【理学论文】植物防御素的生物学活性及其应用前景

   摘要植物防御素是植物界中一类阳离子型多肽，在结构和功能上，它们与早先发现的哺乳动物和昆虫防御素类似。植物防御素的分子量在5 kDa左右，其中含有8个保守的半胱氨酸残基。植物防御素的三维结构呈小球形，包括1个α-螺旋和3个反平行的β-折叠片层结构，8个半胱氨酸可以形成3对或4对二硫键，从而构成了Cys稳定的βαββ结构模序。从植物防御素的结构和体外生物学活性，可以看出植物防御素是一类十分复杂的多肽，它的作用不仅仅局限于植物免疫，而应具有广阔的应用前景。

  关键字植物防御素；抗菌活性；酶抑制剂活性通过自身产生抗菌肽来防御微生物的侵害，是生物先天免疫的重要组成部分，这种古老的防御机制广泛存在于微生物，节肢动物，植物和动物中。抗菌肽中一个极为重要的大家族统称为防御素，这些多肽首先发现于兔子的巨噬细胞和粒细胞中［1,2,3］，随后在果蝇中也发现了防御素［4,5］，之后的研究表明防御素广泛存在于自然界中。事实上，防御素这个大家族中的分子在结构和功能上具有惊人的保守性，它们已经从两大生物界中被鉴定出来，而且至少被划分为五类。前三类防御素发现于哺乳动物和鸟类中［6,7,8］，第四类和第五类防御素发现于昆虫和植物中［9］，同时这些分子的代表也见于软体动物和真菌中。

    植物防御素因其在结构和功能上与之前在昆虫和哺乳动物中发现的防御素抗菌肽相似而得名。目前的研究表明，植物防御素是植物先天免疫系统的重要组成部分，它们普遍存在于各种植物中，并且各类植物防御素的代表也从多种多样的植物中不断被发现。1植物防御素的结构植物防御素的编码区域主要可以划分为两个部分，一个是信号肽区域，它引导多肽分泌到胞外空间，另一个是成熟肽区域，此外有些种类开花植物的防御素还存在一个碳末端结构域。植物防御素通常含有45~54个氨基酸残基，其中包括8个半胱氨酸残基，分子量约为5.0 kD。通过对各种材料植物防御素的氨基酸序列进行比对，发现它们除了8个保守的半胱氨基酸残基外，其余位置的氨基酸残基均非常不保守，具有较低的同源性。

   不过植物防御素的高级结构非常相似，Rs-AFP1的核磁共振结果表明，该多肽以一个致密的球形结构存在，其中包括3个反平行β-折叠片层和1个α-螺旋，8个保守的半胱氨酸残基形成了4对二硫键从而稳定了这一结构［10］。Kobayashi等人发现位于α-螺旋中的第21位Cys和25位Cys与位于第三β-折叠片层中的第45位Cys和47位Cys形成了两对二硫键，对于维持该结构发挥了关键作用［11］，Cornet等人将其命名为Cys稳定的α-螺旋、β-折叠结构模序，简称CSαβ［12］。2植物防御素的体外活性2.1酶抑制剂活性2.1.1α-淀粉酶抑制剂Bloch和Richardson等人首先证实了植物防御素具有抑制昆虫α-淀粉酶的活性［13］，名为SIα1,SIα2和SIα3的3种多肽，均对昆虫消化酶α-淀粉酶表现出特异性的抑制，并且对真菌和人唾液淀粉酶具有弱的抑制活性，而其对于来自猪胰腺，大麦和细菌的α-淀粉酶无抑制活性。由于一些植物防御素具有抑制昆虫内脏α-淀粉酶的活性，因此暗示了植物防御素在植物抗虫害方面发挥着重要作用，即很可能植物防御素是通过降低昆虫对淀粉的消化能力的方式来发挥其杀虫作用的。