殼聚糖的抑菌作用及在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1、殼聚糖的抑菌作用及在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,殼聚糖(chltosan)是甲殼素(chitin)的一種重要衍生物，是甲殼素脫乙酰基轉(zhuǎn)化而成的產(chǎn)物。甲殼素來源于甲殼類動(dòng)物，甲殼素(Chitin)也叫甲殼質(zhì)、幾丁、幾丁質(zhì)、蟹殼素、明角殼蛋白、殼多糖，廣泛存在于低等動(dòng)物(如甲殼綱、昆蟲綱和蛛形綱等節(jié)肢動(dòng)物外殼)和低等植物(如真菌、藻類、酵母等)的細(xì)胞壁中。是自然界中最豐富的天然高分子化合物之一(僅次于纖維素)和第二大含氮化合物(僅次于蛋白質(zhì))。 據(jù)估計(jì)，

2、地球上每年由生物合成的甲殼素約有100億噸，是一種取之不盡、用之不竭的再生資源。人們利用和研究甲殼素已有近百年的歷史．因?yàn)樗陌踩珶o毒性、可生物降解性及生物相容性和獨(dú)特的理化性質(zhì)和生物活性。應(yīng)用范圍擴(kuò)展到化妝品、膜材料、纖維材料、催化劑、混凝劑、酶和細(xì)胞的固定化載體、藥物載體、吸附劑等多個(gè)領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、食品工業(yè)、醫(yī)藥、分析化學(xué)及輕紡工業(yè) 。,在農(nóng)業(yè)方面，利用殼聚糖為原料，采用現(xiàn)代生物技術(shù)分解、提取并添加多種微量元素(植物生長(zhǎng)所必

3、需)精制而成的肥料，因其在農(nóng)業(yè)方面所取得的良好效果，被人們譽(yù)為“植物疫苗”。殼聚糖在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，不僅能使作物長(zhǎng)勢(shì)好，植株健壯，光合作用增強(qiáng)，而且在抗逆性、抗病蟲害方面也表現(xiàn)出明顯效果，所以有穩(wěn)定而顯著的增收效果。此外，殼聚糖對(duì)作物品質(zhì)的改善和食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值也提高有較大的意義。,另一方面，殼聚糖可作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量提高，還可作為土壤改良劑及用于收獲后農(nóng)產(chǎn)品的保鮮等。尤其是其在抑制植物病害方面已逐漸成為人們研究的

4、熱點(diǎn)。大量研究表明，殼聚糖可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生廣譜的抗性、增強(qiáng)植物的自身防衛(wèi)能力、抑制多種植物病原微生物的生長(zhǎng)，而且其無毒并可為微生物降解，對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生污染。這使其有可能作為一種新型的綠色農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。,一. 殼聚糖對(duì)植物病害的抑制作用方式二. 在農(nóng)業(yè)中殼聚糖的主要功能及應(yīng)用三. 研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景,一. 殼聚糖對(duì)植物病害的抑制作 用方式

5、,誘導(dǎo)植物自身防衛(wèi)反應(yīng)、產(chǎn)生廣譜抗性殼聚糖抑制植物病害的機(jī)制,1. 誘導(dǎo)植物自身防衛(wèi)反應(yīng)、產(chǎn)生廣譜抗性,誘導(dǎo)植物抗性蛋白的產(chǎn)生 誘導(dǎo)木質(zhì)素形成 改變植物的酚類代謝誘使植物產(chǎn)生愈創(chuàng)葡聚糖(callcse)、增強(qiáng)植物細(xì)胞壁,1.1 誘導(dǎo)植物抗性蛋白的產(chǎn)生,殼聚糖及其衍生物可誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抵御病原物質(zhì)的抗性蛋白——致病相關(guān)蛋白PR(pathogenesis -related proteins) 。殼聚糖所誘導(dǎo)的抗性蛋白主要為植物抗毒素

6、(phtoalexin)、幾丁質(zhì)酶(chitinase)、殼聚糖酶(chitosanase)和 1，3一葡聚糖酶( l，3一glucanase)等。許多研究都表明，殼聚糖可誘導(dǎo)植株產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶、殼聚糖酶和 l，3-葡聚糖酶，這些酶的底物是真菌細(xì)胞壁的主要組分，幾丁質(zhì)酶特別是在與1，3-葡聚糖酶的共同作用下可在體外抑制真菌的生長(zhǎng)。殼聚糖誘導(dǎo)出的幾丁質(zhì)酶、殼聚糖酶和l，3-葡聚糖酶彼此之間還有協(xié)同效應(yīng)，以致抗菌作用更為明顯。,1.2 誘導(dǎo)木

