抗菌肽是宿主非特异性防御系统的一部分，可以通过磷脂质作用和膜透化作用杀死病原体。抗菌肽是由基因编码的，对植物病原体以及感染人的病毒、细菌、真菌、原生动物、寄生虫和肿瘤细胞等致病体都有活性作用[1]。根据氨基酸序列同源性，植物抗菌肽的主要家庭成员包括硫素、防御素、脂质转运蛋白、蜕皮素、环肽类蛋白和细胞穿透肽等。
1植物抗菌肽作用机理
大多数已知的植物抗菌肽是通过在细胞膜上形成穿孔，导致离子和代谢物泄漏，从而干扰呼吸过程，最终导致细胞死亡[2]。细胞膜分子的两性结构及其在生理pH值下带正电荷的特征可能是植物肽与膜脂质发生作用的重要原因。阳离子残基吸引如阴离子磷脂、脂多糖或磷壁酸等带负电荷的分子，从而使得肽链在细胞膜表面积聚，当浓度达到阈值时细胞膜就开始崩溃[3]。为解释这种现象科学家们提出了3个主要模型[4]：桶板模型、虫洞模型和地毯模型。
2植物抗菌肽的主要分类
2.1硫素
硫素是抗菌肽的一种，其分子质量较低（约5kDa），富含精氨酸、赖氨酸和半胱氨酸残基。其结构包括2个反向平行的α-螺旋和1个反向平行的双链β-折叠，以及3个或4个保守的二硫键。硫素几乎出现在每1个重要的植物组织中，从胚乳到叶子均有发现。硫素的抗菌活性是蛋白与细胞膜交互作用的结果，带正电的硫素与带负电荷的真菌细胞膜的磷脂通过静电作用相互结合，诱导细胞膜表面的缺陷，导致膜的不稳定性并破坏脂双层。
2.2防御素
植物防御素是小的、碱性的、富含半胱氨酸的多肽链，含有45~54个氨基酸，在等电点时带正电荷。植物防御素的生物活性包括抗真菌、抗菌、蛋白酶和昆虫淀粉酶抑制剂等特性[5]。植物防御素有相当多变的氨基酸组成，但是三维立体结构很保守，包括1个三链的β-折叠和1个与之平行的α-螺旋，由4个二硫键维持整个结构的稳定性。植物防御素可能利用葡糖神经酰胺作为插入真菌细胞膜的受体。然后，借助防御素所带的正电荷和细胞膜相互吸引，并插入细胞膜内，导致膜破坏、不稳定性和离子流出。抗菌肽最大的特点是对细菌、真菌、病毒等多种植物病原体具有抗菌活性[6]。此外，防御素对植物的生长、发育及生殖过程也有一定影响[7]。
2.3脂质转移蛋白
小型非特异性脂质转移蛋白（ns-LTPs）具有在体外不同细胞膜之间转移脂类的功能。它能够参与细胞膜的合成、细胞内的脂肪酸含量的调节，并对动植物病原体起到一定防御作用。它们的抗真菌作用方式可能是插入到真菌的细胞膜上形成穿孔，使胞内离子外流，最终导致细胞死亡。所有的LTPs都具有相同的结构特征，具有一个由4个α-螺旋包绕形成的疏水性腔，被4个二硫键紧紧连接形成紧密结构[7]。LTPs的疏水性腔可以结合磷脂、类固醇等多种脂质分子，具有体外抗菌和抗真菌的活性，因此被归类为PR-14组。有些ns-LTPs是水果、蔬菜、坚果、花粉和乳胶中重要的过敏原[8]。
2.4蜕皮素
蜕皮素是从马铃薯块茎中分离出来的具有63个氨基酸残基的抗菌肽，这些多肽的氨基酸序列具有多样性，但对于不同植物具有相同的抗菌和抗真菌病原体的能力。蜕皮素是碱性蛋白，富含半胱氨酸残基，可以形成6个二硫键，进而稳定蛋白结构。在生长发育的不同阶段，马铃薯中的蜕皮素-1（StSN1）基因是一直表达的，不受生物、非生物压力的影响作用。而蜕皮素-2（StSN2）基因的表达是受局部伤害诱导的，对病原体感染具有不同的反应[9]。StSN1的氨基酸序列和番茄GAST家族（赤霉酸刺激转录反应）的氨基酸序列具有相似性，因此归类于蜕皮素/GASA家族[10]。蜕皮素/GASA蛋白在不同的植物器官中均有表达。大部分的蜕皮素/GASA基因是受植物激素调控的，参与植物激素信号调节途径，控制激素含量水平和激素反应过程。
