植物凝集素的研究进展

第48卷第2期

2003年4月

武汉大学学报(理学版)

J．W uhan Univ．(Nat．Sci．Ed．)

V0_-48 No 2

ADr．2002．232～ 238

文章编号：0253—9888(2002’)02—0232—07

植物凝集素的研究进展

梁峰，常团结

(商丘师范学院生物系，河南商丘476000)

摘要：综述了有关植物凝集紊的研究进展，介绍了植物凝集紊的分类、糖结合特性、近年来有关植物凝集隶

蛋白晶体结构的研究，以及其与糖结合能力相关的生物学功能．

关键词：植物凝集紊{糖结合活性；晶体结构；功能{抗虫植物基因工程

中图分类号：Q 946．L 文献标识码：A

植物凝集素是一类具有高度特异性糖结台活性

的蛋白，存在于许多植物的种子和营养器官中．第

一个植物凝集素是在蓖麻籽中发现的，到目前为止，

已经发现了多种不同的植物凝集素，在生理生化及

分子生物学方面对它们进行了许多研究，特别是近

年来，克隆了许多植物凝集素基因，对多种植物凝集

素进行了蛋白质晶体结构的研究，对植物凝集素的

生物学功能有了更深的认识．随着抗虫植物基因工

程的研究进展，植物凝集素在抗虫基因工程上的应

用受到了越来越多的重视，获得了许多转植物凝集

素基因的抗虫转基因植物．本文介绍植物凝集素近

年来的研究进展及其应用．

1 植物凝集素的发现

植物凝集素最早发现于1888年，Stillmark在

蓖麻(Ricinus COYT"t1"YtU~ti$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．以后

多种植物凝集素不断得到发现，在单子叶和双子叶

植物中都发现有植物凝集素的分布，存在于许多植

物的储藏器官和繁殖器官中．植物凝集素长期被认

为是一种典型的种子蛋白，这是由于许多凝集素是

在种子里发现的．现在许多植物营养器官中均发现

了凝集素，非种子来源的凝集素和种子来源的凝集

素同样分布广泛．植物凝集素在种子、营养器官中

的丰度、分布的部位不尽相同．例如，种子来源的凝

集素主要分布在子叶、胚乳和胚轴中．非种子来源

的凝集素在营养器官如叶片、茎、茎皮、鳞茎、块茎、

球茎、根状茎、根、果实、花子房、韧皮部汁液和花蜜

中均有分布 ]．

2 植物凝集素的定义

随着植物凝集素分子生物学的研究，对凝集素

蛋白纯化及其结构的研究表明，植物凝集素是一组

高度异质性的具有特异糖结合活性的蛋白．1888年

凝集素被发现时，根据它的特性被命名为血细胞凝

集素(haemagg|utinln)，在随后的很长时期内一直

沿用这个名称直到发现一些植物凝集素选择性地

凝集ABO血型系统中某些类型的血细胞，lectin一

词被提出，用以说明植物凝集素凝集反应的选择性

特征 leetin一词来源于希腊语legere，意思是选

择，但是这个名称并不十分严格，因为它同时包括了

某些具有凝集活性丽非凝集素的蛋白质．从严格意

义上说血细胞凝集素(haemagglutinin)一词更准确

地说明了糖结合蛋白凝集红细胞的能力，但是由于

血细胞凝集素同时具备凝集其他细胞的能力，所以，

凝集素(agglutinin)一词更为台适．尽管haemag一

收藕B期：2001-03-06

作者简介：粱嶂(1966一)，男讲师，现从事强生物学和细胞生物学研究．维普资讯 https://www.360docs.net/doc/7210023952.html,

