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众所周知,人类和动物都具有免疫能力.那么,植物是否也具有免疫力呢？答案是肯定的.
植物在生长过程中,与动物一样,会受到极端环境的刺激和昆虫、病原菌等侵袭,但它并没有因此灭绝,这表明植物与人类和动物一样,在漫长的进化以及与有害生物博弈的过程中,早已形成了比较完善的免疫系统.当植物体受到病虫侵入时,会通过释放植保素、乙烯、水杨酸、茉莉酸以及多酚类物质来抵御外来入侵.
以植物抵御病原菌入侵为例,作为对抗双方的植物细胞和病原菌就像两座城池,都建有坚固的城墙——细胞壁.在对抗第一阶段,病原菌企图瓦解植物细胞壁入侵,此时,植物会分泌出一系列多糖水解酶来破坏病原菌的细胞壁,以消灭病原菌.这一过程会产生很多寡糖类物质,植物由此启动第一层免疫反应,分泌植保素、PR蛋白等杀伤力较强的物质对抗病原菌,并产生木质素等物质加厚细胞壁.
在第二阶段,病原菌受到植物抵御后会改变策略,分泌病毒效应蛋白干扰植物的第一层免疫反应.当然,植物不会坐以待毙,它会激活第二层免疫反应,加速和放大免疫,增强战斗力,抵御病原菌入侵.这时,病原菌会继续改变策略,释放另一种效应蛋白继续入侵,而植物也会进一步加强自身防线,这一过程会循环往复,亩至一方获胜为止.
植物免疫防御系统工作机制给科学家们带来启发：外源添加植病对战过程的一些寡糖、蛋白等物质,是不是可以激活植物的免疫防御系统,达到增强植物抗病性的目的呢？经过长期研究,这个推测得到了肯定回答.
研究表明,当植物受到外界刺激或处于逆境条件时,能够通过调节自身的防卫和代谢系统产生免疫反应,植物的这种防御反应或免疫抗性反应,可以使植物延迟或减轻病害的发生和发展.
科学家们发现了一系列物理、化学或生物的因子都能够激活植物的免疫防御系统,从而诱导植物对寒冷、干旱等极端天气进行防御,对病原菌的侵袭产生抗性.这些因子被定义为诱导子,也被形象地称为“植物疫苗”.
“植物疫苗”的概念最先是中国科学院过程工程所杜昱光研究员提出的.他是在利用氨基寡糖素生物农药防治植物病虫害时,无意中发现了制作“植物疫苗”的可能性.
对农药有了解的人都知道,氨基寡糖素是一种经常使用的杀菌剂.不过,杜昱光却敏锐地发现,有一类活性寡糖在防治农作物病害的机理方面可能不同于传统农药.原来,这种活性寡糖特别有个性,它在杀菌方面的活性并不那么高,却能在植物遭受疾病前大大提高它们的抗病性.他马上组织团队展开深入研究,结果发现,这种活牲寡糖在植物身上的预防效果,就相当于普通疫苗在人和动物身上的预防效果.于是,“植物疫苗”的概念就在他的脑海中形成.
一个新概念的提出,不仅需要科学理论的支持,还需要国内外同行的广泛认可.而恰好在同时期,中国农科院植保所邱德文研究员认为,能够诱导植物产生免疫防御反应的物质可以称为“植物免疫诱导剂”.2006年,杜昱光将“植物疫苗”的想法与邱德文进行充分的交流后,一致认为“植物免疫诱导剂”就是“植物疫苗”.
那么,国外有没有“植物疫苗”呢？别说,还真有！比如德国就有一种叫作ABa的试剂,这种试剂是一种纯天然的植物提取物,它可以为植物生长补充营养,从而防止农作物早衰.
无独有偶,泰国也研发出了一种植物疫苗,这种植物疫苗是从螃蟹壳和虾壳里提取出来的,专门用来预防花朵免受真菌侵害,同时提高作物的产量.
有人会问：“植物疫苗”与传统化学农药相比有哪些不同呢？传统化学农药直接作用于病原菌,虽然效果明显,但可能导致病原菌产生耐药性,进而需要不断加大剂量控制病害,造成环境污染和农药残留.“植物疫苗”相当于通过为植物注射疫苗提高其抗病能力,因此具有诸多优势：使用浓度低、对人体无害、没有农药残留、不污染环境；诱导抗病效果显著,持效期长、作用广谱；病原菌不会产生抗药性,对不具有致病性的微生物无影响,有利于生态平衡和环境保护；此外,还可以与常规杀菌剂配套使用,减少农药使用量.
目前,科研工作者着力开发多种“植物疫苗”,包括寡糖、蛋白、小分子化合物等一系列产品,并已被研发并投入实际应用.
研究发现,“植物疫苗”的物质来源十分广泛,除了一些灭活的病原菌、效应蛋白外,还包括自然界中一些天然产物,例如在植物与病原菌互作过程中产生的寡糖.通过利用自然界中富含多糖的海藻、果胶、微生物等资源,可以大规模制备得到系列寡糖类物质,再经过模拟自然界中植物与病原菌互作的情况,外源喷洒寡糖就可激活植物自身免疫系统,增强抗病性.
抗性物质本身存在于植物体内,但是处于失活状态,必须通过外部因素来诱导.诱导就是要激活植物体的免疫成分,通过免疫诱抗技术提高植物抗病性,减轻病害发生.
