植物外源凝集素plant lectins

植物中能凝集红血球的蛋白质或糖蛋白。也称植物凝血素。植物外源凝集素最初发现于蓖麻籽中，能使哺乳动物血红细胞发生凝聚，后来发现其广泛存在于显花植物及大多数隐花植物和低等植物中，对植物本身具有特定的生物学功能。在植物病害中与病原物吸附和识别有关。
理化性质 植物外源凝集素存在于植物细胞膜或细胞壁上，是一类结构性表达的基因产物，迄今研究的大多来源于种子。
分子量和亚单位 植物外源凝集素的分子量一般为50×1000～120×1000，如最常见的伴刀豆球蛋白A分子量为104×1000，但小麦中麦胚凝集素分子量仅36×1000。不同来源植物外源凝集素具有不同的亚单位。如花生外源凝集素有4个分子量相同的亚单位，大戟科植物凝集素RCA₁也有4个亚单位，其中2条A′链分子量32×1000,2条B′链分子量36×1000。马铃薯外凝素则为单体(50×1000)或亚单位一致的二体(100×1000)。对亚单位产生的分子机理有3种解释： ❶不同亚单位是不同基因的产物。
❷不同亚单位由同一基因编码，翻译后裂解成分子量相同或不同的肽链。
❸翻译后发生不同程度修饰。大多数植物外源凝集素的前体分子都比成熟分子大，翻译后经过裂解、糖基化或其它加工成为成熟分子。如豌豆外凝素(Favin)是由2个亚单位(α链和β链)组成的四体，α链和β链的分子量分别为5500和20×1000。在体外生物合成中其前体分子量为29×1000，含1个N-末端信号序列和α链、β链的全部氨基酸序列，排列顺序是： N-末端信号序列——β链序列——α链序列——C-末端序列。在横过微体膜时，脱去信号序列并发生糖基化，随后蛋白质区域裂解，形成2个肽链。
化学组成 根据化学组成可将植物外源凝集素分为2类，一类是简单蛋白质，另一类是含不同比例碳水化合物的糖蛋白。不同外源凝集素分子中还具有特定的氨基酸组分。如烟草和马铃薯等外源凝集素是含50%碳水化合物的糖蛋白，分子中富含羟脯氨酸、胱氨酸、丝氨酸和甘氨酸； 麦胚外源凝集素中不含碳水化合物，富含胱氨酸和甘氨酸，而豆科植物外源凝集素一般富含天氨酸和/或天冬酰胺，含或不含碳水化合物。小麦、玉米、大豆和水稻等植物中的硫堇具有高含量的半胱氨酸、赖氨酸和精氨酸，带大量正电荷。
糖结合位点 不同植物外源凝集素具不同的碳水化合物结合位点，能识别复杂碳水化合物上的特定糖残基，与糖发生可逆性结合而不改变糖苷键的共价结构。外源凝集素不是碳水化合物特异性的酶或转运蛋白，也不是植物激素和毒素，不具免疫球蛋白的性质。单糖、寡糖等特定半抗原和提纯的细菌脂多糖能抑制植物外源凝集素与糖的结合及对细菌细胞的凝聚作用，蛋白水解酶可以抑制糖蛋白类植物外源凝集素的活性。不同植物外源凝集素结合糖的特异性见表。
生化遗传基础 许多外源凝集素的氨基酸序列已经测定，对其基因及调控机制也开始研究。
氨基酸序列 现在知道许多植物外源凝集素(如麦胚凝集素和伴刀豆球蛋白A)的氨基酸全序列，以及至少15种植物外源凝集素的部分N-末端序列。同类或来源相近的外源凝集素氨基酸序列有不同程度的一致性。如豆科植物，尤其是同一族内豆科植物外源凝集素的氨基酸序列的一致性较大，其中某些具特定功能的区域中氨基酸序列一致性更高，如与外源凝集素分子二级和三级结构稳定性有关的区域、分子内亚单位结合有关的区域、外源凝集素与金属离子或疏水基团结合有关的区域等。

一些植物外源凝集素及其特征

(Etzler,1985)

