植物几丁质酶及其应用研究进展_张志忠
几丁质酶在植物病害生物防治中的应用
几丁质酶在植物病害生物防治中的应用摘要主要对几丁质酶的特性、功能及其在植物真菌病害防治中的应用进行了综合论述。
在此基础上,对几丁质酶在植物病害生物防治中的应用前景进行了展望。
关键词几丁质酶;生物防治;植物病害;应用ApplicationofChitinasesonBiocontrolofPlantDiseasesXU Meng-qiuZHONG Zeng-mingGONG YanXIE Xiang-ming *(College of Life Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083)AbstractIn this paper,characteristic,function and prevent plant diseases of chitinase were summarized. On this basis,the prospects of chitinase applications in biocontrol of plant disease were promised.Key wordschitinase;biocontrol;plant diseases;application几丁质酶广泛存在于各种植物、动物及微生物细胞和组织中,参与多种生理过程[1]。
几丁质酶可以有效降解几丁质,在自然界的物质循环中起着不可替代的作用。
几丁质是构成大多数真菌细胞壁的主要成分,在自然界中存在数量巨大,它能在几丁质酶系作用下被分解成N-乙酰氨基葡萄单糖(NAG)。
在环境保护、医药、食品和基础生命科学研究中具有巨大的潜在应用价值[1]。
在目前的研究中,将细菌及植物几丁质酶基因转入烟草、番茄、大豆、马铃薯、莴苣和甜菜等植物中,获得的转基因植物高效表达几丁质酶的生物活性,可显著抵抗真菌病害[2],此外将几丁质酶基因转入生防真菌中,也能显著提高生防真菌拮抗植物病害的能力[3]。
几丁质酶及其在植物保护中的应用
几丁质酶及其在植物保护中的应用
刘培斌;薛英志;于凤泉;李志强
【期刊名称】《辽宁农业科学》
【年(卷),期】2004(000)004
【摘要】随着越来越多的几丁质酶基因被克隆,目前几丁质酶在植物保护上的应用日益受到重视.简述了几丁质酶的5个方面的生物学作用及其在植物保护中应用的研究进展.
【总页数】2页(P39-40)
【作者】刘培斌;薛英志;于凤泉;李志强
【作者单位】辽宁省农业科学院植物保护研究所,辽宁,沈阳,100161;沈阳市农业高新技术开发区管理委员会,辽宁,沈阳,110164;辽宁省农业科学院植物保护研究所,辽宁,沈阳,100161;辽宁省农业科学院植物保护研究所,辽宁,沈阳,100161
【正文语种】中文
【中图分类】Q814.9
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4.计算机技术在植物保护中的应用——评《现代植物保护信息技术实验》 [J], 秦彩宁
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几丁质酶在植物病害生物防治中的应用
几 丁 质酶 的分 子结 构 主 要包 括 信 号肽 序 列 、 丁质 酶 几 催 化 区 、 丁质 结 合 区 域 、 几 Ｃ端 区 域 。 中 几丁 质酶 催 化 区 其 （ ２个 高 度保 守 区 ， ｌ （ ） Ａ ｐ Ｄ） 基 高度 保 守 ） 几 具 Ｇｕ Ｅ 和 ｓ （ 残 、 丁 质 结合 区 域 （ 物 几 丁 质酶 的 几丁 质 结合 区 主要 含 有 半 植 胱氨 酸残基 ， 生物几 丁质酶 的几丁 质结合 区主要含 有色氨 微 酸残 基 ） 化 区域相 似 的几 丁质酶 ， 催 它们 的几 丁质 结合 区域
部分 水 解 的几 丁 质均 可 以 诱导 几 丁质 酶 的产 生 ， 几丁 单 但 糖 （ ＡＧ） 不 能 。 种 诱 导物 对 不 同 微 生物 的诱 导作 用 亦 Ｎ 则 各 有所 不 同 ， 且 几 丁质酶 的诱 导 可被 过 量 的可 溶 性代 谢 物 并 所 阻遏 。 是 分 泌性 ， 生 物 所产 的几 丁 质 酶 多 是 分泌 型 三 微
