殼聚糖的抗菌、誘抗和促生作用及在農(nóng)業(yè)中應用綜述

胡舉偉， 劉 輝， 馬秀明， 宋 濤

(1.金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東臨沂 276700； 2.養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點實驗室，山東臨沂 276700；3.農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與新型肥料創(chuàng)制重點實驗室，山東臨沂 276700)

殼聚糖是利用幾丁質(zhì)生產(chǎn)的天然、安全和低成本的生物聚合物，幾丁質(zhì)是節(jié)肢動物外骨骼和真菌細胞壁的主要組分，也是僅次于木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的第二大可再生碳源[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中，將固體幾丁質(zhì)浸泡在質(zhì)量體積比為400～500 mg/mL 的NaOH溶液中，這一過程中可脫去幾丁質(zhì)中80%的乙?；瑥亩鴮-乙酰-D-葡萄糖胺轉(zhuǎn)變成β-1，4-D-葡萄糖胺。殼聚糖制成品的成分復雜，這是由于殼聚糖脫乙酰的程度、分子量、聚合度、黏性以及解離常數(shù)存在差異，殼聚糖這一術(shù)語并不是描述1種單一化合物，而是描述1組具有商業(yè)應用價值的共聚物。殼聚糖的不均勻性可極大影響其物理特征，并決定其在生物學領(lǐng)域的應用[1]。

殼聚糖的生產(chǎn)成本較低，同時殼聚糖還具有其他良好的生物學特性，例如生物降解性、生物相容性和非致敏性。殼聚糖容易被特異性和非特異性的酶降解，而且對人體呈現(xiàn)出低毒性[2]。殼聚糖所具有的這些特性，使其在多個領(lǐng)域具有很高的應用潛力，如美容、食品、生物技術(shù)、藥理學和醫(yī)學[3-4]。

20世紀80年代隨著殼聚糖工業(yè)批量生產(chǎn)的實現(xiàn)，人們開始試驗殼聚糖在農(nóng)業(yè)中應用的可能。眾多結(jié)果表明，殼聚糖在控制不同作物采前采后病害中具有顯著效果。殼聚糖處理可使植物對大量土傳和葉面病原物產(chǎn)生更強耐受力，也可誘導植物根結(jié)瘤[5]，因此殼聚糖被認為對于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有應用價值。殼聚糖巨大的應用價值驅(qū)使世界各地的研究者探究殼聚糖及其衍生物在更多領(lǐng)域中的應用。

基于目前殼聚糖在農(nóng)業(yè)中的研究進展和現(xiàn)狀，本文綜述了殼聚糖在植物病害防控(直接抗微生物活性和間接抗性誘導)、植物生長調(diào)控以及采后果實保存中的作用。

1 殼聚糖的抗微生物活性

關(guān)于殼聚糖對不同種類微生物(真菌、細菌和病毒)較高的直接抗微生物活性，人們進行了大量研究，結(jié)果表明殼聚糖是一種抗微生物物質(zhì)，可以殺死或抑制微生物的生長[6]。殼聚糖的廣譜抗真菌活性已有大量相關(guān)研究報道，在離體條件下，殼聚糖可抑制眾多病原真菌的生長，如灰霉菌(Botrytiscinerea)、鏈格孢菌(Alternariaalternata)、赤葉枯刺盤孢菌(Colletotrichumgleosporoides)和匍莖根霉菌(Rhizopusstolonifer)。殼聚糖在病原真菌的不同發(fā)育階段(菌絲生長、產(chǎn)孢、孢子萌發(fā))均可對病原真菌表現(xiàn)出抑制作用，同時也抑制真菌毒力因子的產(chǎn)生[7]。此外，殼聚糖的抗真菌活性也在許多不同的植物-病原物系統(tǒng)中被證實，例如在梨中對蘋果鏈格孢菌和瓶霉屬病原菌(P.piricola)的抗性[8]，在葡萄和草莓中對灰霉菌的抗性[9-10]，在火龍果中對赤葉枯刺盤孢菌的抗性[11]。在水稻中殼聚糖對匍莖根霉菌的抗性通過透射電鏡觀察和致病性試驗得到進一步證實[12]。

