科研人員在田間實(shí)地查看“植物疫苗”使用效果。 本報(bào)記者 常 理攝
邱德文向記者展示植物喜人的長勢。本報(bào)記者 常理攝
眾所周知，人類和動物都具有免疫能力，免疫力是人體、動物體自身的“防御系統(tǒng)”，是識別和排除“異己”的生理反應(yīng)。
那么，植物是否也像人類和動物一樣，具有免疫力呢？植物能否像人類一樣接種疫苗，提高抗病毒能力
在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，有這樣一支團(tuán)隊(duì)，多年來致力于研究植物免疫能力，團(tuán)隊(duì)發(fā)明的蛋白質(zhì)植物免疫誘導(dǎo)劑——阿泰靈，自2014年正式進(jìn)入市場以來，已成為國內(nèi)單品銷量最大的生物農(nóng)藥。
《經(jīng)濟(jì)日報(bào)》記者日前采訪了中國農(nóng)科院植保所副所長、蛋白質(zhì)植物免疫誘導(dǎo)劑的創(chuàng)制與應(yīng)用項(xiàng)目負(fù)責(zé)人邱德文。
植物也有免疫力
在長期進(jìn)化以及與有害生物博弈中，植物早已形成了比較完善的免疫系統(tǒng)——會通過釋放植保素、乙烯、水楊酸等物質(zhì)來抵御外來入侵
植物也有免疫力？答案是肯定的。
“在自然界中，植物經(jīng)常會受到各種病菌的侵染而發(fā)病，但是植物并沒有因此滅絕，這表明植物與人類和動物一樣，具有免疫功能?！睆氖铝耸嗄曛参锩庖呦到y(tǒng)研究的邱德文告訴記者。
實(shí)際上，植物在進(jìn)化以及與有害生物博弈的過程中，早已形成了比較完善的免疫系統(tǒng)。當(dāng)植物體受到病蟲侵入時(shí)，會通過釋放植保素、乙烯、水楊酸、茉莉酸以及多酚類物質(zhì)來抵御外來入侵，植物的這些初始反應(yīng)如同人類和動物所存在的免疫反應(yīng)一樣。
在傳統(tǒng)認(rèn)識中，作物生長階段如果出現(xiàn)病蟲害，一定要噴打化學(xué)農(nóng)藥，直接殺死病蟲。傳統(tǒng)的化學(xué)農(nóng)藥在病蟲害防治、保障糧食安全方面發(fā)揮了重要作用。但近年來，由于大量使用化學(xué)農(nóng)藥所帶來的生態(tài)問題日益突出?；瘜W(xué)農(nóng)藥的高毒性、對生態(tài)環(huán)境的影響以及引起的抗藥性等問題，越來越引發(fā)人們的關(guān)注。一方面，長期大量噴打農(nóng)藥、除草劑等會導(dǎo)致土壤酸化、板結(jié)，給植物生長造成巨大危害。另一方面，大量使用化學(xué)農(nóng)藥，會導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)，直接威脅百姓的菜籃子安全。
由此，生物農(nóng)藥作為防控植物病蟲害的一種有效手段，以其低毒、低殘留、不易產(chǎn)生抗藥性、對環(huán)境友好等優(yōu)勢而備受關(guān)注。這一手段通過誘導(dǎo)植物免疫，來提高植物抗病蟲害能力，達(dá)到防控病蟲害的目的。
“抗性物質(zhì)本身存在于植物體內(nèi)，但是處于失活狀態(tài)，必須要外部因素來誘導(dǎo)?！鼻竦挛恼f，“誘導(dǎo)就是要激活植物體的免疫成分”。
邱德文及團(tuán)隊(duì)篩選了弱致病性病原真菌，獲得了能高效提高植物免疫的極細(xì)鏈格孢菌株，分離純化了高活性熱穩(wěn)定蛋白，并通過高效蛋白生產(chǎn)加工工藝，添加增效因子氨基寡糖素，配制成了6%寡糖鏈蛋白可濕性粉劑——阿泰靈。該生物農(nóng)藥不僅填補(bǔ)了我國蛋白質(zhì)植物免疫誘導(dǎo)劑生物農(nóng)藥的空白，也得到了國內(nèi)和國際同行的高度認(rèn)可。
