植物大戰「病原菌」 打個疫苗上戰場

春葩含日、夏荷擎雨、秋葉泫露、冬梅傲雪，大自然中形形色色的植物陪我們歷經寒來暑往，為我們點亮生活的色彩；稻花飄香、麥浪翻滾、棉田似海、瓜菜成畦，品類豐富的農作物伴我們一日三餐，為我們提供生命的能量。植物同動物一樣，在成長的過程中會受到極端環境（冷、熱、旱、澇等）的刺激和昆蟲、病原菌（細菌、真菌等）的侵襲，整個生命周期時刻充滿未知的挑戰。植物不能像動物那樣移動躲避，但它們在漫長的進化過程中已修鍊出完備的免疫防禦系統，能夠對這些逆境奮起反擊。

我們以植物抵禦病原菌入侵過程為例，簡要介紹一下植物的免疫防禦系統。如圖1所示，對戰雙方分別為植物細胞和病原菌，它們就像兩座城池，都建有堅固的城牆——細胞壁。戰爭第一階段，病原菌企圖通過瓦解植物細胞壁入侵，此時，植物會首先分泌出一系列多糖水解酶來破壞病原菌的細胞壁，以求消滅病原菌。這一過程會產生很多寡糖類物質，植物識別這些寡糖啟動第一層免疫反應(PAMP-triggered immunity，PTI)，分泌殺傷力較強的物質如植保素、PR蛋白等對抗病原菌，同時還產生木質素等物質，起到加厚自己城牆（細胞壁）的作用。

圖1 植物與病原菌互作中產生的寡糖素信號

戰爭第二階段，病原菌受到植物抵禦後會改變戰略，分泌病毒效應蛋白（effector）來干擾植物的PTI過程。當然植物也不會坐以待斃，植物細胞識別病原菌的效應蛋白，激活第二層免疫反應(Effector triggered immunity，ETI)，從而加速和放大免疫，增強我方戰鬥力，抵禦病原菌的入侵。這時，病原菌會繼續改變戰略，釋放另一種效應蛋白繼續入侵，而植物也會進一步加強自身防線。這一過程會循環往複，直至一方獲勝為止。

植物免疫的防禦過程給科學家帶來了啟發，外源添加植病對戰過程中的一些寡糖、失活或弱毒性的病原菌、蛋白等物質，是不是可以激活植物的免疫防禦系統，從而達到增強植物抗病性的目的呢？經過長期的研究考察，這個推測得到了肯定回答。科學家們發現了一系列物理、化學或生物的因子都能夠激活植物的免疫防禦系統，從而誘導植物對寒冷、乾旱等極端天氣進行防禦，對病原菌的侵襲產生抗性。這些因子被定義為誘導子(elicitors)，也被形象的稱為「植物疫苗」。

研究發現，可以作為植物疫苗的物質來源十分廣泛，除了一些滅活的病原菌、效應蛋白、微生物的代謝產物之外，還包括自然界中一些天然產物，例如在植物與病原菌互作過程中產生的寡糖。通過利用自然界中富含多糖資源的蝦蟹殼、海藻、果膠、微生物等資源，可以大規模製備得到系列寡糖類物質。如上文所述，寡糖是植物抵禦病原菌入侵，瓦解病原菌細胞壁過程產生的物質，它可以被植物細胞識別從而激活加固第一道免疫防線。因此，通過模擬自然界中植物與病原菌互作的情況，外源噴洒寡糖可激活植物自身的免疫系統，增強抗病性，當病原菌入侵時，植物就可以輕鬆抵禦了。所以，植物疫苗和人類疫苗一樣，都是預防為主，它通過激活植物免疫系統來抵禦病原菌的入侵，從而減少化學農藥的使用，減輕環境污染，是一種新型生物農藥。

那麼，植物疫苗類的生物農藥與傳統的化學農藥相比，又有哪些不同呢？傳統的化學農藥是直接作用到病原菌，以殺死病原菌為目的。雖然作用效果很明顯，但是可能會使病原菌產生耐藥性，進而需要不斷加大劑量去控制病害，造成嚴重的環境污染和農藥殘留。而植物疫苗是針對植物免疫系統開發的一種生物農藥，相當於給植物注射疫苗提高其自身免疫抗病能力。所以，與傳統的化學農藥相比，植物疫苗有諸多優勢：使用濃度低，對人體無害，沒有農藥殘留的問題，對環境無污染；誘導抗病效果顯著，持效期長，作用廣譜，對多種病原菌都具有抗病功效；病原菌不會產生抗藥性，對不具有致病性的微生物無影響，有利於生態平衡和環境保護；此外，還可以與常規殺菌劑配套使用，在有效控制病蟲害的同時，著力減少農藥的使用。

國內外科研工作者已經著力於開發多種植物疫苗類的生物農藥，包括寡糖、蛋白、小分子化合物等一系列產品已被研發並投入實際應用。中科院大連化物所研究團隊基於在糖工程與植物保護領域多年研究基礎，創製了一系列高效多糖降解酶，建立了系列寡糖的製備技術；明確了寡糖在30餘種作物上的功能；深入研究了其作用機制，率先提出「糖鏈植物疫苗」概念；與企業合作，開發系列寡糖農用製劑，獲得農藥登記證15個，肥料證書3個；目前產品已在山東、陝西、海南等全國20餘省市的多種作物上進行了大面積推廣，累計推廣面積7000多萬畝次，取得了顯著的經濟效益與社會效益。

相信大家對「植物疫苗」的基本原理、作用方法和已經有了基本了解。隨著人們對食品安全的逐漸重視，對綠色農業生產的蓬勃需求，通過農藥管理者、科研工作者、生產者、使用者的共同努力，這一新型的生物農藥會更大規模地應用於我國農業生產，為構建綠色低碳社會貢獻力量。

作者：賈曉晨

來源：中國科學院大連化學物理研究所

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