壳聚糖的抑菌作用及在农业中的应用.ppt

壳聚糖的抑菌作用及在农业中的应用 壳聚糖 chltosan 是甲壳素 chitin 的一种重要衍生物 是甲壳素脱乙酰基转化而成的产物 甲壳素来源于甲壳类动物 甲壳素 Chitin 也叫甲壳质 几丁 几丁质 蟹壳素 明角壳蛋白 壳多糖 广泛存在于低等动物 如甲壳纲 昆虫纲和蛛形纲等节肢动物外壳 和低等植物 如真菌 藻类 酵母等 的细胞壁中 是自然界中最丰富的天然高分子化合物之一 仅次于纤维素 和第二大含氮化合物 仅次于蛋白质 据估计 地球上每年由生物合成的甲壳素约有100亿吨 是一种取之不尽 用之不竭的再生资源 人们利用和研究甲壳素已有近百年的历史 因为它的安全无毒性 可生物降解性及生物相容性和独特的理化性质和生物活性 应用范围扩展到化妆品 膜材料 纤维材料 催化剂 混凝剂 酶和细胞的固定化载体 药物载体 吸附剂等多个领域和农业 环境保护 食品工业 医药 分析化学及轻纺工业 在农业方面 利用壳聚糖为原料 采用现代生物技术分解 提取并添加多种微量元素 植物生长所必需 精制而成的肥料 因其在农业方面所取得的良好效果 被人们誉为 植物疫苗 壳聚糖在农业生产应用中 不仅能使作物长势好 植株健壮 光合作用增强 而且在抗逆性 抗病虫害方面也表现出明显效果 所以有稳定而显著的增收效果 此外 壳聚糖对作物品质的改善和食品营养价值和经济价值也提高有较大的意义 另一方面 壳聚糖可作为植物生长调节剂 促进农作物产量提高 还可作为土壤改良剂及用于收获后农产品的保鲜等 尤其是其在抑制植物病害方面已逐渐成为人们研究的热点 大量研究表明 壳聚糖可以诱导植物产生广谱的抗性 增强植物的自身防卫能力 抑制多种植物病原微生物的生长 而且其无毒并可为微生物降解 对环境不会产生污染 这使其有可能作为一种新型的绿色农药在农业生产中发挥重要的作用 一 壳聚糖对植物病害的抑制作用方式二 在农业中壳聚糖的主要功能及应用三 研究现状与应用前景 一 壳聚糖对植物病害的抑制作用方式 诱导植物自身防卫反应 产生广谱抗性壳聚糖抑制植物病害的机制 1 诱导植物自身防卫反应 产生广谱抗性 诱导植物抗性蛋白的产生诱导木质素形成改变植物的酚类代谢诱使植物产生愈创葡聚糖 callcse 增强植物细胞壁 1 1诱导植物抗性蛋白的产生 壳聚糖及其衍生物可诱导植物产生抵御病原物质的抗性蛋白 致病相关蛋白PR pathogenesis relatedproteins 壳聚糖所诱导的抗性蛋白主要为植物抗毒素 phtoalexin 几丁质酶 chitinase 壳聚糖酶 chitosanase 和1 3一葡聚糖酶 l 3一glucanase 等 许多研究都表明 壳聚糖可诱导植株产生几丁质酶 壳聚糖酶和l 3 葡聚糖酶 这些酶的底物是真菌细胞壁的主要组分 几丁质酶特别是在与1 3 葡聚糖酶的共同作用下可在体外抑制真菌的生长 壳聚糖诱导出的几丁质酶 壳聚糖酶和l 3 葡聚糖酶彼此之间还有协同效应 以致抗菌作用更为明显 1 2诱导木质素形成 木质素是植物维管组织次生细胞壁的主要组分 它本身抗微生物的降解 大量研究证实 甲壳素和壳聚糖及其衍生物可诱使植物在其受病菌侵染点周围木质化 形成一个物理屏障 从而阻止或延迟病原菌的生长和向周围正常组织扩散 