几 丁质酶广 泛存在于 各种植 物 、 物及微 生物细 胞和组 动 织中， 参与 多种 生理 过程 １ 几 丁质 酶可 以有 效降 解几 丁 质 ， １ 。 在 自然界 的物质 循环 中起 着不可 替代 的作 用。 丁质是 构成 几
大 多 数 真 菌 细 胞 壁 的 主 要 成 分 ， 自然 界 中 存 在 数 量 巨 大 ， 在
Ａｐ ｌ ａ ｏ ｆ Ｃｈ ｔ ａ ｅ ｎ Ｂｉ ｃ ｎ ｒ ｌ ｏ ａ ｔ Ｄｉ ａ ｅ ｐ ｉ ｔ ｎ ｏ ｉｉ ｓ ｓ ｏ ｏ ｏ ｔ ｏ ｆ Ｐｌｎ ｓ ｓ ｓ ｃｉ ｎ ｅ
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植物几丁质酶及其基因工程研究进展
收 稿 日期 ： ０ ９ １ — ８ ２ ０—０２
作 者 简介 ： 爱 葵 ， ， 东兴 宁 人 ， 东教 育 学 院 生 物 系教 授 ． 陈 女 广 广
・
４ ８・
广东教育学 院学报
第 ３ 卷 ０
还 能催 化转糖基 反应 ． 引
１ ２ 植 物几 丁质酶 的抗病 作用机 理 ．
通过 现代组 织化学 技术结 合荧光 显微 镜和 电镜技术 观察 到真菌 的菌丝 顶端及 其侧 壁里层 有几 丁质 的存
在［． ６ 几丁质是一种广泛分布于多数真菌细胞壁上 的主要成分． ］ 它是 Ｎ 乙酰一 ． 一 Ｉ葡萄糖胺 以 １４ ） ，一 糖苷键连 接 的多 聚物． 物 中的 Ｎ一 植 乙酰 葡萄 糖胺 以糖 酯键 形 式 存 在 ， 而非 线 性 同 聚物 ， 即植 物 中缺 少该 酶 的有 效底 物． 所以几丁质酶可以降解病原真菌细胞壁 中的几丁质 ， 破坏细胞新物质 的沉积致使病原体死亡 ， 而且产生 的细胞壁碎片具有诱导作用 ， 从而刺激寄主植物的抗病反应＿． ７ 大量研究表明， ］ 几丁质酶抑制菌丝生长 ， 使其 顶 端细胞 壁变薄 进一步 引发气 球状 突起 ， 终导致 原生质 膜破 裂［． 最 ８ ］
陈 爱 葵 ，庄 文 宋 ，陈冬梅
（ 东教 育学 院 生 物 系 ，广东 广 州 ５０ ０ ） 广 １３３
摘 要 ： 丁质是 构成 大 多数真 菌细 胞壁 的主要 成 分． 丁质 酶 广 泛存 在 于植 物 、 物及 微 生 物 几 几 动 细胞和 组 织 中， 参与 多种 生理过 程． 究发现 ， 多微 生物都 可以产 生几 丁质 酶 ， 研 许 几丁质 酶 的生物 活
第３卷 Ｏ
第 ３ 期
广 东 教 育 学 院 学 报
几丁质酶在农作物免疫防御中的应用研究进展
Food Science And Technology And Economy粮食科技与经济2023 年4月第48卷 第2期Apr. 2023Vol.48, No.4随着世界人口的日益增长，粮食的需求量随之上升，导致农作物在全球的种植面积需求越来越大，而农作物病虫害的发生是造成农作物产量和质量降低的最主要因素，每年因病虫害造成粮食（农作物）减产20％～40％，直接损失超过2 000亿美元[1]。
目前在病虫害防治方面，主要还是依靠化学防治的方式和手段[2]，然而过度依赖化学防治方式会造成环境生态污染。
为了生态环境的可持续发展，降低化学试剂对土壤环境的影响，生物技术在农业建设过程中的应用逐渐被重视。
将生物技术应用于农业病虫害防治中，能够有效减少传统的化学农药防治方法给环境带来的负面影响，推动绿色农业的可持续发展[3]，而几丁质酶在农作物生物防治方面具有巨大的潜在应用价值。
几丁质酶（Chitinase, EC 3.2.1.14）是水解几丁质的酶，能够催化几丁质的β-1,4-糖苷键，将其降解成N -乙酰葡糖胺（N -actyl glucosamine, NAG ），并能由各种微生物，包括病毒、细菌和真菌，以及昆虫、高等植物和动物合成[4]。
几丁质由β-1,4-糖苷键将N -乙酰-D -氨基葡萄糖（Be -ta -1,4-linked Repeating N-acetylaminoglucose Units, GlcNAc ）分子连接而成，以结构多糖的形式存在于真菌细胞壁、节肢动物的外骨骼、甲壳纲动物的外壳以及寄生线虫的外壳中，但尚未在植物体内鉴定出几丁质的存在[5]。
几丁质酶能够通过降解真菌性病毒细胞壁中的几丁质和破坏昆虫及线虫的消化膜等方式达到抗病虫害的效果，且不会对植物体产生伤害。