7、質(zhì)素形成,木質(zhì)素是植物維管組織次生細(xì)胞壁的主要組分，它本身抗微生物的降解。大量研究證實(shí)，甲殼素和殼聚糖及其衍生物可誘使植物在其受病菌侵染點(diǎn)周圍木質(zhì)化，形成一個(gè)物理屏障，從而阻止或延遲病原菌的生長(zhǎng)和向周圍正常組織擴(kuò)散，增強(qiáng)植物的抗病力。Ba rL 用甲殼素的低聚體處理小麥傷口(每個(gè)傷口用0.04 nag)結(jié)果表明，單體和二聚體幾乎沒有誘導(dǎo)木質(zhì)化功能，而四、五、六聚體則有明顯的誘導(dǎo)木質(zhì)素形成的作用。同時(shí)他們的實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，脫乙?；牡途垠w都無

8、此作用，因此認(rèn)為乙酰基是甲殼素和殼聚糖誘導(dǎo)木質(zhì)形成所必須的基團(tuán)。,1.3 改變植物的酚類代謝,人們研究天然抗體時(shí)注意到：在植物的病菌侵染點(diǎn)處，酚類(單寧.綠原酸等)物質(zhì)大量積累。酚類是殺菌性物質(zhì)，又是木質(zhì)素形成的前體，所以植物體內(nèi)酚類增多，不但自身可以抗病，而且還可促使病原侵染處木質(zhì)化，因而使植物抗病能力增強(qiáng)。Ralph證實(shí)，殼聚糖誘導(dǎo)的大豆細(xì)胞中酚類組成會(huì)迅速變化，如苯丙烷、香豆酸和綠原酸等都明顯增加。,1.4 誘使植物產(chǎn)生愈創(chuàng)葡聚糖

9、(callcse)、增強(qiáng)植物細(xì)胞壁,愈創(chuàng)葡聚糖是一種富含 l，3-葡萄糖的多聚糖，植物受到病原侵害時(shí)，常在細(xì)胞間沉積愈創(chuàng)葡聚糖，從而將受菌感染的部位與正常的細(xì)胞分割開，與木質(zhì)化一樣，形成物理屏障。另外，殼聚糖還可以使植物的細(xì)胞壁發(fā)生改變。Nieol等用殼聚糖處理番茄，當(dāng)鐮刀菌(R ri．Ⅲ azysporum f．sp． redid~lycopersici)入侵時(shí)，番茄細(xì)胞壁顯著加厚，胞間被填塞，在病菌侵入處形成大量乳頭狀突起(papi

10、llae)，病原菌被包埋在致密的顆粒狀物質(zhì)中，不能進(jìn)一步擴(kuò)散，而且顆粒狀物質(zhì)中似乎還有殺菌物質(zhì)產(chǎn)生，這樣使植物對(duì)病原菌產(chǎn)生了有效的抗性。,總之，殼聚糖及其衍生物誘導(dǎo)植物產(chǎn)生廣譜抗性的方式多種多樣，而且各種方式可以同時(shí)存在，相互關(guān)聯(lián)，協(xié)同作用。,2. 殼聚糖抑制植物病害的機(jī)制,殼聚糖誘導(dǎo)植物產(chǎn)生廣譜抗性的機(jī)制殼聚糖對(duì)植物病原菌直接抑制作用的機(jī)制,,2.1 殼聚糖誘導(dǎo)植物產(chǎn)生廣譜抗性的機(jī)制,植物對(duì)病害的防衛(wèi)反應(yīng)是由許多植物可誘導(dǎo)基因控制