殼聚糖也可抑制黃單胞桿菌屬(Xanthomonas)[13]、丁香假單胞菌(Pseudomonassyringae)[14]、根癌土壤桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)和歐文氏菌(Erwiniacarotovora)[15]等多種病原細菌的生長。然而，殼聚糖對真菌的抗性似乎高于細菌[16]，殼聚糖對革蘭氏陽性菌的抗性常常也高于革蘭氏陰性菌，這些現(xiàn)象可能是細菌表面不同的結(jié)構(gòu)和細胞壁的組成差異造成的[17]。

除了對真菌和細菌的抗性，殼聚糖還可抑制病毒和類病毒的復制，從而抑制其對植物的侵染[18]，例如有研究報道低聚殼聚糖可在體外破壞煙草花葉病毒粒體結(jié)構(gòu)，并引起病毒粒子發(fā)生凝聚，從而降低其侵染性。也有研究表明，低聚殼聚糖可誘導煙草抗病性，抑制煙草花葉病毒增殖，降低植株體內(nèi)病毒粒子濃度，并抑制煙草花葉病毒在植物體內(nèi)的移動，明顯減弱病毒系統(tǒng)侵染癥狀[19-20]，但總體來說報道殼聚糖抗病毒活性的研究較少[21]。

盡管目前研究人員已提出了多種關(guān)于殼聚糖抗微生物活性的作用模型，但殼聚糖直接抗微生物作用的確切機理仍不清楚[7，17]，這些已提出的模型中殼聚糖的主要作用方式都與殼聚糖的正電性有關(guān)[22]，不帶電的幾丁質(zhì)低聚物無抗真菌活性也支持這些作用模型[23]。事實上，與殼聚糖不同，聚合物形式的幾丁質(zhì)是天然不帶電的，也不表現(xiàn)出顯著的抗微生物活性?；陟o電相互作用模型，殼聚糖分子氨基質(zhì)子化所帶正電荷與病原物細胞表面組分所帶的負電荷相互作用，破壞了細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，引起細胞膜透性增大，導致其屏障功能的喪失、營養(yǎng)物質(zhì)的流動以及病原物細胞內(nèi)容物的泄露，從而導致病原物死亡[24-26]。

另一種作用模型涉及到殼聚糖沉積到病原物細胞表面，引起細胞透性的改變，殼聚糖可以在病原物細胞表面形成不可滲透的聚合物層，從而阻止細胞攝取生長所必需的養(yǎng)分，同時影響代謝產(chǎn)物分泌到細胞外基質(zhì)[17]。

第3種殼聚糖抗微生物模型是基于殼聚糖可螯合一些細菌和真菌生長所必需的養(yǎng)分、金屬離子和微量元素[17，27]，從而抑制毒素產(chǎn)生和微生物生長[28]。殼聚糖與金屬離子結(jié)合的能力很強，殼聚糖所帶的氨基是與金屬離子結(jié)合的主要位點，但這不是殼聚糖抗微生物活性的主因，因為殼聚糖上可以與金屬離子結(jié)合的位點有限，形成復合物容易飽和，同時細菌和真菌生長對金屬離子的需要量極低，基本在痕量水平，而且殼聚糖與金屬離子的結(jié)合是一個動態(tài)平衡過程，殼聚糖是否可以與痕量水平的金屬離子作用尚不確定[29-31]。

2 殼聚糖的植物抗性誘導作用

所有植物，無論其是抗病的還是易受病原物侵染的，都可通過誘導1個協(xié)調(diào)的信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)來應對病原物侵染，從而導致不同基因產(chǎn)物的積累。植物對病原物侵染的反應可在不同層次上發(fā)揮作用：首先，植物識別病原物導致植物中局部細胞快速死亡，也稱為過敏反應(HR)，導致侵染部位壞死(局部反應)。隨后即使是在植物其他未受侵染部位，也會引發(fā)廣譜而持久的進一步抵抗病原物侵染的系統(tǒng)抗性表達，這導致活性氧(ROS)的產(chǎn)生，同時也伴隨著防御相關(guān)基因的激活以及與植保素、萜烯類、病程相關(guān)蛋白(PR-蛋白)和參與防御反應的多種酶[苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)]產(chǎn)生相關(guān)的基因表達上調(diào)[32-34]。

