壳多糖酶（几丁质酶）是一类糖苷水解酶，可催化断裂壳多糖β‑1,4 糖苷键，将其降解为壳寡糖与N‑乙酰氨基葡萄糖。多用于农业生物抗真菌防虫、甲壳废弃物资源化、制备活性壳寡糖及真菌原生质体制备。
壳多糖是病原真菌细胞壁的主要成分，也是节肢动物等生物不可或缺的结构成分。植物疾病多数由真菌或昆虫病原体所引起，自然状态下的植物通常持续暴露在致病和非致病性微生物组成的异质群体中。因而，植物需要产生多种防御物质，并形成多种应答机制以实现自身的保护。植物壳多糖酶的生理功能之一，即是通过降解几丁质、抵御病原真菌和昆虫对植物的攻击。
植物壳多糖酶在生物胁迫中的作用
1、壳多糖酶的抗真菌作用
壳多糖酶通过作用于真菌的细胞壁，降解其几丁质、破坏真菌细胞骨架，进而抑制真菌的致病力和生长发育，达到抗菌的效果(zheng et al.，2014)。真菌的感染会诱发植物体内壳多糖酶活性的增高，而壳多糖酶对真菌孢子的萌发具有抑制作用；同时，植物种子萌发可导致壳多糖酶释放到周围介质，并抑制真菌的生长繁殖(Anusuya and Sathiyabama, 2014)。例如,菜豆壳球孢菌(Macrophomina phaseolina)侵染玉米(Zea mays),诱导玉米产生壳多糖酶,进而玉米对菜豆壳球孢菌抗性明显提高(Sharma et al., 2014)。利用电子克隆技术从甘蔗(Saccharum spp.)中克隆获得了一个壳多糖酶cDNA序列 ScChiIV1，以黑穗病菌(Sporisorium scitamineum)分别胁迫甘蔗抗病和感病基因型的蔗芽后，两种基因型中该基因的表达存在差异:在抗病基因型崖城05-179中,该基因表达水平在病原胁迫后12h迅速上升并达到峰值，而后显著下降,但高于胁迫前表达水平,直至96h时恢复原始水平;而在感病基因型柳城03-182中,该基因在处理早期(6h)就表现出积极应答,而后表达量明显下降,但72h后表达量显著上升,高于抗病基因型中该基因的表达量峰值(许颖等，201S)。
植物花蜜和花外蜜汁(EFN)具有显著的抗菌活性,如新鲜的露珠杜鹃(Rhododendron irroratum)花蜜含有壳多糖酶,可保护植物免受灰葡萄孢菌(Botrytiscinerea)等微生物的感染(Escalanteperez and Heil, 2012;Zha et al., 2016)。
黑条叶斑病菌(Mycosphaerella fjiensis)可感染香蕉(Musa paradisiaca)引起黑条叶斑病,因而是香蕉出口的重要制约因素。将水稻(Oryza sativa)的2种壳多糖酶基因rcg3和rcc2整合到香蕉基因组中可使其叶坏死表面积相较于对照组减少73%~94%，且香蕉叶坏死病症的减轻程度与水稻壳多糖酶的表达水平具相关性(Kovacs et al, 2013)。在欧洲油菜(Brassicanapus)中共表达深绿木霉(Trichoderma aureoviride)壳多糖酶基因chit42与粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)壳多糖酶C端几丁质结合域编码区的融合基因，以及萝卜(Raphanus cativus)防御素(Defensin)基因发现2种携带单拷贝外源基因的转化株对引起茎腐败病(Sclerotinia stem rot)的核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)的生长分别具有47%和 49%的抑菌效果(Zarinpanjeh et al., 2016)。
2、壳多糖酶的抗细菌作用
立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)引起的纹枯病(S-heath blight),是当前水稻(Oryza sativa)的主要病害之一。研究发现,转水稻壳多糖酶chill基因的水稻株系ASD16-4-1-1、5-1-1和6-1-1均对纹枯病具有抗性。其中ASD16-4-1-1的chill表达量在T3、T4代均高于其它2种株系,并且ASD16-4-1-1具有更强的抗纹枯病能力。由此推测,转基因ASD16水稻对纹枯病菌具有抗性的主要原因是该株系携带了基因chil1(Rajesh et al., 2016)。
乳胶为植株乳管结构的基本成分。大戟科(Euphorbiaceae)植物的乳胶中均含有大量具有溶菌酶功效的壳多糖酶，可以有效保护植株免受病原体的攻击(Sytwala et al., 2015)。
3、壳多糖酶的抗虫作用
壳多糖是昆虫外骨骼角质层的主要成分。昆虫自身分泌壳多糖酶水解旧角质层中几丁质，为旧角质层定期脱落的必要条件，因而表达昆虫壳多糖酶基因的植物具有抗虫潜力(Ding et al., 1998)。
在营养不良的湿地生境中,茅膏菜(Drosera rotundifolia)等食虫植物(Carnivorous plants)通过捕获节肢动物,利用自身的壳多糖酶水解节肢动物外壳，并消化其尸体,以获得生长所需的额外营养成分,如氮素(Jopcik et al,, 2016)。用高水平表达烟草天蛾(Manduca sexta)壳多糖酶基因的转基因烟草喂养烟草天蛾幼虫(Hornworm)与烟芽天蛾(Heliothis virescens)幼虫(Budworm),发现烟芽天蛾幼虫的生长状况显著恶化，但烟草天蛾幼虫生长状况恶化不明显。若将烟草涂覆苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)毒素,再喂养幼虫,较之于野生型烟草,转基因烟草对天蛾幼虫杀伤力更大，由此说明壳多糖酶的抗虫功能(Dinget al., 1998)[1]。
参考文献
[1] 巩凯玲,陈双慧,纪晓晨,等. 植物几丁质酶的研究进展[J]. 分子植物育种,2019,17(20):6840-6849. DOI:10.13271/j.mpb.017.006840.