2014年2月份，阿泰靈獲得了農(nóng)藥登記證；隨后，由北京中保集團(tuán)投入生產(chǎn)，于2014年6月首次在國內(nèi)上市。2016年，阿泰靈在中國市場的銷售額超過8000萬元，2017年預(yù)計(jì)超過1億元。
“生物農(nóng)藥單品第一年就有幾千萬元的銷量，這在以前是很難想象的?！北本┲斜＜瘓F(tuán)總經(jīng)理陳昶說。
植物疫苗的神奇功效
試驗(yàn)結(jié)果表明，免疫蛋白誘抗劑能顯著提高青稞和燕麥草出苗率和抗病能力，增產(chǎn)效果明顯，為實(shí)現(xiàn)青藏高原病蟲害防控模式跨越發(fā)展作出了貢獻(xiàn)
青稞是青藏高原主要的農(nóng)作物品種，占該地區(qū)耕地面積的70%左右。但長期以來，青稞的產(chǎn)量和效益都很低，一直沒有很好的方法來解決這一問題。
近日，在西藏自治區(qū)拉薩市林周縣的示范田里，西藏自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心的專家對使用“阿泰靈”植物免疫誘抗劑的青稞和牧草試驗(yàn)田進(jìn)行了實(shí)地測產(chǎn)。測產(chǎn)結(jié)果顯示，在同等底肥水平下，使用“阿泰靈”植物免疫誘抗劑噴施2次的春青稞，比未使用的每畝增產(chǎn)63千克，增產(chǎn)幅度達(dá)15%以上；施用“阿泰靈”噴施2次的燕麥，比未使用的每畝增產(chǎn)202千克，增產(chǎn)幅度達(dá)20%左右。
西北農(nóng)林科技大學(xué)教授張興說，試驗(yàn)結(jié)果表明，免疫蛋白誘抗劑能顯著提高青稞和燕麥草出苗率，促進(jìn)根系發(fā)育，促使植株健壯高大，葉片濃綠寬大。而且，免疫蛋白誘抗劑能增加有效分蘗、小穗數(shù)及成穗數(shù)，提高對黑穗病和白粉病的抗性，對青稞及牧草增產(chǎn)效果明顯。
“阿泰靈屬于生物農(nóng)藥范疇，它通過誘導(dǎo)植物自身免疫，增強(qiáng)植物抵抗能力，改善植物健康狀況，以此抵御病蟲害的侵?jǐn)_。同時(shí)，阿泰靈引入了防御理念，摒棄以往病害發(fā)生再開始治療的策略，而是防患于未然，在未發(fā)病前就開始打藥預(yù)防?！鼻竦挛慕忉屨f，當(dāng)藥劑接觸到植物器官表面后，可以與植物細(xì)胞膜上的受體蛋白結(jié)合，引起植物體內(nèi)一系列相關(guān)酶活性和基因表達(dá)量的增強(qiáng)，以調(diào)節(jié)水楊酸含量為主要路徑，幫助生物大分子與活菌誘導(dǎo)蛋白、糖蛋白、多肽、小分子核糖核酸等從不同路徑進(jìn)入植物抗性信號傳導(dǎo)，釋放抗性因子，激活植物抗性系統(tǒng)。同時(shí)，激發(fā)植物體內(nèi)基因，產(chǎn)生具有抗病作用的幾丁酶、葡聚糖酶、植保素及PR蛋白等因子，從而起到提高自身免疫力，調(diào)節(jié)作物生長，提高抗病、抗蟲、抗旱、抗寒性能力，抗病防蟲，提高品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的作用。
記者了解到，近年來，中國農(nóng)科院植保所與西藏農(nóng)牧科學(xué)院聯(lián)合開展了新型植物免疫蛋白制劑在西藏青稞和牧草的田間試驗(yàn)和示范，將植保所研發(fā)的相關(guān)成熟技術(shù)應(yīng)用到西藏自治區(qū)，提升該地區(qū)的植?？萍妓?。目前，他們已在西藏建成小區(qū)試驗(yàn)地10畝、示范區(qū)200畝，包括100畝春青稞、100畝燕麥，為實(shí)現(xiàn)青藏高原病蟲害防控模式跨越發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
中國農(nóng)科院植保所黨委書記張步江表示，植保所下一步將以西藏為中心，推進(jìn)植物免疫誘抗劑在青稞牧草上的應(yīng)用，并輻射到周邊種植青稞的省份，形成可復(fù)制、可推廣的輕簡化技術(shù)模式。