第2期粱峰等：植物凝集素的研究进展 233

glutinin、lectin、agglutinin的准确含义并不相同，它

们通常被用以描述同一类蛋白质，在3个名词中，

leetin一词使用相对较多．凝集素最初的定义是指

非免疫来源的糖结台蛋白，可以凝集细胞或沉淀糖

缀合物．最近凝集素的分子生物学研究进展要求根

据凝集素的结构和功能对其进行重新定义．因此，

Peumans和Van Damme在1 995年将植物凝集素

定义为至少具有一个可与单糖或寡聚糖特异可逆结

合的非催化结构域的植物蛋白口]．根据这个定义，

一大类具有不同凝集和沉淀糖缀合物能力的植物蛋

白均被包括在凝集素的范畴内．

3 植物凝集素的种类及其糖结合特异性

根据植物凝集素亚基的结构特征，植物凝集素

被分成4种类型：部分凝集素(merolectins)、全凝集

素(hololectins)、嵌台凝集素(chimerolectins)和超

凝集素(superlectins) ．根据氨基酸序列的同源

性及其在进化上的关系，植物凝集素可以分为7个

家族：豆科凝集索、几丁质结合凝集素、单子叶甘露

糖结合凝集素、Ⅱ型核糖体失活蛋白、木菠萝素(ja—

ealin)家族、葫芦科韧皮部凝集素和苋科凝集素 ]．

本文按后一种分类方法进行介绍．

3．1 豆科凝集素

豆科凝集素是来自豆科植物的一类同源蛋白，

目前已经从7O多种植物中纯化了豆科凝集素，其中

大部分来自种子，豆科凝集素还存在于叶片、茎皮、

根等营养器官中口’．目前还发现一些豆科植物具

有两种或多种凝集素，例如荆豆(Ulex europaeus

L．)的种子含有两种具有不同糖结合活性的凝集

素，扁豆属(Dotichos biftorus L．)的种子、茎、叶片、根中至少有4种具有不同糖结合活性的凝集素 ]．

豆科凝集素的糖结合特异性差异很大，大部分属于

甘露糖／葡萄糖和半乳糖／N 乙酰半乳糖胺结台凝

集素，有些识别L岩藻糖、Neu5Aca(2，3)Gal／Gal—NAc，还有的不结台单糖，仅识别寡聚糖．

3．2 几丁质结合凝集隶

许多几丁质结台凝集素均包含有一个或多个橡胶

素(hevein)结构域．橡胶素是从橡胶树的乳液中分离

的、由43个氨基酸组成的小分子质量蛋白质，属于具

有一个几丁质结合位点的单凝集素．目前已经在禾本

科、荨麻科、罂粟科、商陆科和茄科中发现了几丁质结

台凝集素的存在，它们具有高度的序列同渌性。]．

3．3 单子叶甘露糖结台凝集素

单子叶甘露结台凝集素发现相对较晚．1 987

年，发现了第一个单子叶甘露糖结合凝集素雪花莲

外源凝集素(GNA)，它仅具有甘露糖结合专一

性口]．之后，结构和进化上相关的植物凝集素相继在

石蒜科、风梨科、天南星科、兰科和百合科中被发现，

都仅对甘露糖具有专一性，对许多单子叶甘露糖结

合凝集素的研究发现，它们属于一个在进化上相关

的家族，不仅序列上具有同源性，而且都表现出对甘

露糖的专一性．单子叶甘露糖结合凝集素由约12

ku的单体组成同源二聚体或四聚体，但是在前体的

加工和修饰上有很大的差别，近年还发现．编码单子

叶甘露糖结合凝集素的基因是一类相关基因组成的

基因家族．对雪花莲属(Galanthus L．)、水仙属等

石蒜科凝集素基因eDNA序列分析表明，它们各自

都有不同的凝集素基因的表达，这可能是有许多同

工凝集素(1ectin isoform)存在的原因[】]．

3．4 Ⅱ型核糖体失活蛋白

Ⅱ型核糖体失活蛋白(type 1I ribosome—inacti—vating proteins)具有特异的rRNA N一糖苷酶活性，

能够催化失活真核细胞的核糖体．Ⅱ型核糖体失活

蛋白有1、2或4个相同的亚基组成，每个亚基包括