11、的，外界刺激(如：病菌侵入或施用殼聚糖)可導(dǎo)致這些基因的表達(dá)，從而在細(xì)胞內(nèi)合成各種防衛(wèi)蛋白來實(shí)現(xiàn)對(duì)病害的抗性，這些防衛(wèi)蛋白包括前邊提到的PR蛋白、植物抗毒素、幾丁質(zhì)酶、殼聚糖酶、 l，3-葡聚糖酶和木質(zhì)素等。Bronner等發(fā)現(xiàn)，殼聚糖在植物受病蟲害侵入后，可在很短時(shí)間(1h)內(nèi)富集于細(xì)胞核內(nèi)，與DNA很強(qiáng)的親和，并可改變DNA的結(jié)構(gòu)。Wither等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)殼聚糖的側(cè)鏈扭轉(zhuǎn)后，能夠進(jìn)入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)與DNA骨架上的氧形成氫鍵，從而影響

12、植物細(xì)胞的基因表達(dá)。這些研究均提示，殼聚糖誘導(dǎo)植物產(chǎn)生的對(duì)植物病害的廣譜抗性，可能是其激活植物自身特定的防衛(wèi)蛋白基因表達(dá)所致，但具體的機(jī)制還有待深入的探討。,2.2 殼聚糖對(duì)植物病原菌直接抑 制作用的機(jī)制,殼聚糖對(duì)許多植物病原菌的生長(zhǎng)都有很強(qiáng)的直接抑制作用。研究者認(rèn)為，主要通過下面兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：(1)由于殼聚糖為甲殼素的多聚陽離子衍生物，所以它可與病原菌細(xì)胞表面的生物大分子帶負(fù)電的側(cè)鏈相互作用，形成聚合物，可影響病原菌進(jìn)而抑制病原菌的

13、生長(zhǎng)；(2)殼聚糖還可直接進(jìn)入病原菌的細(xì)胞核，與DNA結(jié)合通過影響病原菌的mRNA和蛋白質(zhì)的合成來抑制其生長(zhǎng)。,二 .在農(nóng)業(yè)中殼聚糖的主要功能及應(yīng)用,在農(nóng)業(yè)中殼聚糖的主要功能殼聚糖在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,1.在農(nóng)業(yè)中殼聚糖的主要功能,殼聚糖對(duì)植物適應(yīng)性廣，親和性好，無毒無副作用，對(duì)人畜無害，能夠生物降解，在土壤中不板結(jié)土壤，可緩慢降解為小分子碳水化合物，對(duì)環(huán)境無公害，是一種優(yōu)良的純天然生態(tài)制劑。,促進(jìn)根系生長(zhǎng)活化根際狀態(tài)縮節(jié)粗壯殺菌能

14、力改良土壤改善作物品質(zhì)，增加產(chǎn)量提高肥效增強(qiáng)免疫能力,1.1 促進(jìn)根系生長(zhǎng),它能促使植物種子提前發(fā)芽。根系發(fā)達(dá)，根毛、須根、次生根數(shù)量大大增加，根乃植物之本，根際發(fā)達(dá)，會(huì)增強(qiáng)植物的吸肥吸水能力，增強(qiáng)抗旱、抗倒伏能力，增強(qiáng)免疫力，達(dá)到粗壯多結(jié)果之目的。,1.2 活化根際狀態(tài),殼聚糖能充分活化根際狀態(tài)，溶解養(yǎng)分分子，迅速形成土壤溶液，使氮、磷、鉀等養(yǎng)分能得到植物充分有效地吸收。,1.3 縮節(jié)粗壯,研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖具有調(diào)節(jié)植物發(fā)育的功

15、能，殼聚糖是一種天然的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，能發(fā)根促莖，使莖縮短，粗壯旺盛，有利于養(yǎng)分最大限度地供應(yīng)果實(shí)，其中微量元素在甲殼素的螫合下，容易被果實(shí)吸收，從而增加蛋白質(zhì)、氨基酸的含量，從根本上改善品質(zhì)。,1.4 殺菌能力強(qiáng),殼聚糖替代種衣劑，可保護(hù)種子正常發(fā)育。用于種子貯存，可減少種子處理程序，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。研究表明，殼聚糖及其降解產(chǎn)物對(duì)土壤、種子有極強(qiáng)的殺菌作用，能強(qiáng)烈抑制有害真菌菌絲如霜霉菌、胞囊菌等。,1.5 改良土壤,使用殼聚糖作添加劑，可