同时，几丁质酶也是植物防御系统中重要的防卫因子，可以增强植物的防御系统，在抵御病原真菌以及病虫害中发挥着重要作用[6]。
植物几丁质酶及其应用研究进展_张志忠
综上所述 , 植物几丁质酶的功能是十分广泛的 , 但不同植物中的几丁质酶的功能是不尽相同的 , 有的 在抗病方面的作用明显 , 有的则主要与发育有关 .几丁质酶在不同方面的作用可能是相关联的 , 如前文所 述几丁质酶参与共生固氮作用 , 同时几丁质酶在植物发育的信号产生或传导中起作用 , 而这两者可能具有 相关性 , 因为这都涉及到对信号分子的作用 .因此 , 植物几丁质酶像许多其它植物防御蛋白一样 , 不仅在植 物抗病性方面具有十分重要的作用 , 而且也有许多其它方面的作用 , 存在着广泛的应用前景 .目前有关植 物几丁质酶抗病作用的研究较多 , 今后的研究中应加强几丁质酶表达调控的研究 , 以阐明在植物发育与病 程中的作用 ;弄清几丁质酶诱导信号途径及其反应元件 、酶结构与其功能的关系 、各种几丁质酶的抑菌谱 及其选择性抑菌机理等 , 便于对其进行正确的选择利用 , 这些研究将在很大程度上影响其实用意义 .
几丁质酶及其在农业生产中的应用
几丁质酶及其在农业生产中的应用
几丁质酶是一种多功能的酶，它们可以分解几丁质，是一种有效的水解酶。
它们在农业生产中有着广泛的应用，主要有以下几点：
1. 几丁质酶可以改善土壤的质量，增加土壤的肥力，促进植物的生长发育，提高作物的产量。
2. 几丁质酶可以提高植物的抗性，增强植物的抗病能力，减少因病虫害引起的损失。
3. 几丁质酶可以提高植物的抗旱能力，改善耐旱性，提高作物的抗旱能力。
4. 几丁质酶可以提高植物的抗寒能力，增强植物的耐寒性，提高作物的抗寒能力。
5. 几丁质酶可以改善植物的生长环境，促进植物的生长发育，提高作物的产量。
几丁质酶的活性改良及固定化研究
几丁质酶的活性改良及固定化研究几丁质酶是一类催化水解几丁质及其衍生物中的β-1,4糖苷键,产生N-乙酰胺基葡萄糖的糖基水解酶。
几丁质被几丁质酶水解后,能产生多种不同聚合度的几丁寡糖。
这些几丁寡糖具有多种生物活性,比如抗细菌和真菌活性,调控机体免疫能力及抗癌等功能。
而且,几丁质酶能破坏植物寄生线虫肠道和病原真菌细胞壁中的几丁质成分。
因此,几丁质酶在医药领域、环保领域和农林业中具有十分广泛的应用价值。
本研究是针对实验室先前克隆的几丁质酶基因pachi,通过易错PCR技术构建pachi基因的随机突变库,采用96深孔板和T7噬菌体结合的高通量筛选技术,以1%可溶性壳聚糖为底物,DNS为指示剂,对随机突变库进行筛选。
从大约12000个突变株中筛选到一株活性明显提高的突变体PachiN35D,与野生型进行氨基酸序列比对发现,突变体的第35位氨基酸残基由原来的天冬酰胺替换成天冬氨酸。
比较分析野生型几丁质酶Pachi和突变体PachiN35D的酶学性质发现,对于可溶性壳聚糖底物,突变体PachiN35D的最适温度为50℃,比野生型Pachi的60℃下降了10℃。
野生型Pachi在60℃水浴1 h后,还能保持76%的活性,而突变体PachiN35D 在55℃水浴1 h后几乎完全丧失活性。
分析野生型和突变体的动力学常数,野生型Pachi的Km是36.1 mg/mL,突变体PachiN35D的Km是13.3 mg/m L,突变体对于可溶性壳聚糖底物的亲和力提高了63%;野生型的kcat/Km值是0.37mL/mg/min,而突变体的kcat/Km值是1.14 mL/mg/min,表明突变体PachiN35D的催化效率比野生型Pachi提高了2.1倍,并且突变体PachiN35D的比活力是49.9U/mg,相比野生型Pachi的22.3 U/mg提高了1.2倍。
将几丁质酶突变体用于秀丽隐杆线虫的生物测定,突变体的半致死浓度LC50为309.6μg/m L,比野生型的387.3μg/m L降低了20%,因此,突变体的杀线虫活性提高了20%。
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3 几丁质酶基因的克 隆
到目前为止在 GeneBank中登录的几丁质酶基因核苷酸序列已有 2778条 , 其中已有 256个几丁质酶 基因被克隆 , 部分已克隆的几丁质酶基因见表 1.