两个在结构和功能上都不同的多肽．即A链和B

链，两条链通过一个二硫键共价连接．A链具有N一

糖苷酶活性，B链具有糖结合活性．同豆科凝集素

相似，Ⅱ型核糖体失活蛋白也具有不同的糖结合特

异性，主要识别半乳糖或N一乙酰半乳糖胺．目前仅

有少数Ⅱ型核糖体失活蛋白的序列已知．对相思豆

毒蛋白、蓖麻素、SNA—I和SNA-V(来自Sambu—

CUB nigra的茎皮)及SSA(来自Sambucus siebold]一aria的茎皮)序列的比较，发现Ⅱ型核糖体失活蛋白序列具有同源性 ]．

3．5 术菠萝素(jacalin)家族

木菠萝素是从木菠萝(arotoearpus integrifolia) 的种子中分离的一种可以和半乳糖特异结合的凝集素．在桑科的其他植物中也发现有类似的凝集素，

以前一直认为桑科凝集素是桑科植物特有的一类小

的凝集素家族，后来人们在其他植物中也发现了与

之序列高度相似的凝集素，于是将它们统归为一个

木菠萝素家族．木菠萝素家族根据其糖结合的专一性，可以分为两个类别，一类是半乳糖专一性的，包括木菠萝素和一些桑科凝集素，亚基由一个短的口

链和一个长的a链组成 cJ；另一类是甘露糖专一性的，都是由多个亚基构成的多聚体，每个亚基由一条肽链构成0 ．

3．6 葫芦科韧皮部凝集索

许多葫芦科植物韧皮部汁液中古有一种二聚体

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武汉大学学报(理学版) 第48卷

的几丁质结合凝集素，对其序列分析表明，除几丁质结合特性外，和几丁质结合凝集素并没有序剐上的

同源性，southern杂交分析表明它们由一个小的基

因家族编码口．

3．7 苋科凝集素

许多苋科植物的种子中包含一类对GaINAc具

有特异性的凝集素，它们在氨基酸序列和三维结构

上同其他的植物凝集素都不同．

植物凝集素糖结合特异性的另一个重要方面是

它们对外源多糖亲和的优先性．大部分植物凝集素

对动物糖蛋白的亲和性远远高于植物的典型糖类，

还有的凝集素仅仅结合植物不具有或含量很少的糖类，如几丁质结合凝集素识别真菌细胞壁和无脊椎

动物外骨骼上的多糖，这种对动物和微生物糖类的

优先性表明，植物凝集素的功能可能在于结合外源

糖蛋白而非内源受体．

4 植物凝集素的结构

4．1 豆科凝集素

伴刀豆(Canavalia 玎 rmfs)凝集素(ConA)

等豆科凝集素在结构上非常相似，仅在形成多聚体

的方式和程度上有差异，例如ConA及来自兵豆(Lens culinaris)、豌豆(Pisum sativum L．)的凝集素，其单体由两个p片层构成，两个p片层分别由7

条、6条反向平行的链构成，它们之间通过转折和环

相连，第三个较小的p片层，即s片层将上述两个p

片层连接在一起，S片层由5条较短的链构成(图1，①)_1 l5]．虽然豆科凝集素都具有相似的立体结构，但组成单体的肽链并不一样，如ConA等Dioclece

族的单链凝集素的前体仅有一条约25 ku的肽链构

成，而~iciece族凝集素的前体由一条2O ku的口链

和一条5 ku的a链通过非共价键结合在一起．

Viciece族凝集素是二聚体，两个单体非共价相连成

一个对称的、十二链的p夹层状结构(图2，①)．Co—nA等Dioclece族凝集素依据pH的情况可以形成

二聚体或四聚体(图2，②)．上述两种凝集素在糖结

合位点上没有明显的差异．ConA、香豌豆(La—

thyrus odoratus L．)凝集紊(LoL1)和糖的共结晶研究表明：位于单体上部4个环上的几个氨基酸残基(LoLl中的Asp 、Oly 、Asn”。、Gly跏、A1a加。、Glu 。)决定了糖结合的特异性，其中有些氨基酸残

