防卫反应。但其触发的细胞内的信号途径目前还不清楚。3 壳寡糖与其他植物激素的信号传递壳寡糖大分子不易在细胞间传递，因而远距离效应要求合成一种更易扩散的次级诱导物-水杨酸。壳寡糖和水杨酸都能诱导细胞间隙几丁质酶的积累，促使细胞壁加厚以及一系列细胞内的变化。水杨酸在病原菌感染的烟草和黄瓜中大量积累，并能在组织之间迅速扩散。Masuta
16、等推测水杨酸这种扩散特性能远距离传输壳寡糖的诱导信号。但是，这两者的生物活性并不完全相同，例如水杨酸可抑制乙烯的生物合成，而壳寡糖则会刺激乙烯的合成。因而壳寡糖的信号传递与水杨酸是否有关还需作进一步的研究。Mauch等用乙烯合成抑制剂来抑制乙烯的合成，发现壳寡糖仍能诱导几丁质酶1,3-葡聚糖酶的产生，因而乙烯没有参与壳寡糖的信号传递，它只是壳寡糖诱导抗病反应的一个症状。Doares等对壳寡糖激活番茄抗病基因：一种蛋白酶抑制剂基因的表达进行研究，这种蛋白酶抑制剂基因的表达是直接受茉莉酸调控。Bohland等指出：壳寡糖诱导产生脂氧合酶的种类、效应与茉莉酸甲酯的诱导效应十分相似，认为壳寡糖可能与茉莉酸类物质有相同的作用模式。l 壳寡糖能有效地抑制土壤中的有害病原菌壳寡糖对土壤微生物和酶的活性有显著调节功能，壳寡糖具有广谱的抑菌作用，能明显改善土壤的微生物环境。4主要功效 提高产量、改善品质。本品可以激活植株的生理生化机制，促使其根系发达，茎叶粗壮，提高吸收水、肥能力以及光合作用等，可