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福建农林大学学报 (自然科学版 )
第 34卷
表 1 部分已克隆的几丁质酶基因 1) Table1 Somechitinasegenescloned
基因名称
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序列号
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ChB4 win6、 gwin6 Chi26、 Chi33 ChitW1 Rcht2 SP2 AP24 Chi14、 Chi17、 Chi9、 Chi3 Ch3 pLP6 Chib2、 Chib1-1、 Chib1-2 PROB3 Chia2-B1 chi1 ChtB1、 ChtB2、 ChtB3、 ChtB4 A1 Cht-1、 Cht-2、 Cht-3 Wch1 Pz
作者简介 :张志忠 (1976 -)ห้องสมุดไป่ตู้ 男 , 博士 , 讲师 .研究方向:植物生物技术 . ＊通讯作者 .
第 4期
张志忠等 :植物几丁质酶及其应用研究进展
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都可诱导几丁质酶的活性迅速上升 [ 7] .此外 , 大多数几丁质酶也可受某些非生物因素 , 如机械损伤 、乙烯 、 紫外光 [ 5] 等的诱导 .有的植物几丁质酶除具有几丁质酶活性 , 还具有核糖体失活蛋白活性 [ 8] 和蛋白酶抑 制剂活性[ 9] 等 .目前普遍认为植物体内不同类型几丁质酶的诱导存在着极其复杂的机理 , 如 Salzeretal[ 10] 在苜蓿菌根形成过程中发现 :病原侵染导致 Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅳ类几丁质酶基因被诱导了 ;结瘤的形成也导致了同样 种类酶的诱导表达 , 但成瘤的早期 Ⅰ 、Ⅱ类几丁质酶基因被诱导 , 而瘤成熟阶段 Ⅳ类几丁质酶基因被诱导 ; 在菌根形成过程中上述 3类几丁质酶基因的表达水平没有变化 , 而一种 Ⅲ类几丁质酶基因被强烈地诱导 表达了 , 但有另外 2种 Ⅲ类几丁质酶基因在上述所有过程中均未被诱导 .由此可见 , 几丁质酶的诱导存在 着极为复杂的机理 , 对这方面的深入研究将为在不同的领域选用不同类型的几丁质酶提供依据 . 2.2 植 物几丁 质酶 的功 能
对植物几丁质酶的分类已经过多次改进 , Shinshietal[ 3] 提出几丁质酶可以归为三类 , Collingeetal[ 4] 在其基础上增设了第 4类 .Ⅰ类几丁质酶结构上包括 3个功能区域 , 即 N-端区是几丁质结合区 , C-端区 是酶的催化区 , 也是酶的主要功能区域 , 二者通过一个多变的交联区连接在一起 ;Ⅱ类仅具有类似于 Ⅰ类 的酶催化区域 , 而没有几丁质结合区和交联区 ;Ⅲ类与 Ⅰ 、Ⅱ类没有同源性 ;Ⅳ类类似于 Ⅰ类 , 但功能区较 小 , 保守序列中有 4处缺失 , 其中仅有 Ia型定位于液泡[ 5] .根据不断更新的研究资料 , Neuhausetal[ 6] 对上 述分类系统进行了改进 , 将几丁质酶细分为 4个大组 9个亚组 .相信随着研究的深入 , 更加详细 、合理的分 类系统将会被提出 , 这将有利于对该酶的合理有效利用 .