增强植物的抗病力 BarL用甲壳素的低聚体处理小麦伤口 每个伤口用0 04nag 结果表明 单体和二聚体几乎没有诱导木质化功能 而四 五 六聚体则有明显的诱导木质素形成的作用 同时他们的实验还证实 脱乙酰化的低聚体都无此作用 因此认为乙酰基是甲壳素和壳聚糖诱导木质形成所必须的基团 1 3改变植物的酚类代谢 人们研究天然抗体时注意到 在植物的病菌侵染点处 酚类 单宁 绿原酸等 物质大量积累 酚类是杀菌性物质 又是木质素形成的前体 所以植物体内酚类增多 不但自身可以抗病 而且还可促使病原侵染处木质化 因而使植物抗病能力增强 Ralph证实 壳聚糖诱导的大豆细胞中酚类组成会迅速变化 如苯丙烷 香豆酸和绿原酸等都明显增加 1 4诱使植物产生愈创葡聚糖 callcse 增强植物细胞壁 愈创葡聚糖是一种富含l 3 葡萄糖的多聚糖 植物受到病原侵害时 常在细胞间沉积愈创葡聚糖 从而将受菌感染的部位与正常的细胞分割开 与木质化一样 形成物理屏障 另外 壳聚糖还可以使植物的细胞壁发生改变 Nieol等用壳聚糖处理番茄 当镰刀菌 Rri azysporumf sp redid lycopersici 入侵时 番茄细胞壁显著加厚 胞间被填塞 在病菌侵入处形成大量乳头状突起 papillae 病原菌被包埋在致密的颗粒状物质中 不能进一步扩散 而且颗粒状物质中似乎还有杀菌物质产生 这样使植物对病原菌产生了有效的抗性 总之 壳聚糖及其衍生物诱导植物产生广谱抗性的方式多种多样 而且各种方式可以同时存在 相互关联 协同作用 2 壳聚糖抑制植物病害的机制 壳聚糖诱导植物产生广谱抗性的机制壳聚糖对植物病原菌直接抑制作用的机制 2 1壳聚糖诱导植物产生广谱抗性的机制 植物对病害的防卫反应是由许多植物可诱导基因控制的 外界刺激 如 病菌侵入或施用壳聚糖 可导致这些基因的表达 从而在细胞内合成各种防卫蛋白来实现对病害的抗性 这些防卫蛋白包括前边提到的PR蛋白 植物抗毒素 几丁质酶 壳聚糖酶 l 3 葡聚糖酶和木质素等 Bronner等发现 壳聚糖在植物受病虫害侵入后 可在很短时间 1h 内富集于细胞核内 与DNA很强的亲和 并可改变DNA的结构 Wither等发现 当壳聚糖的侧链扭转后 能够进入DNA双螺旋结构与DNA骨架上的氧形成氢键 从而影响植物细胞的基因表达 这些研究均提示 壳聚糖诱导植物产生的对植物病害的广谱抗性 可能是其激活植物自身特定的防卫蛋白基因表达所致 但具体的机制还有待深入的探讨 2 2壳聚糖对植物病原菌直接抑制作用的机制 壳聚糖对许多植物病原菌的生长都有很强的直接抑制作用 研究者认为 主要通过下面两种机制实现 1 由于壳聚糖为甲壳素的多聚阳离子衍生物 所以它可与病原菌细胞表面的生物大分子带负电的侧链相互作用 形成聚合物 可影响病原菌进而抑制病原菌的生长 2 壳聚糖还可直接进入病原菌的细胞核 与DNA结合通过影响病原菌的mRNA和蛋白质的合成来抑制其生长 二 在农业中壳聚糖的主要功能及应用 在农业中壳聚糖的主要功能壳聚糖在农业中的应用 1 在农业中壳聚糖的主要功能 壳聚糖对植物适应性广 亲和性好 无毒无副作用 对人畜无害 能够生物降解 在土壤中不板结土壤 可缓慢降解为小分子碳水化合物 对环境无公害 