套用狀況
隨著可持續農業的不斷發展以及化學農藥抗性和污染問題的日益嚴重,生物農藥越來越受到重視,並成為綜合防治的主要部分。蛋白質農藥,產品安全無毒,不會引起植物的抗性,對植物有顯著抗病增產作用,同時能提高作物的品質,生產上可以減少或不使用化學農藥,生產的產品可以達到綠色產品和有機食品的要求,特別是在有機蔬菜和果品生產中將發揮重要的作用,符合當前我國農業產業結構調整,有利於提高農產品附加值,增加農民收入,具有非常廣闊的市場前景和良好的市場競爭能力,具有較好的綜合效益。
2001年,美國EDEN 公司從細菌源過敏蛋白中開發出的Messenger (康壯素)農藥產品,在美國獲得登記,被EPA列為免檢殘留的農藥產品,準許在所有作物上使用。2001年,該產品的開發榮獲美國環境保護委員會頒發的“總統綠色化學挑戰獎”,並被稱為是“植物保護和農產品安全生產上的一次綠色革命”,現已在美國、墨西哥、西班牙等國的菸草、蔬菜和果樹上廣泛套用。2004 年,Messenger經我國農業部農藥檢定所( ICAMA)審定,取得了農藥臨時登記證,推薦在番茄、辣椒、菸草和油菜上使用。
主要種類
過敏蛋白(Harpin)。過敏蛋白是一種能夠使植物發生過敏反應的一類蛋白質的總稱,這類蛋白質來源於植物病原微生物。Wei等首次發現梨火疫病菌的hrpN 基因編碼的一種新蛋白質能誘導植物產生過敏反應, 並將其命名為Harpin。並首次提出Harpin 激發植物過敏反應與抗病性的關係,提出了過敏蛋白具有誘導植物抗病功能。Harp in 蛋白並不直接作用於靶標作物,而是刺激作物產生自然的免疫機制,使植物能抵抗一系列的細菌、真菌和病毒的侵染。其作用機理是與植物表面的特殊受體結合,產生植物防禦信號,激發植物產生多種防衛反應。Harp in能誘導多種植物產生HR, Harp in蛋白既能誘導非寄主植物產生過敏反應,其本身又是寄主的一種致病因子。2001年,美國Cornell大學和EDEN生物科技公司基於過敏蛋白的研究,共同開發和研製成功了具有抗病防蟲功能的廣譜無公害微生物蛋白農藥Messenger。該產品是2001年生物農藥中最具代表性的新產品之一,也是當前國際上利用高技術手段開發生物農藥最成功的例子。對多種病蟲害防治效果達50% ～80%,增產效果10% ～20%。這類農藥功能廣泛,作用機制獨特,對環境友好,榮獲2001年度美國環境保護委員會頒發的“總統綠色化學挑戰獎”。
隱地蛋白( Elicitin)。隱地蛋白是由隱地疫霉分泌的蛋白類激發子,自1977年觀察到Phytophthora cryptogea的菌體提取物和培養濾液能引起菸草葉片壞死性反應以來,從P. cryptogea, P. cinnam om i和P. capsici中已純化了分子量約10 kD的多種蛋白類激發子, Huet等(1989)將這類活性蛋白命名為Elicitin。研究證明:Elicitin是通過水楊酸介導抗病信號途徑,激發植物獲得對真菌、細菌等病原物的系統抗性,同時產生活性氧自由基、脂過氧化物、植保素、PR蛋白等防禦反應相關物質。迄今已發現17種疫黴菌中存在Elicitin活性蛋白,根據等電點和對菸草的激活反應可分為α2elicitin(酸性)和β2elicitin (鹼性) 2類, 2種類型蛋白的胺基酸序列同源性達到60%以上。近年來,從一些腐黴菌中也發現有Elicitin類似活性蛋白存在,並能高效激發番茄的系統獲得性抗性 。
