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成都新朝陽建立全球首個冠菌素(我國首個自主開發植調劑)發酵生產線

2019-11-12 10:50:38來源:現代農藥作者:馬慧敏編輯:bianji2
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冠菌素是一種新型的植物生長調節劑,它與脫落酸(ABA)、茉莉酸(JA)的結構性質相似,具有促進細胞分化、提高葉綠素含量、調控植物生長、抑制細胞衰老等生理功能。但脫落酸、茉莉酸類植物生長調節劑價格昂貴,限制了它們在農業生產中的大規模使用。作為與二者功能類似的冠菌素可望通過生物方法大量生產,因此,冠菌素有望在農業生產中發揮重大作用。
 
1  冠菌素的發展歷程
 
1977年,Ichihara等從丁香假單胞菌絳紅致病變種的培養液中首次分離出coronatine(COR)。最初發現它能誘導意大利黑麥草(ltalian ryegrass)出現萎黃病,隨著對COR的深入研究,發現COR的結構、功能與茉莉酸類物質相類似,具有調節生長、抑制衰老、促進細胞分化、提高葉綠素含量和植物抗逆性等生理功能。我國植物病理學家當時將coronatine翻譯成冠毒素。1992年以來,Young等陸續發現coronatine與脫落酸、茉莉酸有類似的功能,因此根據其生理功能,改稱為冠菌素。
 
自從冠菌素被發現后,如何獲得冠菌素純品一直是植物激素領域研究的熱點。獲取冠菌素非常困難,日本北海道大學市原狄民等用發酵法從250 L發酵液中僅得到冠菌素60 mg,因此他認為冠菌素產量非常低,難以通過發酵法生產,這就限制了冠菌素在植物上進行大量功能研究的可能。隨著冠菌素分子結構的確認以及對其功能的不斷深入研究,冠菌素生產菌株的選育、發酵條件的優化和分離純化技術等都得到了較大規模的開展。
 
我國“植物生長調節劑、生物除草劑研究與產品創制”課題組在國家“863計劃”支持下,由來自中國農業大學等單位的多學科專家聯合攻關,在耐高溫高產基因工程菌培育方面取得關鍵突破。應用轉座子誘導突變、基因重組等方法構建了高產冠菌素的基因工程菌,比國內外報道的產率水平提高5~10倍以上;建立并優化了發酵工藝,經5噸和20噸液體發酵條件下試生產,發酵周期7~8 d,在成都新朝陽生物化學有限公司建立了世界上第一條冠菌素發酵生產線;建立了膜過濾和活性炭吸附的規模化濃縮與精制工藝,發酵液通過超濾膜和納濾膜,去除菌體和大分子蛋白等雜質,得到的冠菌素濃縮液,可用于制劑制備;通過在濃縮液中加入活性炭,進行吸附和解吸附可進一步制得含量50%以上的冠菌素粗品和95%以上純品。
 
研究人員研制了冠菌素的水劑、懸浮劑等水基化綠色制劑與納米控釋劑,研制的制劑性能穩定,解決了生物調節劑的穩定性差難題;發現了冠菌素提高作物抗鹽、抗干旱、抗高(低)溫和抗病等(非)生物逆境和延緩棉花生長、促進脫葉催熟新效應,建立了大田作物應用的關鍵技術,首次使冠菌素具備了產業化生產和大田應用的條件。
 
2  冠菌素的作用機制
 
冠菌素是利用現代生物發酵、柱分離和純化分離技術生產的新型植物源調節劑,是由一個含氨基酸的冠烷酸和一個聚酮結構的冠菌酸以酰胺鍵聯結而成的新型植物生長調節物質。它是丁香假單胞菌等病原在侵染植物過程中產生的一種“利己素”,高濃度時可以誘導氣孔迅速張開并對植物葉子先天性免疫機能進行破壞,導致植物容易發病;但是,極低濃度的冠菌素,對植物生長、分化、發育、次生代謝,提高抗逆(抗旱性、抗寒性、抗鹽性)和抗病性具有極高的生理調控效應。
 
作為一種環境友好型的生物源植物生長調節物質,冠菌素只需要極低的濃度就可以起作用,生物活性是茉莉酸的100~10 000倍。植物在低溫、凍害、干旱等自然條件下,冠菌素通過調節植物生長機能,誘導植物產生抵抗因子,提高植物的“抵抗力”,減輕逆境環境對植物的傷害,避免自然環境變化以及災害對植物健康的影響。
 
 
3  冠菌素的應用潛力
 
3.1  小麥
 
小麥是我國的重要糧食作物,其產量和品質直接關系到我國的糧食安全。干熱風是我國北方小麥產區的主要氣象災害之一,嚴重時造成10%~20%的減產。
 
研究顯示,高溫脅迫條件下,用冠菌素處理有利于小麥葉片維持較高的相對含水量,促進可溶性蛋白的合成,提高細胞的滲透調節能力,在一定程度上緩解高溫對小麥的傷害,提升其抗高溫能力。經冠菌素處理后的小麥,低溫時小麥的根冠比增加,說明冠菌素低溫時可以促進根系生長,增加小麥抗寒性。
 