市場前景廣闊
植物免疫誘抗劑技術(shù)在綠色植保和植物健康管理體系中發(fā)揮了重要作用。隨著農(nóng)藥行業(yè)朝著綠色、高效、低污染方向不斷前進(jìn)，“植物疫苗”已成為生物農(nóng)藥發(fā)展的制高點(diǎn)
目前，蛋白質(zhì)植物免疫誘抗劑技術(shù)已經(jīng)在我國1500多個(gè)縣市、2萬多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展應(yīng)用。3年來，該技術(shù)在全國28個(gè)省市累計(jì)推廣應(yīng)用3000余萬畝次，對多種作物病害的綜合防控效果達(dá)65%以上，提高產(chǎn)量10%以上，減少化學(xué)農(nóng)藥使用量30%，在綠色植保和植物健康管理體系中發(fā)揮了重要作用。
雖然成效顯著，但是作為一個(gè)相對“年輕”的品類，生物農(nóng)藥的使用仍不廣泛。縱觀國內(nèi)農(nóng)藥市場，化學(xué)農(nóng)藥依然是主角，以阿泰靈為代表的生物類農(nóng)藥約占市場份額的10%左右。
不過，在邱德文看來，這一現(xiàn)狀是暫時(shí)的，農(nóng)藥行業(yè)的發(fā)展一定是朝著綠色、高效、低污染的方向前進(jìn)的，以預(yù)防為主、治療為輔的生物農(nóng)藥正符合這一趨勢。
邱德文認(rèn)為，通過免疫誘抗技術(shù)提高植物抗病性，減輕病害發(fā)生是一種全新的綠色植保理念，是有害生物綠色防控的新技術(shù)和新方法，也是有效緩解環(huán)境污染、保障農(nóng)產(chǎn)品安全、實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥零增長戰(zhàn)略目標(biāo)的有效途徑，對改善我國長期造成的生態(tài)系統(tǒng)破壞、環(huán)境污染以及食品安全具有重要推動作用。當(dāng)前，開發(fā)能誘導(dǎo)植物免疫的“植物疫苗”生物農(nóng)藥來控制植物病害是現(xiàn)代植物保護(hù)的新策略和新方法，已成為當(dāng)前生物農(nóng)藥發(fā)展的制高點(diǎn)。
他呼吁我國盡快出臺有關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)措施，以鼓勵(lì)國內(nèi)具有實(shí)力的農(nóng)藥企業(yè)加大對生物農(nóng)藥的關(guān)注和投資。
科普：近距離認(rèn)識“植物疫苗”
（作者單位：中科院大連化物所;賈曉晨）
植物與病原菌相互作用中產(chǎn)生的寡糖素信號。
在成長過程中，植物同動物一樣，會受到極端環(huán)境的刺激和昆蟲、病原菌等侵襲。雖然植物不能移動躲避，但在漫長的進(jìn)化中，它們已逐步形成完備的免疫防御系統(tǒng)。
那么，植物的免疫防御系統(tǒng)是怎樣工作的呢？以植物抵御病原菌入侵為例，作為對抗雙方的植物細(xì)胞和病原菌就像兩座城池，都建有堅(jiān)固的城墻——細(xì)胞壁。在對抗第一階段，病原菌企圖瓦解植物細(xì)胞壁入侵，此時(shí)，植物會分泌出一系列多糖水解酶來破壞病原菌的細(xì)胞壁，以消滅病原菌。這一過程會產(chǎn)生很多寡糖類物質(zhì)，植物由此啟動第一層免疫反應(yīng)，分泌植保素、PR蛋白等殺傷力較強(qiáng)的物質(zhì)對抗病原菌，并產(chǎn)生木質(zhì)素等物質(zhì)加厚細(xì)胞壁。
在第二階段，病原菌受到植物抵御后會改變戰(zhàn)略，分泌病毒效應(yīng)蛋白干擾植物的第一層免疫反應(yīng)。當(dāng)然，植物不會坐以待斃，它會激活第二層免疫反應(yīng)，加速和放大免疫，增強(qiáng)戰(zhàn)斗力，抵御病原菌入侵。這時(shí)，病原菌會繼續(xù)改變戰(zhàn)略，釋放另一種效應(yīng)蛋白繼續(xù)入侵，而植物也會進(jìn)一步加強(qiáng)自身防線，這一過程會循環(huán)往復(fù)，直至一方獲勝為止。