基在豆科凝集素中是不变的，如LoLl中的Asp 和Asn”，被认为对糖结合活性是必需的，位于一个较长可变环上的两个残基A1 、GIu 表现出较大的

可变性，被认为可能和糖结合的特异性有关．

4．2 单子叶甘露糖结合凝集素

在单子叶甘露糖结台凝集素中，对GNA的研究

最为详细．天然GNA是四聚体，有4个12 ku前体

非共价结合成50 ku的同源四聚体．GNA单体肽链

包括109个氨基酸，形成3个亚结构域(I，Ⅱ，III)，其中Ⅱ，Ⅲ亚结构域均是四链的B片层，I亚结构域是一个3链的B 片层，它们之间通过环相连

(图1，②)“”J．在GNA二聚体中(A和D，B和c)，

两条肽链C端的链相互交换，参与到I亚结构域中，使之也成为一个4链的p片层，这样GNA单体的3个

片层即由12条链组成，3个p片层按棱柱的方式排列

成一个p棱柱状结构，口片层的方向和棱柱的轴垂直．GNA单体的3个甘露糖结合位点位于有3个0

片层构成的裂隙中，两个GNA二聚体形成GNA四

聚体，形状像一个扁平的王冠，中间有一个较宽的亲水性通道(图2，③)．GNA的糖结合位点有4个保守

氨基酸残基，它们位于I亚结构域中(G1n肼，Asp ，Ash9 ，Tyr )，其中Asf As 决定甘舔糖结合特异

性，此外，VaP。也参与了和糖的亲水性结合．

4．3 术菠萝(jacalin)凝集素

木菠萝素的前体由1 33个氨基酸残基a链和

2O个氨基酸残基B链非共价结合而成，12条链构成

的p片层也排列成p棱柱的形状，B片层的方向同B

棱柱的轴平行(图1，④) ．结台甘磊糖的木菠萝

凝集素，如菊芋(Helianthus tuberosus L．)凝集素

(Hehuba)等，也具有相似的立体结构，仅有一条构

成p片层的链不同(图1，③) ．天然的木菠萝素

为四聚体，具有4个Gal／GalNAc结合位点(图1，

⑤)．菊芋凝集紊在结晶时形成八聚体，八聚体按圆

环形状排列(图2，④) ，其他结台甘磊糖的木菠萝

凝集紊则形成四聚体或二聚体(图2，⑤)口．菊芋

凝集素的糖结合位点包括5个氨基酸残基(Oly ，

Oly”。，Asp ，Val ，Asp 。)，它们和甘磊糖通过8

个氢键相连．木菠萝素的糖结合位点和Hehuba的

相似，不同的是其链N端的Oly 替代了Gly ．

4．4 I型核糖体失活蛋白

尽管大部分Ⅱ型RIP和Gal／GalNAc结合(蓖

麻素、相思豆毒蛋白)，最近从鸢尾属(Irls L．)植物

Iris hollandica的球茎中分离了两种核糖体失活蛋

白(RIP)IRAr和IRAb可以和半乳糖、甘磊糖结

合口，但是IRA B链的结构和其他RIP很相似(图

1，⑤)．对IRA B链的结构研究表明，B链的分子质

量为29 ku，包括两个结构域，两个结构域分别包括

4个亚结构域1 、h、1B、17和2 、2a、2B、27．每个

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第2期梁峰等：植物凝集素的研究进展

结构域的p片层按三叶草的形式排列，通过a螺旋

相连．两个糖结合位点(Asp 、Se一、Trp 、

Asn 、G Ln 。)位于p链的两端，即Is和2 亚结构

域上，通过7个氢键和甘露糖结合．

5 植物凝集素的功能及其应用

现在对植物凝集素的生理作用还有争议，但比

较一致的看法是凝集素的糖结合活性及其专一性决

定了它们的功能．专一性研究表明外源多糖可能是

许多植物凝集素最可能的受体，外源多糖包括真菌

或植物病毒表面、昆虫或草食动物肠道细胞表面的

糖蛋白．基于凝集素和糖的相互作用，对凝集素的

生理作用有许多假说．例如，植物凝集素被认为和

糖的运输．储藏物质的积累、细胞间的互作，以及细

胞分裂的调控等有关．同样，凝集素和外源糖的结

图l 不同类型植物凝集紊前体的三维结构示意图

1．LOLl前体-2 GNA前体的p棱柱结构|3．蒲芋块茎凝集素前体的P棱柱结构-4．术菠萝衰前体的p棱柱结构{5．IRAr的口链构成的三

叶草状结构．★表示糖结台位点

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武汉大学学报(理学版) 第{8卷

合被认为是植物和微生物间的识别、对外源生物防

御机制建立的决定因素．后来人们认识到植物凝集

素不仅在植物体内起作用，如作为氮源、特异的识别

因子等，而且在植物抵抗外来生物如植物病毒、昆

虫、草食动物的防御反应中也起作用．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．

人工饲养试验表明，许多植物凝集素对咀嚼式

口器昆虫具有毒性，如麦胚凝集素(WGA)、马铃薯

(Solanum tuberosur~t L．)块茎凝集素、花生(Ar —

chishypogaea L．)凝集素、刺苹果种子凝集素荨麻

