糖是生命科学领域非常重要的一类生物大分子,糖生物工程技术是继基因工程、蛋白质工程之后,人类历史上第三大生物平台技术,其核心必然是糖链测序与糖链合成技术,糖链的从头测序、微量样品的糖链测序、糖链测序的高效性、稳健性、易操作性、通用性等,这些决定了糖链的结构--功能关系研究。糖链的产业价值不仅限于生物医药和人类健康,对于植物健康也具有非常重要的意义,特别是在糖链与植物免疫这个领域,具有极大的想象空间。AgroPages世界农化网专访了中国科学院过程研究所博士、中科荣耀公司总经理赵勇,探秘其研究了二十多年的寡糖的研发与应用技术。
请您科普一下甲壳素、壳聚糖、壳寡糖的区别及其在农业上的应用,尤其是壳寡糖的应用特点。
甲壳素和壳聚糖都是多糖,主要来源于虾蟹壳、昆虫外壳、真菌细胞壁等,代表了自然界中最为丰富的生物质资源之一。甲壳素,也叫几丁聚糖,难溶于水和常规的有机溶剂。甲壳素经高温强碱脱乙酰可以得到壳聚糖,壳聚糖难溶于水,但可以溶于弱酸。壳聚糖经过酸水解或酶水解可以得到更低分子量的壳寡糖,壳寡糖易溶于水。因此特点目前在农业上应用最普遍的是壳寡糖,其作为一种植物免疫诱抗剂,或生物刺激素,在我国已有二十多年的应用推广经验。
壳寡糖并非植物营养,但其可以通过改善植物自身的根系发育,间接地提高植物的营养吸收效率。壳寡糖更不是传统意义上的靶向性农药,但其可以通过激活植物自身的先天性免疫防御系统(Pattern triggered immunity,PTI),提高植物自身对于生物性胁迫(病虫害)与非生物胁迫(低温、干旱、盐碱)的应对能力,增强植物的抗病和抗逆性能,减少化学农药的使用量,与化学农药一起使用,还具有协同增效的效果。
经过多年的应用摸索,壳寡糖第一市场定位是防控植物病毒病,其次是与噻唑膦或阿维菌素等搭配而成的线虫解决方案。我认为,未来壳寡糖的应用市场主要还在与化学农药的协同上,通过壳寡糖来提质增效。
中科荣耀是用壳聚糖酶酶促方式制备的壳寡糖,该方式与传统用酸降解和氧化降解相比,优势和技术难点是什么？
壳寡糖的制备方法主要有三种：化学法、物理法和生物法,目前市场上主流的方法是生物酶法。市场更愿意在制备方法上做文章,事实上,关键的问题不在于是不是生物酶法,而在于生产出来的壳寡糖的结构特性。据确凿的证据表明,虽然同是酶法生产的壳寡糖,产品的活性可以相差很大。而壳寡糖的使用者往往不具备结构分析来分辨优劣的能力,所以,常有使用端客户反馈,壳寡糖的效果不够稳定。本质原因在于对壳寡糖的结构的控制,结构决定了稳定性和功能。
壳寡糖的结构特征复杂在聚合度所代表的糖链长度不一、脱乙酰度GlcNAc单糖和GlcN单糖组成比例不同以及乙酰化分布的排列顺序多样。壳寡糖虽功能多样应用广泛,但不同的结构特征对应着不同的机理。
图1 不同聚合度壳寡糖的空间结构
中科荣耀的壳寡糖二十多年来持续创新,历经多次技术迭代,在创新的过程中总结,制备优质的、高活性的壳寡糖,必须综合考虑四个要素：原料、工具酶、过程工艺、结构机理。
请您详细分享下壳寡糖的应用情况和效果。
诱导抗病毒病是市场对壳寡糖的第一定位,在50μg/mL壳寡糖处理下,作物病情指数降低率可达85.45%。相似试验结果的作物有烟草、木瓜、黄瓜、辣椒等。壳寡糖对真菌病害防效作用约在40-85%,且具有广谱性。与靶向性杀菌剂混配,内外兼顾,可起到减药增效作用。包括吡唑醚菌酯、乙蒜素、戊唑醇、氰烯菌酯等。新功能发现壳寡糖还有降解农残的显著作用。
图2 烟草诱导抗病毒试验(左)和黄瓜白粉病试验 (右)
除了实验室试验,中科荣耀团队与国内知名的生物农药公司、肥料企业和地方植保站建立了长期的合作与探索。例如与北京三浦百草张剑波在马铃薯的田间应用,喷施3%壳寡糖50倍液喷处理,试验结果显示对黑痣病防治上性价比优于进口醚菌酯,防效为75%。另外还表现出对早疫病70%的防效,以及可见的根系发达,茎溃病发病减轻。
图3 壳寡糖处理后的马铃薯、醚菌酯处理和空白对照
中科荣耀的核心竞争力和产品优势是什么？
中科荣耀是由中国科学院过程工程研究所与苏州市市政府共同孵化的一家科技型企业,专注于高品质寡糖的研发与生产销售,目前已建成年产300吨的壳寡糖原料和6000吨制剂的产业化生产线。相较规模,我们更注重产品质量和用户价值。有国家科技部背书的千万元科研经费,在十三五期间,我司把重点精力头方在本就有强优势的研发端,先后创制了三种新型结构的寡糖：DA-诱抗素、几丁寡糖素和褐藻寡糖,每种不同结构的寡糖都有其独特的功能定位：褐藻寡糖,促生根的效果就非常显著,是一种非常优秀的肥料增效剂；DA-诱抗素的诱导抗虫能力很强 ；壳寡糖,诱导抗寒和抗病毒病、真菌病、线虫都有显著效果。
任何一家农药或肥料公司都需要开发有竞争力的好产品,而好产品往往离不开好的原料,高品质的原料产品必不可缺。但是“这个原料产品为什么好？”,能把这个问题讲透的并不多。其次,原料品质在实际应用过程中,需要多重检验。
中科荣耀一直是减法战略,我们只专注于做好寡糖原料产品,又有二十多年寡糖研发与应用技术经验的加持,相较而言我们更有优势更有经验去研发创制更好的寡糖,并且能够讲清楚为什么更好,怎么才能用好,怎么才能帮助用户更大化的提升产品力和问题解决能力,我认为这才是我们的核心竞争力。