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冠菌素为农业绿色发展助力

时间:2019/11/7 10:21:18文章来源:中国农资网浏览次数: 4932

  冠菌素是一种新型的植物生长调节剂,它与脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)的结构性质相似,具有促进细胞分化、提高叶绿素含量、调控植物生长、抑制细胞衰老等生理功能。但脱落酸、茉莉酸类植物生长调节剂价格昂贵,限制了它们在农业生产中的大规模使用。作为与二者功能类似的冠菌素可望通过生物方法大量生产,因此,冠菌素有望在农业生产中发挥重大作用。

    冠菌素的发展历程

    1977年,Ichihara等从丁香假单胞菌绛红致病变种的培养液中首次分离出coronatine(COR)。最初发现它能诱导意大利黑麦草(ltalian ryegrass)出现萎黄病,随着对COR的深入研究,发现COR的结构、功能与茉莉酸类物质相类似,具有调节生长、抑制衰老、促进细胞分化、提高叶绿素含量和植物抗逆性等生理功能。我国植物病理学家当时将coronatine翻译成冠毒素。1992年以来,Young等陆续发现coronatine与脱落酸、茉莉酸有类似的功能,因此根据其生理功能,改称为冠菌素。

    自从冠菌素被发现后,如何获得冠菌素纯品一直是植物激素领域研究的热点。获取冠菌素非常困难,日本北海道大学市原狄民等用发酵法从250 L发酵液中仅得到冠菌素60 mg,因此他认为冠菌素产量非常低,难以通过发酵法生产,这就限制了冠菌素在植物上进行大量功能研究的可能。随着冠菌素分子结构的确认以及对其功能的不断深入研究,冠菌素生产菌株的选育、发酵条件的优化和分离纯化技术等都得到了较大规模的开展。

    我国“植物生长调节剂、生物除草剂研究与产品创制”课题组在国家“863计划”支持下,由来自中国农业大学等单位的多学科专家联合攻关,在耐高温高产基因工程菌培育方面取得关键突破。应用转座子诱导突变、基因重组等方法构建了高产冠菌素的基因工程菌,比国内外报道的产率水平提高5~10倍以上;建立并优化了发酵工艺,经5吨和20吨液体发酵条件下试生产,发酵周期7~8 d,在成都新朝阳生物化学有限公司建立了世界上第一条冠菌素发酵生产线;建立了膜过滤和活性炭吸附的规模化浓缩与精制工艺,发酵液通过超滤膜和纳滤膜,去除菌体和大分子蛋白等杂质,得到的冠菌素浓缩液,可用于制剂制备;通过在浓缩液中加入活性炭,进行吸附和解吸附可进一步制得含量50%以上的冠菌素粗品和95%以上纯品。

    研究人员研制了冠菌素的水剂、悬浮剂等水基化绿色制剂与纳米控释剂,研制的制剂性能稳定,解决了生物调节剂的稳定性差难题;发现了冠菌素提高作物抗盐、抗干旱、抗高(低)温和抗病等(非)生物逆境和延缓棉花生长、促进脱叶催熟新效应,建立了大田作物应用的关键技术,首次使冠菌素具备了产业化生产和大田应用的条件。

    冠菌素的作用机制

    冠菌素是利用现代生物发酵、柱分离和纯化分离技术生产的新型植物源调节剂,是由一个含氨基酸的冠烷酸和一个聚酮结构的冠菌酸以酰胺键联结而成的新型植物生长调节物质。它是丁香假单胞菌等病原在侵染植物过程中产生的一种“利己素”,高浓度时可以诱导气孔迅速张开并对植物叶子先天性免疫机能进行破坏,导致植物容易发病;但是,极低浓度的冠菌素,对植物生长、分化、发育、次生代谢,提高抗逆(抗旱性、抗寒性、抗盐性)和抗病性具有极高的生理调控效应。

    作为一种环境友好型的生物源植物生长调节物质,冠菌素只需要极低的浓度就可以起作用,生物活性是茉莉酸的100~10 000倍。植物在低温、冻害、干旱等自然条件下,冠菌素通过调节植物生长机能,诱导植物产生抵抗因子,提高植物的“抵抗力”,减轻逆境环境对植物的伤害,避免自然环境变化以及灾害对植物健康的影响。

    冠菌素的应用潜力

    3.1  小麦

    小麦是我国的重要粮食作物,其产量和品质直接关系到我国的粮食安全。干热风是我国北方小麦产区的主要气象灾害之一,严重时造成10%~20%的减产。

    研究显示,高温胁迫条件下,用冠菌素处理有利于小麦叶片维持较高的相对含水量,促进可溶性蛋白的合成,提高细胞的渗透调节能力,在一定程度上缓解高温对小麦的伤害,提升其抗高温能力。经冠菌素处理后的小麦,低温时小麦的根冠比增加,说明冠菌素低温时可以促进根系生长,增加小麦抗寒性。