2.5环肽类蛋白
环肽类蛋白是在细菌、植物和动物中发现的圆形蛋白[11]。植物环肽类蛋白含有28~37个氨基酸，包含1个头-尾环化的主链以及3个位于环化半胱氨酸结点（CCK）分子内的二硫键，具有较高的序列相似性和结构相似性。CCK是形成环肽类蛋白特殊稳定性的主要原因，它迫使蛋白质的疏水部分暴露在分子表面，疏水性残基在表面上形成1个斑点，使整体结构呈两亲性，因此它们对多种蛋白酶的水解和降解过程具有抗性[12]。植物环肽类蛋白是基因编码的通过核糖体的生物合成路径产生的多肽，该环肽类蛋白前体通常包含1个内质网ER信号，1段肽链，1个N-端重复序列（NTR）和1个C-端短肽尾。NTR区域具有两亲性螺旋结构，可以指导环肽类蛋白结构域的正确折叠[13]。C-端区域（CTR）区域内保守的天冬氨酸残基表示该部分蛋白可能是一种天冬酰胺内切蛋白酶的作用对象。
2.6细胞穿透
肽细胞穿透肽（CPPs）可以协助目的蛋白通过细胞膜转入活细胞当中[14]。不论体内还是体外条件下，CPPs在微摩尔浓度时就能够穿透细胞膜，而无需任何受体的协助，也不会对细胞膜造成任何显著损伤[15]。它们可以和目标物（核酸、低聚核苷酸、肽序列和寡糖）相结合，并将其有效地转运到细胞内，因而在药物递送过程中具有潜在应用[16]。不同的CPPs和CPP-结合物可以通过不同的机制进入细胞内，并最终进入不同的亚细胞区室。这些较短的、带正电荷的小肽具有不同的氨基酸序列，但是都具有转导结构域，并有带有不同程度的呈阳离子性的Arg和Lys残基。尽管CPPs具有很大的序列多样性，但是可以分为3种主要类别：阳离子型、两性型和疏水型CPPs[17]。这些多肽和蛋白质是转录因子、细菌或病毒表面蛋白、毒素、两亲性螺旋肽的局部序列衍生物，也可以从膜结合受体或黏附蛋白的配体中得到。
3植物抗菌肽在生物技术方面的潜在应用
抗菌肽是由具有保守序列的小型基因编码的、可以通过基因扩增和基因转移的方法来增加目标多肽的产量及其特异性活力。许多研究已经证明，植物防御素的转基因表达可以使植物组织免受病原体的攻击。硫素是发展转基因植物的重要工具，通过表达更高水平的硫素，可以增加对病原体的抗性，进而减少农业中的损失，并且可以减少农业生产中更高剂量的杀虫剂的使用；环肽类蛋白在开发新型抗生素和生物杀虫剂的研究中也具有重要作用，不同的CPPs可以成功地将高分子量药物导入细胞，也可以用于疫苗研发。由于其在透皮给药系统中的巨大潜力，CPPs在药物生物技术中的应用越来越流行。
4结语
植物抗菌肽是具有不同氨基酸组成和结构的多肽，具有快速杀灭病原体的性能，在制药和生物技术中具有广泛应用。由于其广谱抗菌活性及高效率，抗菌肽可以用作天然抗生素，以替代化学抗生素，用于保护植物和防治动物疾病，也可以作为感染治疗药的有效替代产品，以阳离子抗菌肽制成的气溶胶喷雾剂已经用于囊性纤维化患者的治疗[18]。国内已经开发了可以表达不同含量植物抗菌肽，对疾病具有不同程度抗性的转基因植物，因此抗菌肽可以在农业上作为保护植物的有效产品。但由于植物抗菌肽具有稳定性差、生产成本高等技术缺陷，目前还没有实现商业化生产。未来的研究方向应该是开发毒性较小、更稳定的抗菌肽化合物，并通过改进生产工艺流程、提高多肽合成效率来降低生产成本，使得植物抗菌肽能在制药和农业技术方面得到更广阔的应用。
作者:王美玲 单位:青岛科技大学
