对常见植物酶的新认识可能有助于更好的作物管理

关于几丁质酶(植物中天然存在的酶)的新发现可以帮助农民更快、更有效地应对真菌感染。

美国能源部艾姆斯国家实验室的研究人员对玉米和水稻中的几丁质酶进行了研究，以更好地了解它们在指示植物是否受到压力和抵抗真菌侵袭方面的作用。他们的研究结果表明，这些酶不仅可以成为监测作物整体健康状况的宝贵资源，还可以优化生物质以用于替代能源。

玉米和稻米是世界上两种最重要的农作物。除了提供食物外，这两种作物还通过利用作物收获产生的废弃植物物质或生物质，具有重要的能源应用价值。玉米是用于制造生物燃料的主要作物，而稻壳则用于供暖、发电和生物燃料。

农作物产量面临的一大威胁来自病原体，如真菌、细菌和病毒。仅真菌每年就会导致玉米和水稻产量损失 35%–40%。

“几丁质酶在植物界引起了很大的兴趣，因为它们普遍存在，并且能够保护植物免受真菌的侵袭，”艾姆斯实验室的科学家兼研究小组负责人玛丽特·尼尔森-汉密尔顿解释说。“几丁质酶对植物的保护确实很重要。”

尼尔森-汉密尔顿的大部分研究工作主要集中在根际，即植物根部周围的一个狭窄土壤区域，微生物活动在这里频繁发生。土壤中的根系会释放出许多物质，包括糖和几丁质酶，以及将所有物质结合在一起的聚合物。土壤中的细菌也会分泌这些物质，它们释放的聚合物会在植物根部形成一层非常薄的薄膜。

“在根际，植物会分泌糖来吸引细菌，因为它们希望根际细菌在周围并帮助它们。植物为细菌提供养分，细菌也为植物提供养分并保护植物，”尼尔森-汉密尔顿说。“然而，真菌感染仍然存在，当植物受到压力时，真菌会释放几丁质酶。”

她的团队选择了合作植物生物化学家 Olga Zabotina 推荐的特定几丁质酶，这些酶是植物在受到真菌攻击时释放的。他们的第一步是全面了解这些酶的功能和分子特性。

“在纯化和特性方面，对几丁质酶的研究还很少，”尼尔森-汉密尔顿解释道。“因此，我的研究生塞缪尔·肖巴德承担了对它们进行特性鉴定的工作。”

研究小组想知道这些几丁质酶是否是真菌相关植物压力的良好指标，以及它们是否能够杀死真菌。他们发现其中一种几丁质酶能够有效杀死黑曲霉，这种真菌会导致多种农作物出现黑霉病。

除了鉴定几丁质酶外，研究小组还想知道是否有任何几丁质酶可以作为适体的良好受体。“适体是行为类似于抗体的核酸，但不需要动物来制造它们。事实上，你可以在试管中制造它们，”尼尔森-汉密尔顿解释说。

适体可用于检测几丁质酶，并可能用于激活因真菌感染而分泌的某些几丁质酶。水稻中的几丁质酶被证明不是适体的一个不良靶标，因为酶和适体蛋白都带负电荷，因此它们相互排斥。然而，玉米几丁质酶却是一种很好的适体受体。

这项研究也有助于尼尔森-汉密尔顿利用核酸适体及早检测真菌疾病，防止植物死亡。

“我们的工程合作伙伴 Pranav Shrotriya 开发了一种利用核酸适体检测分子的方法，即使用所谓的电化学装置。而且探针可以做得很小，可以放入土壤中。因此，我们有机会检测土壤中植物根系、细菌等产生的物质，”她说。

对这些几丁质酶进行鉴定对她的团队在检测植物释放的这些蛋白质方面做出了重要贡献。及早检测这些蛋白质可以让农民尽早干预，这样更容易解决感染问题。

了解几丁质酶还可以带来更有针对性的治疗，而不是使用一般的杀菌剂或在植物最终看起来受到压力时进行干预。这些发现不仅可能对传统农作物及其用于能源生产的废弃生物质产生经济影响，而且还可能对专用能源作物(专门为生产燃料生物质而种植的作物)产生经济影响。