植物	外源凝集素 代表成员	碳水化合物 特异性	化学组成	亚单位	分子量
豆科
蝶形花亚科 葛族 (Diocleae)	伴刀豆球蛋白A	α-D-甘露糖 α-D-葡萄糖	富含天门冬氨酸和/或 天门冬酰胺(Asx)，丝氨 酸，少含甲硫氨酸，无胱氨 酸，无碳水化合物	4个相同的亚单 位	104×1000
豌豆族	豌豆外凝素	α-D-甘露糖 α-D-葡萄糖	富含Asx、苏氨酸，无 甲硫氨酸和胱氨酸，含 3%碳水化合物	4个亚单位： 2个分子量 5571 2个分子量 20 700	53×1000
菜豆族	大豆外源凝集素	α-N-乙酰-D-氨 基半乳糖，半乳糖	富含Asx、丝氨酸、亮 氨酸、丙氨酸，少含甲硫氨 酸，无胱氨酸，含7%碳水 化合物	一致或基本一致 的4个亚单位	120×1000
百脉根族	欧洲百脉根A (Lotus tetragonolo- bus A)	α-L-果糖	富含Asx、丝氨酸、苏 氨酸，少甲硫氨酸，无胱氨 酸，含8%碳水化合物	一致的4个亚单 位	120×1000
岩黄芪族	花生外源凝集素	β-D-半乳糖 (1～3)-N-乙酰- D-氨基葡萄糖	富含Asx、丝氨酸，苏 氨酸，少甲硫氨酸，无胱氨 酸，无碳水化合物	一致的4个亚单 位	110×1000
云实亚科	Griffonia simpli- cifolia Ⅱ	β和α-N-乙酰 -D-氨基葡萄糖	富含Asx、丝氨酸、苏 氨酸、甘氨酸、亮氨酸，少 甲硫氨酸、含4%碳水化 合物	一致的4个亚单 位	113×1000
大戟科	蓖麻凝集素 (RCA1)	β-D-半乳糖	富含Asx、Glx、丝氨 酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮 氨酸，少含胱氨酸、甲硫氨 酸、苯丙氨酸，含12%碳 水化合物	4个亚单位： 2个A′链： 32 000 2个B′链： 36 000	120×1000
禾本科	麦胚凝集素	β-N-乙酰-D-氨 基葡萄糖(1～4) -β-N-乙酰-D-氨 基葡萄糖寡聚体	富含胱氨酸、甘氨酸，不 含碳水化合物	一致的2个亚单 位	36×1000
茄科	马铃薯外源凝集素	β-N-乙酰-D-氨 基葡萄糖(1～4)-β -N-乙酰-D-氨基葡 萄糖寡聚体	富含羟脯氨酸、胱氨酸、 丝氨酸、甘氨酸、无苯丙氨 酸，含50%碳水化合物	单体与二体混合 存在	50×1000 100×1000

