[发明专利]一种半夏半胱氨酸蛋白酶抑制剂及其在抗虫中的应用

说明书

技术领域

本发明属于生物化学与分子生物学技术领域，具体涉及一种半夏半胱氨 酸蛋白酶抑制剂及其在抗虫中的应用。

背景技术

作物害虫是造成农业减产的重要因素之一，据联合国粮农组织统计，全世 界每年因病虫害使谷物减产20％～30％，仅仅美国每年因虫害造成的皮棉损失 达12％～14％，经济损失达4.5亿美元。传统的杀虫剂主要是一些天然或合成的 化学药品，它们在短期内虽然能起到杀灭害虫保护农作物的作用，但长期使用 会使毒性在植物体内积累，危害人类及其他动物健康，同时还能导致害虫对杀 虫剂产生抗性，从而降低其药效，因此世界上很多国家都已禁止对农作物使用 化学杀虫剂，而致力于生物杀虫剂的研究，并取得了重大进展。其中美国的 Monsanto公司在生物工程的研究与开发方面起到了举足轻重的作用，1993年 美国农业部批准300项转基因作物的田间试验，其中90项是由Monsanto公司提 出来的。1989年美国种植转基因大豆0.1亿公顷，主要是由Monsanto公司提供 的种子。使用生物杀虫剂可以克服化学杀虫剂的许多弊端，但用作生物杀虫剂 的物质许多在自然界并不是大量存在的，通常情况下只是作为一些次生代谢 物存在，这使得生物杀虫剂的造价昂贵。随着植物基因工程的兴起与发展，这 一问题得到了很大程度的解决。人们将这些抗虫物质的基因克隆并转入植物 体内，从而获得抗虫转基因植物。与常规的生物杀虫剂相比，抗虫转基因植物 的优点更为显见，例如，它对植物具有连续保护作用，只对目标害虫起作用，而 对非危害生物无影响，而且所表达的抗虫物质仅存在于植物体内，不存在环境 污染问题；同时它的成本低，有利于推广。目前应用于转基因植物的抗虫基因 主要有两大类，一类是来源于微生物的抗虫基因，另一类是来源于植物的抗虫 基因，其他还有来源于动物的几种，但人们对此研究较少。寻找可用的抗虫基 因资源就成了，发展转基因抗虫农业的关键。

半夏为天南星科植物半夏Pinellia ternata(Thunb.)Breit.的块茎，是 一种重要的中药材。半夏主要药理作用为内用可燥湿化痰，降逆止呕，消痞 散结；外用则主要用于消炎。近年来研究发现，半夏还具有抗肿瘤、抗生育 和抗蚜虫等重要药理作用。

蛋白酶抑制剂(Protease inhibitor，PI)是一类分子量较小的蛋白质， 广泛的存在于动植物体中，一般是由60-120个氨基酸组成的多肽，能与体内 蛋白酶结合，形成蛋白酶-蛋白酶抑制剂复合物，从而抑制蛋白酶的水解作用， 调节机体很多重要的生命活动，包括蛋白降解、信号传导、炎症、凋亡和血 液凝固等。植物蛋白酶抑制剂主要存在于种子器官或者块茎中，其含量往往 可以到达总蛋白的10％。目前，豆科植物中大量的植物蛋白酶抑制剂已经被发 现、分离纯化和探索，其生理作用和机制研究也已经研究的比较清楚。很多 报道表明当植物叶片受到化学处理或者机械损伤时，也可诱导产生大量植物 蛋白酶抑制剂。

根据蛋白酶抑制剂作用于蛋白酶活性位点的不同，可以将蛋白酶抑制剂 分为四大类。其中植物中最多的是丝氨酸蛋白酶，尤其是在豆科植物中，该 类蛋白酶抑制剂也是到目前为止研究最广泛、最深入的植物蛋白酶抑制剂。 丝氨酸蛋白酶家族又可以主要分为两个家族：Kunitz家族和Bowman-Birk 家族。Kunitz蛋白酶抑制剂家族是丝氨酸蛋白酶抑制剂的另一个主要类型。 该家族成员分子量一般为20kDa左右，肽链长度为180个氨基酸左右，分 子内含有两对分子内二硫键，分子内部只有一个活性结合位点可与蛋白酶结 合，因此这类蛋白酶抑制剂也被称为单头抑制剂。

根据植食性昆虫蛋白质消化机制的不同，可以粗略地将植食害虫划分为 三大类：(1)消化道内pH值为中性或碱性，主要的蛋白消化酶为丝氨酸蛋白酶； (2)消化道内pH值为酸性，主要的蛋白酶为半胱氨酸蛋白酶；(3)消化道内没 有蛋白酶，如半翅目的许多吸食汁液的昆虫。蛋白酶抑制剂和昆虫消化酶的 特异性相互作用，决定了不同的蛋白酶抑制剂的抗虫谱。可见，在蛋白酶抑制 剂家族中，与抗虫关系最为密切的是丝氨酸蛋白酶抑制剂，因为大多数昆虫 所利用的正是丝氨酸蛋白酶尤其是类胰蛋白酶；其次是半胱氨酸蛋白酶抑制 剂，大部分鞘翅目，尤其是谷仓害虫，利用的是半胱氨酸蛋白消化酶，二者 在抗虫谱上是互补的。

不同的蛋白酶抑制剂在动植物体内的功能是多种多样的，目前，尚没有 从半夏中分离出半胱氨酸蛋白酶抑制剂并且研究其具体功能的报道。

发明内容