16、使土壤有益菌如放線菌增加1000倍、有害菌如鐮刀菌及線蟲類等顯著減少，增強(qiáng)土壤供肥能力，從根本上改良土壤，根治板結(jié)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，便于連作。,1.6 改善作物品質(zhì)，增加產(chǎn)量,殼聚糖能提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，并使其恢復(fù)自然風(fēng)味，耐貯、耐運(yùn)，同時(shí)減少農(nóng)藥殘留量(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以下)，可以通過綠色通道出口。,1.7 提高肥效,殼聚糖具有溶液粘稠、易于成膜的特性。其極強(qiáng)的成膜功能，能延緩肥料元素的釋放，減少養(yǎng)分的損失而大大提高肥效，這樣能從

17、根本上解決肥料的浪費(fèi)，節(jié)約資金，保護(hù)環(huán)境，有益于人類健康，殼聚糖與纖維素共混制成膜，可大大增加膜的機(jī)械強(qiáng)度，利用殼聚糖易于成膜的特性，可用其作種子包衣材料．,1.8 增強(qiáng)免疫能力,殼聚糖在韓國(guó)、日本被譽(yù)為“植物疫苗”，可見其對(duì)作物所起的作用。殼聚糖制劑能使植物抗菌抗病毒能力增強(qiáng)，改變植物生長(zhǎng)機(jī)理，增強(qiáng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的免疫功能，從而保證植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育．李寶英等用殼聚糖拌種，可降低大豆根腐病的發(fā)病率和病情指數(shù)，防效達(dá)42.6％ ～46.9％

18、，同時(shí)可促進(jìn)大豆根系生長(zhǎng)，單株英果數(shù)、粒數(shù)、粒重增加，增產(chǎn)11.7％。,2.殼聚糖在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,殼聚糖種子處理劑 果蔬保鮮劑 植物病害誘抗劑可降解殼聚糖地膜殼聚糖可用作植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑、土壤改良劑,2.1 殼聚糖種子處理劑,殼聚糖可用作許多糧食、蔬菜作物種子的處理劑，用于種子處理可提高種子的發(fā)芽率，增強(qiáng)幼苗的抗病能力，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高作物的產(chǎn)量；而且殼聚糖對(duì)作物無藥害，對(duì)人畜無毒害，對(duì)環(huán)境無公害，是理想的環(huán)保型殺蟲劑，具有廣

19、闊的應(yīng)用前景．何福相將殼聚糖溶解于1％ ~3％ 的醋酸溶液，使用時(shí)稀釋為0.5％~0.01％ 的溶液，在播種前涂于種子的表面自然干燥后使用，不但可以有效抑制種子周圍霉菌病原體生長(zhǎng)，增強(qiáng)植物對(duì)疾病的抵抗力，而且還起到植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的作用，用其處理過的小麥、豌豆和扁豆種子，產(chǎn)量可增加10％~ 30％ 。,2.2 果蔬保鮮荊,殼聚糖是一種天然的保鮮劑，具有很好的成膜性，具有一定的選擇滲透作用，能夠改變果實(shí)組織內(nèi)部氣體組成和降低蒸發(fā)損耗，從而抑

20、制水果腐爛變質(zhì)；加上其廣譜的抑菌特性，因此可廣泛地應(yīng)用于果蔬的保鮮，美國(guó)、日本、英國(guó)、加拿大、瑞典和我國(guó)等已將這項(xiàng)技術(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)。日本鈴木隆司 等人以殼聚糖為主要成分制成保鮮劑，用來涂布或浸泡水果蔬菜，使其形成被膜，此膜具有良好的通氣性能，并能防止果實(shí)、蔬菜腐爛，保存時(shí)間比未處理的長(zhǎng)2-3倍．而且味道不發(fā)生變化，商品性好，陳安和等研究發(fā)現(xiàn)，用1％～2％ 殼聚糖溶液處理草莓，在常溫下可延長(zhǎng)其貯存期2d左右，在4～8℃條件下可保存25d以