是一种优良的纯天然生态制剂 促进根系生长活化根际状态缩节粗壮杀菌能力改良土壤改善作物品质 增加产量提高肥效增强免疫能力 1 1促进根系生长 它能促使植物种子提前发芽 根系发达 根毛 须根 次生根数量大大增加 根乃植物之本 根际发达 会增强植物的吸肥吸水能力 增强抗旱 抗倒伏能力 增强免疫力 达到粗壮多结果之目的 2020 3 16 19 可编辑 1 2活化根际状态 壳聚糖能充分活化根际状态 溶解养分分子 迅速形成土壤溶液 使氮 磷 钾等养分能得到植物充分有效地吸收 1 3缩节粗壮 研究发现 壳聚糖具有调节植物发育的功能 壳聚糖是一种天然的植物生长调节剂 能发根促茎 使茎缩短 粗壮旺盛 有利于养分最大限度地供应果实 其中微量元素在甲壳素的螫合下 容易被果实吸收 从而增加蛋白质 氨基酸的含量 从根本上改善品质 1 4杀菌能力强 壳聚糖替代种衣剂 可保护种子正常发育 用于种子贮存 可减少种子处理程序 经济实惠 研究表明 壳聚糖及其降解产物对土壤 种子有极强的杀菌作用 能强烈抑制有害真菌菌丝如霜霉菌 胞囊菌等 1 5改良土壤 使用壳聚糖作添加剂 可使土壤有益菌如放线菌增加1000倍 有害菌如镰刀菌及线虫类等显著减少 增强土壤供肥能力 从根本上改良土壤 根治板结 提高土壤有机质含量 便于连作 1 6改善作物品质 增加产量 壳聚糖能提高作物产量 改善作物品质 并使其恢复自然风味 耐贮 耐运 同时减少农药残留量 国际标准以下 可以通过绿色通道出口 1 7提高肥效 壳聚糖具有溶液粘稠 易于成膜的特性 其极强的成膜功能 能延缓肥料元素的释放 减少养分的损失而大大提高肥效 这样能从根本上解决肥料的浪费 节约资金 保护环境 有益于人类健康 壳聚糖与纤维素共混制成膜 可大大增加膜的机械强度 利用壳聚糖易于成膜的特性 可用其作种子包衣材料 1 8增强免疫能力 壳聚糖在韩国 日本被誉为 植物疫苗 可见其对作物所起的作用 壳聚糖制剂能使植物抗菌抗病毒能力增强 改变植物生长机理 增强调节系统的免疫功能 从而保证植物的正常生长发育 李宝英等用壳聚糖拌种 可降低大豆根腐病的发病率和病情指数 防效达42 6 46 9 同时可促进大豆根系生长 单株英果数 粒数 粒重增加 增产11 7 2 壳聚糖在农业中的应用 壳聚糖种子处理剂果蔬保鲜剂植物病害诱抗剂可降解壳聚糖地膜壳聚糖可用作植物生长促进剂 土壤改良剂 2 1壳聚糖种子处理剂 壳聚糖可用作许多粮食 蔬菜作物种子的处理剂 用于种子处理可提高种子的发芽率 增强幼苗的抗病能力 促进作物的生长 提高作物的产量 而且壳聚糖对作物无药害 对人畜无毒害 对环境无公害 是理想的环保型杀虫剂 具有广阔的应用前景 何福相将壳聚糖溶解于1 3 的醋酸溶液 使用时稀释为0 5 0 01 的溶液 在播种前涂于种子的表面自然干燥后使用 不但可以有效抑制种子周围霉菌病原体生长 增强植物对疾病的抵抗力 而且还起到植物生长调节剂的作用 用其处理过的小麦 豌豆和扁豆种子 产量可增加10 30 2 2果蔬保鲜荆 壳聚糖是一种天然的保鲜剂 具有很好的成膜性 具有一定的选择渗透作用 能够改变果实组织内部气体组成和降低蒸发损耗 从而抑制水果腐烂变质 加上其广谱的抑菌特性 因此可广泛地应用于果蔬的保鲜 美国 日本 