激活蛋白(Activator)。激活蛋白是從葡萄孢菌、交鏈孢菌、黃麴黴菌、稻瘟菌、青黴菌、紋枯病菌、木黴菌、鐮刀菌等多種真菌中篩選、分離、純化出的一類新型蛋白質。真菌激活蛋白是一類信號傳導分子,通過誘導、激發、調節植物體內的一系列功能蛋白,啟動植物防衛反應,激活植物的免疫系統,提高植物自身免疫力,通過調節植物生長代謝系統,促進植物生長,提高作物產量和產品品質。通過增強植物自身的免疫功能,抵禦外來病蟲害入侵,在病蟲害防治上屬於生物防治體系,對維持生態平衡、保護環境,在農業上提高作物產量、改善產品品質都具有極其重要的實際作用。產品無毒,無殘留,可用於植物的拌種、浸種、澆根和葉面噴施。經多種植物的室內盆栽和田間試驗表明,對病蟲害的防治效果為40%～80% ,提高作物產量10%～20%。
中國研究狀況
趙立平博士等也研究證實了細菌蛋白質具有提高植物抗病蟲和促進植物增產的功能,並進行了Harp in結構與功能關係、Harp in固氮工程菌的構建、產Harp in的團成泛菌工程菌構建等方面的研究。李汝剛,范雲六等人進行了Harp in蛋白基因的克隆及序列分析以及轉基因馬鈴薯降低晚疫病斑生長率方面的研究 。南京農業大學王金生教授實驗室進行了水稻黃單胞菌harpin基因的克隆與表達;測定了hrp 基因簇全序列。
邱德文等在國家“973”和“863”項目的資助下,進行了激活蛋白的分離純化、基因克隆、激活蛋白與植物互作機理、蛋白質結構分析與分子藥物設計、生物藥物的發酵工藝及製劑技術。已完成了交鏈孢菌和稻瘟菌激活蛋白的分離、純化,製備了激活蛋白多克隆抗體,利用抗體對激活蛋白產生菌的基因文庫進行了篩選,獲得了激活蛋白基因並進行了基因的原核和畢赤酵母轉化體系的構建和表達研究,其中具有激發子功能的稻瘟菌激活蛋白基因工程菌株申報了發明專利。
試驗表明,激活蛋白能誘導多種作物產生抗病性,同時能促進植物生長,顯著提高產量、改善產品品質。連續在湖南、浙江、遼寧用於菸草、草莓、白菜、辣椒、蠶豆、棉花和水稻等作物,對辣椒、白菜和水稻增產效果達到10% ～26. 52%; 對菸草花葉病、豌豆赤斑病和草莓蛇眼的控制效果達65% ～89%。植物激活蛋白尤其對植物花葉病表現更好的控制效果,能顯著誘導菸草抑制花葉病的發生和發展,對枯斑抑制率達70. 18%;小區處理後7 d的誘抗效果達48. 49% ～53. 7%。2004-2005 年連續在湖南菸草基地的試驗證明, 3%植物激活蛋白粉劑大田施藥後20d 和45d 後的誘抗效果達72. 87%～73. 4% ,效果優於和相當於目前廣泛使用的化學抗病毒劑,與菌克毒克效果相當,高於抑毒星,表現出良好的套用推廣前景。此外,植物激活蛋白能明顯促進菸草生長,表現為株高,留葉數和葉面積增加,其中株高增長7. 42% ,中上部葉面積分別增加10. 35%和14. 8%;激活蛋白對菸葉品質有較明顯的影響,其中可溶性糖、還原性糖、蛋白質含量以及施木克值比對照高,其化學物質含量符合優質烤菸質量指標, 對改善烤菸品質有明顯作用。
參考文獻
邱德文, 楊秀芬，蛋白質農藥研究與產業化進展，中國農業科技導報，2006, 8 (6) : 1-4
梅正鼎等，真菌激活蛋白對雜交棉光合速率及產量的影響，中國棉花，2006，9：15