RasmussenU ClarkeHR LeahR EsakaM KimCY NielsenKK MelchersLS DanhashN AllonaI ChangSJ WatanabeA NairnCJ OhmeTM PoratR BeerhuesL VadK NishizawaY LiaoYC HeitzT BerglundL BuchterR RobinsonSP HudspethRL KellmannJW XuY RegaladoAP ZhaoKJ ChangM M KhanAA AncilloG ColucciG RojasH R ChengCM
Ch1 ChtA2、 ChtA1 VvChi4A、 VvChi4B Chi2-1、 Chi2-2 A.h.Chi2-1、 A.h.Chi2-2 RC24 IF3 BjCHI1 DAH53 PGR99 ChtB、 ChtC PGR99-075 Ar-52 Chi3-P1
油菜 白杨 大麦糊粉层 有翼蚕豆 水稻 尾孢菌侵染的甜菜 烟草 感灰霉病番茄 栗 松树 大豆 甜橙 烟草 柑橘 马铃薯 豌豆 水稻 小麦 感病毒病烟草 甜菜 马铃薯 葡萄 棉花 花生 水稻 白羽扇豆 芥菜 豌豆 草莓 马铃薯 豆薯 咖啡 辣椒
Abstract:Chitinaseisanimportantpathogenesis-relatedprotein, whichuniversallyexistsinhigherplants.Studiesonplantchitinasearebrieflyreviewedinthispaper, whichincludesthecharacteristics, structure, classification, cytologicalorientationandfunctionsofchitinaseaswellascloningofitsgeneanditsapplicationtoplantgeneengineeringfordiseaseresistance. Keywords:chitinase;transgene;anti-fungalgeneengineering
2 植物几丁质酶的特 性和功能
2.1 植 物几丁 质酶 的可 诱导 性 在正常情况下 , 植物中几丁质酶活性较低 , 经诱导后活性会迅速升高 , 真菌 、细菌 、病毒等病原微生物
收稿日期 :2004 -11 -28 修回日期 :2005 -05 -18 基金项目 :福建省自然科学基金资助项目 (B0510017).
中图分类号 :Q556
文献标识码 :A
文章编号 :1671-5470(2005)04-0494-06
Progressofplantchitinaseanditsapplication
ZHANGZhi-zhong, WUJing-hua, Lǜ Liu-xin, LINYi-zhang
(CollegeofHorticulture, FujianAgricultureandForestryUniversity, Fuzhou, Fujian350002, China)
福建农林大学学报 (自然科学版 ) JournalofFujianAgricultureandForestryUniversity(NaturalScienceEdition)
第 34卷 第 4期 2005年 12月
植物几丁质酶及其应用研究进展
张志忠 , 吴菁华 , 吕柳新＊ , 林义章 (福建农林大学园艺学院 , 福建 福州 350002)
摘要 :几丁质酶是高等植物普遍存在的一种重要的病程相关蛋白 , 近年来被广 泛应用于植 物抗病基 因工程的研 究 .本 文概
述了国内外有关植物 几丁质酶的研究情况 , 介绍了几丁质酶的特性 、结构 、分类 、细胞学定位和功 能及几丁 质酶基因的 克隆
与其在植物基因工程 中的应用 .
关键词 :几丁质酶 ;转基因 ;抗真菌基因工程
几丁质酶 (chitinase)主要水解几丁质多聚体中 β -1, 4糖苷键 , 产生 N-乙酰氨基葡萄糖寡聚体 .多种微 生物 、动物 、植物等都可产生几丁质酶 .高等植物本身不含作为真菌细胞壁组分之一的几丁质 , 但当植物受 到真菌 、细菌和病毒等感染时 , 几丁质酶的活性迅速提高 .因此 , 普遍认为几丁质酶与植物对病原微生物的 抗性有关 , 是重要的病程相关蛋白 .本文主要对几丁质酶的结构 、分类 、特性 、功能及其在植物抗病基因工 程中的应用作一综述 .
综上所述 , 植物几丁质酶的功能是十分广泛的 , 但不同植物中的几丁质酶的功能是不尽相同的 , 有的 在抗病方面的作用明显 , 有的则主要与发育有关 .几丁质酶在不同方面的作用可能是相关联的 , 如前文所 述几丁质酶参与共生固氮作用 , 同时几丁质酶在植物发育的信号产生或传导中起作用 , 而这两者可能具有 相关性 , 因为这都涉及到对信号分子的作用 .因此 , 植物几丁质酶像许多其它植物防御蛋白一样 , 不仅在植 物抗病性方面具有十分重要的作用 , 而且也有许多其它方面的作用 , 存在着广泛的应用前景 .目前有关植 物几丁质酶抗病作用的研究较多 , 今后的研究中应加强几丁质酶表达调控的研究 , 以阐明在植物发育与病 程中的作用 ;弄清几丁质酶诱导信号途径及其反应元件 、酶结构与其功能的关系 、各种几丁质酶的抑菌谱 及其选择性抑菌机理等 , 便于对其进行正确的选择利用 , 这些研究将在很大程度上影响其实用意义 .