21、上。,2.3 植物病害誘抗劑,研究證實(shí)，殼聚糖作為植物性功能調(diào)節(jié)劑，能調(diào)節(jié)植物基因的關(guān)閉和開放，誘導(dǎo)植物分泌抗性酶，這樣不僅可以促進(jìn)植物細(xì)胞的活化，刺激植物性生長(zhǎng)，還可以增加對(duì)病蟲害的自我防御能力，特別是較高聚合度的寡聚糖具有阻礙病原菌生長(zhǎng)繁殖的功能，減少病原菌特別是致病真菌對(duì)植物的危害。如A.Eghath等研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖具有抗真菌活性，殼聚糖的衍生物如殼寡糖也有很強(qiáng)的抑制作用。因此，它又被稱為新型植物抗性誘導(dǎo)劑。番茄苗用殼聚糖溶液浸根

22、或噴霧，或在生長(zhǎng)基質(zhì)中加入殼聚糖，可誘導(dǎo)番茄對(duì)根腐病的系統(tǒng)抗病性 ；黃瓜水培液中加入殼聚糖可控制由腐霉菌(Pythium spp．)引起的猝倒病 ，此外，殼聚糖對(duì)大豆花葉病、大豆根腐病、小麥紋枯病、番茄早疫病、油菜菌核病、水稻惡苗病等都有抑制作用。,2.4 可降解殼聚糖地膜,使用地膜可以增加土壤溫度，保水保墑，促進(jìn)農(nóng)作物早熟，提高產(chǎn)量，但地膜使作物豐收的同時(shí)，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，殘留在土壤中不能分解的廢膜，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化，土地透氣

23、性變差，植物的生長(zhǎng)和對(duì)水的吸收都受到阻礙，“白色革命”附帶來了“白色公害”，利用殼聚糖的成膜性及生物可降解性，可制成具有良好粘附性、通透性和一定抗拉強(qiáng)度的農(nóng)用地膜。代替現(xiàn)在廣泛使用的聚乙烯地膜，這種地膜無污染、成本低、強(qiáng)度高，并且具有改良土壤的作用。研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖應(yīng)用在種衣劑中具有較好的成膜性能，且通過優(yōu)化助劑，可以有效地降低藥劑在水中的溶解淋失率，提高藥劑在種子表面的附著力。近年來，日本利用殼聚糖具有的良好成膜性能開發(fā)出殼聚糖塑料降

24、解地膜、生物可降解地膜，殼聚糖的生物可降解性在工業(yè)上也具有廣泛的應(yīng)用前景，如制作可降解飯盒、包裝材料等。,2.5 殼聚糖可用作植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑、土壤改良劑,殼聚糖為土壤有益菌如放線菌提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可促進(jìn)放線菌的繁殖并誘導(dǎo)放線菌產(chǎn)生殼聚糖酶，從而抑制土壤病原菌生長(zhǎng)和繁殖；同時(shí)由于放線菌大量繁殖，可改善土壤微生態(tài)環(huán)境和提高植物品質(zhì)，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。Shimizu S制成土壤改良劑，利用殼糖聚的抗菌能力和改善土壤的作用，可將土壤與殼聚糖溶液

25、合成液體土壤改良劑，這種改良劑具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性和可降解性，降解以后是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，可供作物吸收，若將其噴灑到土壤表面，則能形成一層薄膜，還具有保墑作用。如將農(nóng)藥或化肥摻入其中，使它們均勻混合，還可取得緩釋放的效果。,三.研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景,殼聚糖由甲殼素衍生而來。而甲殼素在自然界分布極廣，這筆豐富的自然資源促使世界各國(guó)很早便開始對(duì)甲殼素和殼聚糖進(jìn)行了大量的研究。近20年，國(guó)內(nèi)外殼聚糖開發(fā)應(yīng)用研究十分活躍?？偟膩碇v，美國(guó)和日本在甲殼素與

26、殼聚糖應(yīng)用研究上發(fā)展較快，尤其在殼聚糖抑制植病方面，美國(guó)已作了較為系統(tǒng)的研究。我國(guó)在此方面的研究起步并不晚，但主要問題是：研究重復(fù)，開發(fā)力度分散，多數(shù)研究者未及時(shí)將研究成果推廣應(yīng)用，或雖有應(yīng)用，產(chǎn)品檔位較低且規(guī)模不大，產(chǎn)業(yè)化程度不高，這些致使目前我國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中甲殼素類產(chǎn)品所占的份額微乎其微。,為了減少農(nóng)業(yè)污染、發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)，合理利用殼聚糖這一豐富的天然資源，我們應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)殼聚糖的改性及應(yīng)用研究。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與人們認(rèn)識(shí)的深入