可以觸發(fā)植物防御反應機制的信號分子被稱為誘導子或激發(fā)子，在植物受病原物侵染部位，激發(fā)子可由受侵染植物細胞產(chǎn)生(內(nèi)源激發(fā)子，植物在與病原菌接觸時釋放)，也可由病原物自身產(chǎn)生(外源病原激發(fā)子)。這些激發(fā)子主要包括寡糖、脂類、多肽和蛋白質(zhì)等多種物質(zhì)，可在低濃度下作為信號分子誘導植物防御反應[35]。一旦激發(fā)子被植物細胞跨膜受體識別，通過信號轉(zhuǎn)導分子在植物遠端組織轉(zhuǎn)運，可誘導局部反應(在受侵染部位)和系統(tǒng)的免疫反應[36]。隨著植物對病原物侵染響應機制的研究增多，研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用具有誘導子功能的外源物質(zhì)，人為誘導植物自身的抗性，從而使植物獲得廣譜病害抗性，增強植物對致病病原物抗性。目前關(guān)于激發(fā)子處理植物，啟動植物抗病原物侵染的誘導抗性已有較多報道[32]。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通過使用激發(fā)子提高植物抗性，是一種環(huán)境友好的植物病害防控方法，可作為化學農(nóng)藥防治植物病害的替代方法或補充措施，從而減少化學農(nóng)藥對環(huán)境的負面影響。

較多研究結(jié)果表明，低分子量殼聚糖是有效的生物源激發(fā)子，能夠誘導植物防御反應并激活可提高作物對病害抗性的不同信號轉(zhuǎn)導途徑[17，37-38]。目前關(guān)于植物對殼聚糖處理的響應中研究最多的是木質(zhì)素、胼胝質(zhì)等化學和機械屏障的形成以及參與防御反應有關(guān)物質(zhì)和酶的合成[17，32]。在某些情況下，殼聚糖引起的過敏反應(主要是受侵染部位)，導致程序性細胞死亡[39]。同時，這些過敏反應還伴隨著植物防御機制的系統(tǒng)反應，這些系統(tǒng)反應主要包括在防御反應中起積極作用的次生代謝物的合成與積累，如木質(zhì)素、胼胝質(zhì)、植保素、病程相關(guān)蛋白；參與防御反應代謝途徑的關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)，如苯丙氨酸解氨酶、過氧化物酶和幾丁質(zhì)酶[40-43]。

殼聚糖誘導植物抗病性的作用機制和殼聚糖在植物與病原物互作中誘導的反應尚未完全探明。植物通過細胞跨膜受體識別激發(fā)子，但識別殼聚糖的特異性受體尚未確定，傳遞信號到轉(zhuǎn)錄因子(TFs)的蛋白激酶級聯(lián)也還未被確定[32]。目前已有研究提出了不同模型來闡述殼聚糖在激活植物防御基因中的作用，在這些模型中殼聚糖誘導植物防御基因的表達上調(diào)涉及殼聚糖與DNA的直接相互作用，這些模型認為殼聚糖通過改變DNA的結(jié)構(gòu)(染色結(jié)構(gòu)重組)誘導防御基因激活，伴隨著轉(zhuǎn)錄因子高遷移率組蛋白(HMG A)減少或與DNA聚合酶復合物的相互作用減少[43-45]。殼聚糖處理誘導的防御反應可能取決于植物-病原物系統(tǒng)差異，即使是同一作物，也會因處理時期和方式的差異而誘導不同防御反應。

3 殼聚糖對植物生長的刺激作用

目前關(guān)于殼聚糖在作物生長的應用研究已有較多報道。葉面噴施殼聚糖可提高番茄(LycopersicumesculentumMill)單果質(zhì)量和產(chǎn)量[46]，增加黃秋葵(HibiscusesculentusL.)的果實產(chǎn)量、株高和葉片數(shù)[47]，刺激希臘牛至(OriganumvulgareL.)[48]生長，促進羅勒(OcimumbasilicumL.)組培苗生物量的積累[49]。土壤添加殼聚糖可提高辣椒(CapsicumannuumL.)的株高、冠幅和葉面積[50]。用殼聚糖拌種或在小麥(TriticumaestivumL.)不同生長階段葉面噴施殼聚糖，通過提高產(chǎn)量性狀如穗數(shù)和穗粒數(shù)影響大規(guī)模大田試驗小麥產(chǎn)量[51]。此外，殼聚糖可有效增強甘藍型油菜(BrassicanapusL.)小孢子胚胎發(fā)生和植株再生[52]，還可提高組培條件下美味獼猴桃(ActinidiadeliciosaA. Chev)體細胞胚胎發(fā)生[53]。