李飛等研究表明,在干旱脅迫條件下噴施濃度為1 ?mol/L的冠菌素能增加冬小麥幼苗株高、干鮮重、干重,提高幼苗葉片相對含水量、葉綠素含量、可溶性蛋白含量,因而能明顯增強冬小麥幼苗的抗旱性(安徽農業科學, 2014, 42(9): 2537-2540)。
 
3.2  玉米
 
據中國農業大學作物化學控制研究中心的研究結果顯示,冠菌素處理玉米能顯著提高干旱脅迫下的玉米幼苗葉片中的可溶性糖和脯氨酸含量,這對提高玉米幼苗耐旱性有利。干旱影響玉米幼苗的光合和呼吸作用,冠菌素處理的玉米幼苗氣孔張開程度更大,因而二氧化碳進入增加,且充分利用了氣孔吸收的二氧化碳,從而可保持較高的光合作用,合成更多的干物質,玉米幼苗莖基部和根長均增加。
 
陶群等研究表明,冠菌素處理玉米顯著降低了玉米株高,增加了穗下節間的最大直徑,增強了節間抗折斷力,從而增強了玉米莖稈的抗倒伏性能;同時冠菌素處理玉米顯著縮短了穗下節間長度,降低了穗位高,增加了穗上節間長度,拉開了穗上部葉片的間距,減小了單株葉面積,縮短了營養和水分向地上部運輸的距離,增加了運輸橫截面積,促進了產量的增加,并使得群體內光照充足,為合理密植及防倒伏創造了有利條件。適宜濃度的冠菌素還可增加玉米的穗數、穗粒數和千粒重,降低禿尖長度(農藥學學報, 2019, 21(1): 43-51)。
 
3.3  棉花
 
烏蘭等研究表明,0.06%冠菌素可溶液劑對棉花有一定的增產作用,對作物安全,沒有產生藥害現象。使用0.06%冠菌素可溶液劑后,可增強棉花對病害的抗逆性,促進棉花生長,莖稈強壯,促使棉花提前成熟,從而達到增產的作用(植物醫生, 2017, (5): 54-56)。
 
低濃度的冠菌素有利于增加植物的抗逆性,而高濃度的冠菌素則能引起葉片葉綠素降解并誘導果實等器官脫落,高濃度的冠菌素可促使棉花“脫葉”,有利于棉花收獲機械化,其藥效和低成本也將為棉花生產提供廣闊的市場應用價值。高濃度的冠菌素還具有“內吸性除草劑”的功能,為新型除草劑的開發提供了新選擇。
 
 
3.4  大豆
 
大豆對光溫敏感,尤其在出苗期對低溫的敏感性不但制約了大豆在高緯度地區的生產,也影響了南方春毛豆的種植,進而導致我國大豆種植面積和產量不高。大豆的種植和產量與我國的糧食安全問題緊密相關。目前的研究顯示噴施一定濃度的冠菌素可以提升大豆低溫條件下的出苗率,這對于我國大豆種植以及國際大豆貿易有著深遠的影響,可作為我國糧食安全戰略儲備技術以應對全球貿易的沖擊。
 
 
3.5  柑橘
 
為了驗證冠菌素在不同濃度下表現出調節生長、促進細胞分化、影響葉綠素含量、提高植物抗逆性等效果情況,成都新朝陽作物科學有限公司研發中心以柑橘(春見)為試驗品種進行冠菌素田間抗寒試驗。
 
試驗發現,在低溫逆境中,冠菌素能夠刺激植物自身免疫系統,誘導細胞內抗氧化酶的產生,增加脯氨酸和糖類的含量,從而減輕果實受損程度;在低溫來臨前噴施較低濃度的冠菌素能夠顯著提高柑橘的抗寒能力,減少未套袋柑橘果實的凍傷率。
 
 
4  展望
 
隨著氣候和生態條件的變化,探討提高作物抗逆性的理論與技術將對提高作物生產力、促進農業快速健康發展具有重要意義。以作物化學控制技術為手段,利用新型植物生長調節劑冠菌素,提高植物適應逆境生長的能力,有望在生產實踐中發揮重要作用。由于冠菌素的生理功能的研究需要,以及其越來越廣闊的工業與農業應用前景,冠菌素的生產研究也因此顯得更為重要。通過對冠菌素生物合成技術路線的闡明,將會實現冠菌素生產研究的重大突破。進一步加大對冠菌素的市場開發和農藥登記與產業化,有利于提升我國農產品的全球貿易競爭力以及保障我國糧食安全,為我國“減量增效”的綠色可持續農業發展助力。
 
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