基因定位 已知多倍体小麦的外源凝集素基因分别定位于染色体A,B和D的1条同源染色体上，小伞山羊草(Aegilops unbelluleta)的外源凝集素基因在染色体U上，其中A和D染色体上的基因位于长臂上。
表达调控 大多数植物中都具有1个以上的外源凝集素基因，其产物的分子结构类似，称同工外源凝集素(isolectins)。大豆种子中有2个外源凝集素基因L₁和L₂,L₂的表达水平很低，L₁基因的产物是对N-乙酰-氨基半乳糖或半乳糖有特异性结合力的外源凝集素，位于Le位点上。不产这种外源凝集素的大豆种也有L₁的同源片段，但其表达被1个3400碱基的转座因子所阻断。在豆科植物种子成熟过程中外源凝集素积累动态与mRNA的变化一致，说明基因的表达调控发生在转录水平。在小麦、水稻胚中，外源凝集素的合成直接或间接受脱落酸的调控。
生物学功能 植物外源凝集素存在的广泛性及其在某些植物或器官中含量很高的事实说明它们对植物有重要功能。不同植物种类和组织类型产生的外源凝集素具有不同的功能。
参与植物防卫机制 经多次试验证明植物外源凝集素能与病菌表面的碳水化合物或含碳水化合物的其它分子特异性结合，使病菌被凝聚固定而不能侵染。
对病菌侵染的作用 受病菌侵染的植物组织中存在特定的外源凝集素。苹果叶片和大豆叶片中分别存在结合解淀粉欧文氏菌和大豆叶斑病菌的外源凝集素，一些植物种子中的外源凝集素在种子吸胀、萌发和幼苗生长早期有凝集病菌、减轻侵染的作用。
与寄主范围的关系 病菌与外源凝集素间的结合与病菌的寄主范围有一定相关性。如烟草和马铃薯外源凝集素能选择性地凝聚青枯病菌的不亲和菌株，其中马铃薯外源凝集素对此细菌胞外多糖(EPS)的结合能力比对脂多糖(LPS)的结合能力弱，由于亲和菌株产生EPS多，使LPS被遮盖，因而削弱了外源凝集素对菌体的凝聚作用，使亲和菌株得以侵入寄主。提纯的麦胚凝集素和大豆凝集素能结合到相应病原真菌的孢子及菌丝尖端和病原细菌细胞的表面，抑制真菌孢子萌发、菌丝生长及细菌繁殖。
与病原物互作中的作用 外源凝集素可作为激发子的受体参与植物保卫素合成的激发而增强植物抗病性； 有些外源凝集素还能保护植物不受某些害虫的危害。有一些试验结果反对上述观点。如提纯的马铃薯外源凝集素对其病原菌——青枯病菌没有结合作用；菜豆种子外源凝集素对不亲和、亲和以及腐生的假单胞细菌均有凝集活性； 菜豆和烟草的外源凝集素与细菌的识别作用和该菌对菜豆和烟草的致病性没有相关性； 大豆外源凝集素对测试的21个油菜黄单胞菌菜豆致病变种菌株均无凝集作用等。
促进豆科植物与根瘤菌共生体系形成 豆科植物外源凝集素假说认为豆科植物根表的外源凝集素（糖蛋白）与根瘤菌细胞表面的O抗原(LPS)之间发生特异性互补结合，而使根瘤菌侵染成功。
根表外源凝集素的作用 用血清学方法或其它间接方法都可检测到豆科植物根表存在外源凝集素，用免疫学方法处理根系以钝化外源凝集素后，根瘤菌的吸附量减少。
在特异性结合中的作用 豆科植物外源凝集素能与侵染大豆的25株根瘤菌的23株结合，而与不侵染大豆的5种根瘤菌的23个菌株均不结合。在白三叶草根毛上，白三叶草素A的1个D-葡萄糖结合位点固定在根毛上，另1个位点游离于周围环境中与细菌表面多糖结合，使细菌附着于根毛上，这种吸附有专一性。在豌豆一豌豆根瘤菌系统中也证明了这种专一性的存在。
有半抗原抑制效应 在半抗原竞争结合位点试验中，用N-乙酰-D-氨基半乳糖或半乳糖处理野生大豆根系显著降低大豆根瘤菌对根毛的吸附； 用D-葡萄糖处理花三叶草根系减弱三叶草根瘤菌对其寄主根毛的吸附作用。
遗传转化作用 根瘤菌的DNA转化棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii)能提高该菌在三叶草根毛上的吸附量。
上述研究的缺陷在于使用的外源凝集素大多来源于种子而不是根毛细胞。此外尚有2个关键问题没有解决： ❶植物结瘤时在相应组织或细胞位点上是否存在足够量的外源凝集素。
❷外源凝集素吸附特定根瘤菌菌株的能力与该菌株的结瘤能力是否有相关性。还有一些相反的报道，如一些显著抑制豌豆外源凝集素凝聚豌豆根瘤菌荚膜多糖(CPS)的糖反而不影响该菌对豌豆根的识别； 改变试验条件可使本来无识别作用的根瘤菌与外源凝集素发生结合。
参与种子成熟，萌发和休眠 主要依据是植物外源凝集素存在于种子中的蛋白体中，因而可作为种子的贮藏蛋白。在豆科植物中种子的外源凝集素含量高达可溶性蛋白的10%，其积累和消失的动态模式与种子成熟和萌发的过程有一定的相关性。
其它功能 在花器中的植物外源凝集素与花粉—柱头的不亲和性有关； 在藻类中外源凝集素参与配子一配子之间的互作。
植物外源凝集素假说的基本依据是植物外源凝集素分子能与碳水化合物结合，而忽略了其分子上其它特性的作用。如许多植物外源凝集素，包括豆科植物凝集素、麦胚凝集素、马铃薯凝集素、蓖麻凝集素等分子上除糖结合位点外，还有疏水基结合位点，它们与疏水基团有不同程度的亲和性，这些位点与糖结合位点相互独立。腺嘌呤、具吲哚乙酸和细胞激动素活性的许多衍生物均能与植物外源凝集素的疏水位点结合。这些位点在植物长期进化过程中保留下来，具有植物必需的功能。