1986年 Schlumbaumetal[ 13] 首次报道了提纯的菜豆几丁质酶具抗真菌活性 .进一步研究 [ 4] 表明 , 提纯 的烟草 、马铃薯 、黄瓜等多种植物几丁质酶对立枯丝核菌等 20多种病原真菌和非病原真菌的菌丝生长或 孢子萌发具有抑制作用 .除抗真菌外 , 几丁质酶对细菌 、昆虫 、螨等也表现出一定抗性 .Ⅲ类几丁质酶大多 兼具溶菌酶活性 , 可分解细菌细胞壁的肽聚糖 , 因而能对细菌产生毒害作用 ;昆虫围食膜中含有几丁质物 质 , 几丁质酶可作用于围食膜而影响昆虫的消化 .Dingetal[ 14] 的研究表明 , 转几丁质酶基因的植物叶片在 昆虫幼虫每日食物量中占 2%即可导致幼虫的全部死亡 .几丁质酶也可对豇豆象鼻虫 [ 15] 、蝴蝶幼虫[ 16] 等 产生抑制或致死作用 .线虫的卵壳和螨类均含有几丁质物质 , 几丁质酶对这两种病原物也起作用 [ 17, 18] . 2.2.2 参与发育调控 很多资料表明 , 植物几丁质酶的表达具有组织特异性 , 参与了植物的发育调控 .目 前此类研究大多集中在几丁质酶与植物有性生殖过程的关系上 .Robinsonetal[ 19] 的研究表明 , Ⅳ类几丁 质酶和葡萄的成熟密切相关 , 并存在表达的组织或器官特异性 ;而在胡萝卜中 , 几丁质酶则参与了控制早 期胚胎的发育[ 20] .此外 , 几丁质酶和植物营养生长也有密切的关系 .导入外源几丁质酶基因的植株生长更 加迅速 [ 21] .从已有的资料来看 , 几丁质酶参与植物生长发育调控 , 可能在细胞分裂和分化以及在植物生长 发育 (如器官形成过程中 )的信号分子的产生中起作用 , 其详细机制尚不清楚 , 有待进一步研究 . 2.2.3 其它生理功能 几丁质酶还具有其它多种生理功能 .Minicetal[ 22] 研究表明 , 几丁质酶可以降解固 氮菌产生的结瘤因子 , 从而控制结瘤因子水平 , 使植物与根瘤菌达到共生平衡 , 参与共生固氮调控 ;Stangarlinetal[ 23] 的研究表明 , 几丁质酶广泛参与了植物光合作用等过程 .这些研究均暗示着几丁质酶具有多 种生理功能 , 可应用领域十分广泛 .
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
来源
作者
序列号
年份
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 .