对一种常见植物酶的新理解可能有助于更好的作物管理

关于植物中天然存在的几丁质酶的新发现，可以让农民更快、更有效地解决真菌感染问题

美国能源部埃姆斯国家实验室的研究人员调查了玉米和水稻中的几丁质酶，以更好地了解它们在指示植物是否处于压力下和对抗真菌攻击方面的作用。他们的发现表明，这些酶不仅可以成为监测作物整体健康的宝贵资源，而且可以优化生物质在替代能源中的使用

世界上最重要的两种农业作物是玉米和水稻。除了提供食物外，两者都有重要的能源应用，通过使用作物收割产生的废弃植物物质或生物质。玉米是生产生物燃料的主要作物，而稻壳用于供暖、发电和生物燃料

对作物产量的一个主要威胁来自真菌、细菌和病毒等病原体。仅真菌一项每年就造成玉米和水稻作物35%至40%的产量损失

Ames实验室的科学家兼研究团队负责人Marit Nilsen Hamilton解释道：“植物界对几丁质酶很感兴趣，因为它们普遍存在，并参与保护植物免受真菌攻击。”。“几丁质酶对植物的保护非常重要。”

Nilsen Hamilton的大部分工作主要集中在根际，这是植物根系周围一个狭窄的土壤区域，在这里发生强烈的微生物活动。根在土壤中释放出许多物质，包括糖和几丁质酶，以及将所有物质结合在一起的聚合物。土壤中的细菌也有助于这些排泄物，它们释放的聚合物在植物根部形成一层非常薄的薄膜

尼尔森-汉密尔顿说：“在根际，植物分泌糖来吸引细菌，因为它们希望根际细菌在周围并帮助它们。植物喂养细菌，细菌喂养并保护植物。”。“尽管如此，还是有这些真菌感染，当植物受到压力时，它会导致它们释放几丁质酶。”

她的团队选择了他们合作的植物生物化学家Olga Zabotina推荐的特定几丁质酶，这些几丁质酶是植物在真菌攻击时释放的。他们的第一步是全面了解酶的功能和分子特征

Nilsen-Hamilton解释道：“在纯化和表征方面，对几丁质酶的研究很少。”。“所以，我的研究生Samuel Shobade承担了对它们进行表征的工作。”

研究小组想知道这些几丁质酶是否是真菌相关植物胁迫的良好指标，以及它们是否能杀死真菌。他们发现，其中一种几丁质酶能有效杀死黑曲霉，黑曲霉会在多种农作物中引起黑霉菌

除了对几丁质酶进行表征外，该团队还想知道是否有适合适体的良好受体。Nilsen Hamilton解释道：“适体是表现得像抗体的核酸，但你不需要动物来制造它们。事实上，你可以在试管中制造它们。”

适体可用于检测几丁质酶，并可能用于激活某些响应真菌感染而分泌的几丁质酶。来自水稻的几丁质酶被证明是适体的坏靶点，因为酶和适体蛋白都带负电，所以它们相互排斥。然而，玉米几丁质酶被证明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，以免为时已晚

“我们的工程合作者Pranav Shrotriya开发了一种使用核酸适体的方法，通过使用所谓的电化学设备来检测分子。探针可以制作得很小，可以放入土壤中。因此，这让我们有机会检测土壤中植物根、细菌等产生的物质，”她说

对这些几丁质酶的表征对她的团队能够检测植物释放的这些蛋白质的工作做出了重要贡献。早期发现它们的能力可以让农民在更容易解决感染时尽早进行干预

了解几丁质酶也可以导致比使用一般杀菌剂或在植物最终看起来有压力时进行干预更有针对性的治疗。这一发现不仅会对传统农业作物及其用于能源生产的废弃生物质产生经济影响，还会对专门用于生产燃料生物质的能源作物产生经济影响

这项研究在Samuel O.Shobade、Olga A.Zabotina和Marit Nilsen Hamilton撰写的《植物根相关几丁质酶：结构和功能》中得到了进一步讨论，并发表在《植物科学前沿》上 More information: Samuel O. Shobade et al, Plant root associated chitinases: structures and functions, Frontiers in Plant Science (2024). DOI: 10.3389/fpls.2024.1344142

Journal information: Frontiers in Plant Science