英国 加拿大 瑞典和我国等已将这项技术用于实际生产 日本铃木隆司等人以壳聚糖为主要成分制成保鲜剂 用来涂布或浸泡水果蔬菜 使其形成被膜 此膜具有良好的通气性能 并能防止果实 蔬菜腐烂 保存时间比未处理的长2 3倍 而且味道不发生变化 商品性好 陈安和等研究发现 用1 2 壳聚糖溶液处理草莓 在常温下可延长其贮存期2d左右 在4 8 条件下可保存25d以上 2 3植物病害诱抗剂 研究证实 壳聚糖作为植物性功能调节剂 能调节植物基因的关闭和开放 诱导植物分泌抗性酶 这样不仅可以促进植物细胞的活化 刺激植物性生长 还可以增加对病虫害的自我防御能力 特别是较高聚合度的寡聚糖具有阻碍病原菌生长繁殖的功能 减少病原菌特别是致病真菌对植物的危害 如A Eghath等研究发现壳聚糖具有抗真菌活性 壳聚糖的衍生物如壳寡糖也有很强的抑制作用 因此 它又被称为新型植物抗性诱导剂 番茄苗用壳聚糖溶液浸根或喷雾 或在生长基质中加入壳聚糖 可诱导番茄对根腐病的系统抗病性 黄瓜水培液中加入壳聚糖可控制由腐霉菌 Pythiumspp 引起的猝倒病 此外 壳聚糖对大豆花叶病 大豆根腐病 小麦纹枯病 番茄早疫病 油菜菌核病 水稻恶苗病等都有抑制作用 2 4可降解壳聚糖地膜 使用地膜可以增加土壤温度 保水保墒 促进农作物早熟 提高产量 但地膜使作物丰收的同时 也造成了严重的环境污染 残留在土壤中不能分解的废膜 导致土壤结构恶化 土地透气性变差 植物的生长和对水的吸收都受到阻碍 白色革命 附带来了 白色公害 利用壳聚糖的成膜性及生物可降解性 可制成具有良好粘附性 通透性和一定抗拉强度的农用地膜 代替现在广泛使用的聚乙烯地膜 这种地膜无污染 成本低 强度高 并且具有改良土壤的作用 研究发现 壳聚糖应用在种衣剂中具有较好的成膜性能 且通过优化助剂 可以有效地降低药剂在水中的溶解淋失率 提高药剂在种子表面的附着力 近年来 日本利用壳聚糖具有的良好成膜性能开发出壳聚糖塑料降解地膜 生物可降解地膜 壳聚糖的生物可降解性在工业上也具有广泛的应用前景 如制作可降解饭盒 包装材料等 2 5壳聚糖可用作植物生长促进剂 土壤改良剂 壳聚糖为土壤有益菌如放线菌提供营养物质 可促进放线菌的繁殖并诱导放线菌产生壳聚糖酶 从而抑制土壤病原菌生长和繁殖 同时由于放线菌大量繁殖 可改善土壤微生态环境和提高植物品质 从而达到增产的目的 ShimizuS制成土壤改良剂 利用壳糖聚的抗菌能力和改善土壤的作用 可将土壤与壳聚糖溶液合成液体土壤改良剂 这种改良剂具有适当的稳定性和可降解性 降解以后是优质的有机肥料 可供作物吸收 若将其喷洒到土壤表面 则能形成一层薄膜 还具有保墒作用 如将农药或化肥掺入其中 使它们均匀混合 还可取得缓释放的效果 三 研究现状与应用前景 壳聚糖由甲壳素衍生而来 而甲壳素在自然界分布极广 这笔丰富的自然资源促使世界各国很早便开始对甲壳素和壳聚糖进行了大量的研究 近20年 国内外壳聚糖开发应用研究十分活跃 总的来讲 美国和日本在甲壳素与壳聚糖应用研究上发展较快 尤其在壳聚糖抑制植病方面 美国已作了较为系统的研究 我国在此方面的研究起步并不晚 但主要问题是 研究重复 开发力度分散 多数研究者未及时将研究成果推广应用 或虽有应用 产品档位较低