邱德文研究员及其团队筛选了弱致病性病原真菌,获得了能高效提高植物免疫的极细链格孢菌株,分离纯化了高活性热稳定蛋白,并通过高效蛋白生产加工工艺,添加增效因子氨基寡糖素,配制成了6%寡糖链蛋白可湿性粉剂——“阿泰灵”.该生物农药不仅填补了我国蛋白质植物免疫诱导剂生物农药的空白,也得到了国内和国际同行的高度认可.
“阿泰灵”属于生物农药范畴,它通过诱导植物自身免疫,增强植物抵抗能力,改善植物健康状况,以此抵御病虫害的侵扰.同时,“阿泰灵”引入了防御理忿,摒弃以往病害发生再开始治疗的策略,而是防患于未然,在未发病前就开始打药预防.当药剂接触到植物器官表面后,可以与植物细胞膜上的受体蛋白结合,引起植物体内一系列相关酶活性和基因表达量的增强,以调节水杨酸含量为主要路径,帮助生物大分子与活菌诱导蛋白、糖蛋白、多肽、小分子核糖核酸等从不同路径进入植物抗性信号传导,释放抗性因子,激活植物抗性系统.同时,激发植物体内基因,产生具有抗病作用的几丁酶、葡聚糖酶、植保素及PR蛋白等因子,从而起到提高自身免疫力,调节作物生长,提高抗病、抗虫、抗旱、抗寒性能力,抗病防虫,提高品质,实现增产的作用.
青稞是青藏高原主要的农作物品种,占该地区耕地面积的70%左右.但长期以来,青稞的产量和效益都很低,一直没有很好的方法来解决这一问题.西藏自治区农业技术推广中心的专家对使用“阿泰灵”植物免疫诱抗剂的青稞和牧草试验田进行了实地测产.测产结果显示,在同等底肥水平下,使用“阿泰灵”植物免疫诱抗剂喷施2次的春青稞,比未使用的每亩增产63千克,增产幅度达15%以上；施用“阿泰灵”喷施2次的燕麦,比未使用的每亩增产202千克,增产幅度达20%左右.
试验结果表明,免疫蛋白诱抗剂篦显著提高青稞和燕麦草出苗率,促进根系发育,促使植株健壮高大,叶片浓绿宽大.而且,免疫蛋白诱抗剂能增加有效分蘖、小穗数及成穗数,提高对黑穗病和病的抗性,对青稞及牧草增产效果明显.
目前,蛋白质植物免疫诱抗剂技术已在全国28个省市累计推广应用3000余万亩次,对多种作物病害的综合防控效果达65%以上,提高产量10%以上,减少化学农药使用量30%,在绿色植保和植物健康管理体系中发挥了重要作用.
植物免疫诱抗剂对农作物病虫害没有直接的杀灭作用,而是由外源生物或分子通过诱导或激活植物所产生的抗性物质,对某些病原物产生抗性或抑制病菌的生长.当其施用在农作物上后,通过诱导农作物产生抵御或防控农作物病虫害的物质,从而达到防治病虫害的目的.
而在激活植物体内分子免疫系统,提高植物抗病性的同时,植物免疫诱抗剂还可激发植物体内的一系列代谢调控系统,具有促进植物根、茎、叶生长和提高叶绿素含量,最终起到作物增产的作用.
与此同时,植物免疫诱抗剂还可用于植物的拌种、浸种、浇根和叶面喷施.多年来多种植物的室内盆栽和田间实验表明,这种植物疫苗对病虫害的普遍防治效果为40%—80%,提高作物产量10%—20%,此外还可以捉高植物的抗逆功能.
目前,植物病毒病是危害损失较大、防治较难的一类病害,也被称为植物的“癌症”,成为世界性难题.因为植物病毒专性寄生在植物体内增殖,消耗植物营养,造成植物畸形生长或叶片黄化,一般化学药物很难破坏病毒粒子的结构,因此目前尚无理想的化学农药.
在植物免疫诱抗剂的基础上,中国农科院植保所研制出我国第一个抗病毒蛋白质生物农药——“6%寡糖链蛋白可湿性粉剂”,并获准上市.田间试验结果证明,该药剂对水稻条纹叶枯病的防治效果为65%,对番茄黄化曲叶病毒病的防治效果为68%,对烟草花叶病毒病的防治效果为75%.
另外,转抗性基因植物是将抗性基因转到植物体中,让植物产生抗性蛋白,抵抗病菌的侵入,而植物免疫诱抗剂通过诱导植物产生抗性物质,具有与抗性基因对病虫害的免疫抗性同等重要的作用.
植物免疫激活蛋白就是一种新型的植物免疫诱抗农药.它是从多种致病真菌中分离获得的一类新型结构蛋白,多个品种均具有良好的刺激植物免疫活性增强的效能.代表产品包括已在农业部获得农药临时登记的“3%极细链格孢激活蛋白可湿性粉剂”、获得国家肥料临时登记的“普绿通植物免疫蛋剂”等.
据不完全统计,目前,国内已经在农业部农药检定所获得正式登记的植物免疫诱抗剂主要有康壮素（蛋白质激发子）、益微菌（枯草芽孢杆菌）、壳寡糖和脱落酸等药物品种.几大国际农化公司也已经相继开发出Messenger、Oxy-com、KeyPlex、Actigard、NCI、Chitosan等诱抗剂产品.
有关植物免疫诱抗剂的研究与利用,目前也已经得到了政府有关管理和推广部门及广大农民的认可,其在保护植物健康生长、保障食品和生态安全方面发挥着越来越重要的作用.未来,植物免疫诱抗剂农药有望成为具有巨大发展前景的新型战略产业.
（张金平）
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