殼聚糖也能促進花卉生長如殼聚糖處理可提高石斛蘭(DendrobiumformosumRoxb.)的種子萌發(fā)率[54]；殼聚糖處理唐菖蒲(GladioluscommunisL.)球莖可促進球莖發(fā)芽并增加小球莖數(shù)量，同時延長瓶插壽命[55]。同樣，在小蒼蘭(Freesiaeckl. ex Klatt)球莖的培養(yǎng)中應用殼聚糖可提高株高，促進葉、芽、花和球莖的生長[56]。殼聚糖處理現(xiàn)代月季(RosachinensisJacq.)“法國紅”切花可延長了其瓶插壽命[57]。

關(guān)于殼聚糖對水果類作物生長發(fā)育影響的研究最多，葉面噴施殼聚糖可促進咖啡(CoffeaarabicaL.)植株生長[58]，也可促進智利草莓(FragariachiloensisL.)營養(yǎng)成長并提高產(chǎn)量[59]。葡萄(VitisviniferaL.)扦插枝條浸在殼聚糖溶液中可促進生根，增加莖節(jié)數(shù)量[60]。在草莓植株不同發(fā)育階段噴施殼聚糖，可增加所結(jié)果實的保質(zhì)期[61]。殼聚糖處理也可提高番茄植株產(chǎn)量[62]。

殼聚糖也可用來處理果實，通過包膜或浸蘸的方式延長蔬菜、水果的貨架期并延緩其變質(zhì)[63]。殼聚糖在果實表面形成保護層減少水分損失、抑制氣體交換、減少養(yǎng)分流失，并防止微生物在果實表面生長[63]。最近的研究結(jié)果表明，殼聚糖可延長具有重要商業(yè)價值的熱帶水果如番木瓜(CaricapapayaL.)、芒果(MangiferaindicaL.)等的貯藏期并減少其腐爛[64]。殼聚糖處理檸檬(CitruslimonL.)后，由青霉屬(Penicilliumspp.)植物病原真菌引起的檸檬青霉病發(fā)病率降低[65]。茉莉酸甲酯與殼聚糖處理智利草莓可保持其較高的果實硬度和花色素苷含量，同時顯著延緩其腐爛[61]。殼聚糖包膜處理可延長獼猴桃的貨架期[66]。殼聚糖和肉桂醛包膜處理可增強甜瓜(CucumismeloL.)結(jié)構(gòu)的完整性以及抗氧化代謝[67]。殼聚糖包膜處理可提高采后枇杷(EriobotryajaponicaLindl.)果實品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)[68]。殼聚糖和水楊酸處理可通過提高黃瓜(CucumissativusL.)果實中的水楊酸水平和抗氧化酶活性，減輕冷儲過程中黃瓜冷害的發(fā)生[69]。

4 展望

殼聚糖作為來源廣的生物聚合物，可以誘導植物產(chǎn)生大量生理響應，如脅迫抗性以及生產(chǎn)力提高，但這些生理響應是否發(fā)生，與殼聚糖的化學組成以及處理的時間和頻率有關(guān)，總體來說殼聚糖在可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐以及在食品生產(chǎn)和保存中擁有較大發(fā)展前景，尤其是殼聚糖在替代殺菌劑等對環(huán)境存在污染的化學農(nóng)藥等方面具有較大的應用潛力，在有機農(nóng)業(yè)中由于缺乏有效的方法控制植物病害，殼聚糖的應用前景較大。目前有機農(nóng)業(yè)中植物病害的控制，特別是真菌和細菌病原物引起的植物病害，主要是使用波爾多液等銅制劑防治。然而，由于使用銅制劑存在對環(huán)境造成重金屬污染的風險，因此尋找環(huán)境友好的替代物是必須的。殼聚糖則代表了一種創(chuàng)新的生態(tài)友好的措施，可用來控制植物病害并減少或取代銅制劑的使用。較多研究已經(jīng)表明，殼聚糖可通過直接或間接的作用保護植物免受生物脅迫的傷害，但是殼聚糖與病原物和植物的相互作用機制還未徹底探明。未來須要進一步從轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學角度研究植物防御基因和蛋白，從而充分了解殼聚糖介導的復雜生理響應，以期為在植物病害防治中更好地運用殼聚糖提供參考。同時在實踐方面，殼聚糖在大田條件下具體使用方法和使用濃度，特別是與其他殺菌物質(zhì)的復配是未來研究的焦點問題，并須要進一步試驗和驗證，以最優(yōu)化殼聚糖在調(diào)控作物生長和植物病害防控方面的效果。