属(Urtica L)的凝集素抑制绿豆象幼虫的发

育““]．最近的工作发现刺吸式口器昆虫如椰粉虱、

图2 不同植物凝集素多聚体的三维结构摸型

1．LOLI对称的二聚体·2．ConA的四集体结构I 3．GNA 由 D和B-c阿十二聚体形成的四聚体结构；4 环状排列的菊芋凝集紊八聚体

结构；5 术菠萝索的四囊体结构．★表示糖结台位点

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第2期梁峰荨：植物凝集索的研究进展

叶蝉、蚜虫等对一些单子叶植物甘露糖结凝集素敏

感 ]．例如纯化的雪花莲外源凝集素(GNA)和转

gna烟草(Nicotiana tabacum L．)的昆虫饲喂都表

明，GNA可以抗刺吸式口器昆虫，而且可以抗植物

病原性线虫．上述结果都说明植物凝集素在植物

中具有防御功能．

近年来，植物凝集素在抗虫基因工程，特别是针

对蚜虫等同翅目害虫抗性上的应用受到了愈来愈多

的重视．报道的具有抗蚜活性的基因有植物凝集素

基因、异戊烯基转移酶基因(ipt)和番茄抗线虫基因

(Mi)n 。，其中应用最多的植物凝集素基因是雪花

莲外源凝集素(GNA)基因．报道的转植物凝集素

基因的植物有烟草、水稻、马铃薯、小麦(Triticum

aestivum L．)、番茄(L c0声 rs￡cDn esculentum M川)

等，它们表现出了对桃蚜、水稻褐飞虱、菜园夜蛾及

麦长管蚜等害虫的抑制和抗性．例如，Hilder等0

人将gna置于35S启动子的控制下，转化烟草，对转

基因烟草的叶片及整株虫试表明转基因植株对桃蚜

具有抗性，使蚜虫的个体大小显著小于对照，发育受

到影响，生殖力下降．

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、

动物的对营养吸收，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．

某些浓度很低的凝集素可能参与植物体内或体

外的特定的识别过程，例如豆科植物根部的凝集素

可能参与Rhizobium 和Bradyrhizobium 的识别或

结合，在共生关系的建立中起着决定性园子的作

用．

近年来的研究还发现，单子叶甘露糖结合凝集

素对人和动物反转录病毒(HIV)具有抑制作用，

某些豆科种子凝集素同细菌细胞壁上的胞壁酸、N

乙酰胞壁酸及胞壁二肽有强烈的互作，麦胚凝集素

可以抑制真菌的生长．因此一般认为凝集素可能具

有保护植物抵抗细菌、真菌、植物病毒等植物病原体

侵袭的作用．

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Plant Lectin and Its Application in

Insect—Resistant Plant Genetic Engineering

LIANG Feng，CHANG Tuan-jie

(Department of Biology．Shangqiu Teachers Co llege-Shangqiu 476000．HengntChina)

Abstract：Plant lectins are proteins possessing at least one non-catalytic domain that binds reversibly to

specific mono or oIigosaccharides．They distinguish themselves from other plant proteins by the ability of

carbohydrate binding．M ost plant lectins are directed to bind foreign polysacehride．Plant leetin is believed

to take part in the defense responses against invader．In this paper we presented a review on the classifica

tion，characters，functions，crystal structure and functions related to the carbohydrate binding activity．

Key words：plant lectim carbohydrate binding ability；crystal structure；functions； insect—resitant

plant genetic engineering

维普资讯 https://www.360docs.net/doc/7210023952.html,

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