    李飞等研究表明,在干旱胁迫条件下喷施浓度为1 ?mol/L的冠菌素能增加冬小麦幼苗株高、干鲜重、干重,提高幼苗叶片相对含水量、叶绿素含量、可溶性蛋白含量,因而能明显增强冬小麦幼苗的抗旱性(安徽农业科学, 2014, 42(9): 2537-2540)。

    3.2  玉米

    据中国农业大学作物化学控制研究中心的研究结果显示,冠菌素处理玉米能显著提高干旱胁迫下的玉米幼苗叶片中的可溶性糖和脯氨酸含量,这对提高玉米幼苗耐旱性有利。干旱影响玉米幼苗的光合和呼吸作用,冠菌素处理的玉米幼苗气孔张开程度更大,因而二氧化碳进入增加,且充分利用了气孔吸收的二氧化碳,从而可保持较高的光合作用,合成更多的干物质,玉米幼苗茎基部和根长均增加。

    陶群等研究表明,冠菌素处理玉米显著降低了玉米株高,增加了穗下节间的最大直径,增强了节间抗折断力,从而增强了玉米茎秆的抗倒伏性能;同时冠菌素处理玉米显著缩短了穗下节间长度,降低了穗位高,增加了穗上节间长度,拉开了穗上部叶片的间距,减小了单株叶面积,缩短了营养和水分向地上部运输的距离,增加了运输横截面积,促进了产量的增加,并使得群体内光照充足,为合理密植及防倒伏创造了有利条件。适宜浓度的冠菌素还可增加玉米的穗数、穗粒数和千粒重,降低秃尖长度(农药学学报, 2019, 21(1): 43-51)。

    3.3  棉花

    乌兰等研究表明,0.06%冠菌素可溶液剂对棉花有一定的增产作用,对作物安全,没有产生药害现象。使用0.06%冠菌素可溶液剂后,可增强棉花对病害的抗逆性,促进棉花生长,茎秆强壮,促使棉花提前成熟,从而达到增产的作用(植物医生, 2017, (5): 54-56)。

    低浓度的冠菌素有利于增加植物的抗逆性,而高浓度的冠菌素则能引起叶片叶绿素降解并诱导果实等器官脱落,高浓度的冠菌素可促使棉花“脱叶”,有利于棉花收获机械化,其药效和低成本也将为棉花生产提供广阔的市场应用价值。高浓度的冠菌素还具有“内吸性除草剂”的功能,为新型除草剂的开发提供了新选择。

    3.4  大豆

    大豆对光温敏感,尤其在出苗期对低温的敏感性不但制约了大豆在高纬度地区的生产,也影响了南方春毛豆的种植,进而导致我国大豆种植面积和产量不高。大豆的种植和产量与我国的粮食安全问题紧密相关。目前的研究显示喷施一定浓度的冠菌素可以提升大豆低温条件下的出苗率,这对于我国大豆种植以及国际大豆贸易有着深远的影响,可作为我国粮食安全战略储备技术以应对全球贸易的冲击。

    3.5  柑橘

    为了验证冠菌素在不同浓度下表现出调节生长、促进细胞分化、影响叶绿素含量、提高植物抗逆性等效果情况,成都新朝阳作物科学有限公司研发中心以柑橘(春见)为试验品种进行冠菌素田间抗寒试验。

    试验发现,在低温逆境中,冠菌素能够刺激植物自身免疫系统,诱导细胞内抗氧化酶的产生,增加脯氨酸和糖类的含量,从而减轻果实受损程度;在低温来临前喷施较低浓度的冠菌素能够显著提高柑橘的抗寒能力,减少未套袋柑橘果实的冻伤率。

    展望

    随着气候和生态条件的变化,探讨提高作物抗逆性的理论与技术将对提高作物生产力、促进农业快速健康发展具有重要意义。以作物化学控制技术为手段,利用新型植物生长调节剂冠菌素,提高植物适应逆境生长的能力,有望在生产实践中发挥重要作用。由于冠菌素的生理功能的研究需要,以及其越来越广阔的工业与农业应用前景,冠菌素的生产研究也因此显得更为重要。通过对冠菌素生物合成技术路线的阐明,将会实现冠菌素生产研究的重大突破。进一步加大对冠菌素的市场开发和农药登记与产业化,有利于提升我国农产品的全球贸易竞争力以及保障我国粮食安全,为我国农业绿色可持续发展助力。来源:现代农药

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