這為科學(xué)家們帶來啟發(fā)：外源添加植病對戰(zhàn)過程的一些寡糖、蛋白等物質(zhì)，是不是可以激活植物的免疫防御系統(tǒng)，達(dá)到增強(qiáng)植物抗病性的目的呢？經(jīng)過長期研究，這個(gè)推測得到了肯定回答?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一系列物理、化學(xué)或生物的因子都能夠激活植物的免疫防御系統(tǒng)，從而誘導(dǎo)植物對寒冷、干旱等極端天氣進(jìn)行防御，對病原菌的侵襲產(chǎn)生抗性。這些因子被定義為誘導(dǎo)子，也被形象地稱為“植物疫苗”。
研究發(fā)現(xiàn)，“植物疫苗”的物質(zhì)來源十分廣泛，除了一些滅活的病原菌、效應(yīng)蛋白外，還包括自然界中一些天然產(chǎn)物，例如在植物與病原菌互作過程中產(chǎn)生的寡糖。通過利用自然界中富含多糖的海藻、果膠、微生物等資源，可以大規(guī)模制備得到系列寡糖類物質(zhì)，再經(jīng)過模擬自然界中植物與病原菌互作的情況，外源噴灑寡糖就可激活植物自身免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)抗病性。因此，“植物疫苗”同人類疫苗一樣，都以預(yù)防為主，通過激活植物免疫系統(tǒng)來抵御病原菌入侵，減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，是一種新型生物農(nóng)藥。
那么，“植物疫苗”與傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥相比有哪些不同呢？傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥直接作用于病原菌，雖然效果明顯，但可能導(dǎo)致病原菌產(chǎn)生耐藥性，進(jìn)而需要不斷加大劑量控制病害，造成環(huán)境污染和農(nóng)藥殘留?！爸参镆呙纭毕喈?dāng)于通過為植物注射疫苗提高其免疫抗病能力，因此具有諸多優(yōu)勢：使用濃度低、對人體無害、沒有農(nóng)藥殘留、不污染環(huán)境；誘導(dǎo)抗病效果顯著，持效期長、作用廣譜；病原菌不會產(chǎn)生抗藥性，對不具有致病性的微生物無影響，有利于生態(tài)平衡和環(huán)境保護(hù)；此外，還可以與常規(guī)殺菌劑配套使用，減少農(nóng)藥使用量。
目前，科研工作者著力開發(fā)多種“植物疫苗”，包括寡糖、蛋白、小分子化合物等一系列產(chǎn)品已被研發(fā)并投入實(shí)際應(yīng)用。近日，中科院大連化物所研究團(tuán)隊(duì)基于在糖工程與植物保護(hù)領(lǐng)域多年研究基礎(chǔ)，創(chuàng)制了一系列高效多糖降解酶，建立了系列寡糖的制備技術(shù)，并率先提出“糖鏈植物疫苗”概念。他們還與企業(yè)合作，開發(fā)出系列寡糖農(nóng)用制劑，產(chǎn)品已在山東、陜西、海南等地多種作物上大面積推廣，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
隨著人們?nèi)找嬷匾暿称钒踩?，不斷呼喚綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，相信在全社會共同努力下，這一新型生物農(nóng)藥會在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一顯身手，為構(gòu)建綠色低碳社會貢獻(xiàn)力量。
（責(zé)編：武亞東）
