糖是生命科學領域非常重要的一類生物大分子,糖生物工程技術是繼基因工程、蛋白質工程之后,人類歷史上第三大生物平臺技術,其核心必然是糖鏈測序與糖鏈合成技術,糖鏈的從頭測序、微量樣品的糖鏈測序、糖鏈測序的高效性、穩健性、易操作性、通用性等,這些決定了糖鏈的結構--功能關系研究。糖鏈的產業價值不僅限于生物醫藥和人類健康,對于植物健康也具有非常重要的意義,特別是在糖鏈與植物免疫這個領域,具有極大的想象空間。專訪中國科學院過程研究所博士、中科榮耀公司總經理趙勇,探秘其研究了二十多年的寡糖的研發與應用技術。

請您科普一下甲殼素、殼聚糖、殼寡糖的區別及其在農業上的應用,尤其是殼寡糖的應用特點。

甲殼素和殼聚糖都是多糖,主要來源于蝦蟹殼、昆蟲外殼、真菌細胞壁等,代表了自然界中最為豐富的生物質資源之一。甲殼素,也叫幾丁聚糖,難溶于水和常規的有機溶劑。甲殼素經高溫強堿脫乙酰可以得到殼聚糖,殼聚糖難溶于水,但可以溶于弱酸。殼聚糖經過酸水解或酶水解可以得到更低分子量的殼寡糖,殼寡糖易溶于水。因此特點目前在農業上應用最普遍的是殼寡糖,其作為一種植物免疫誘抗劑,或生物刺激素,在我國已有二十多年的應用推廣經驗。

殼寡糖并非植物營養,但其可以通過改善植物自身的根系發育,間接地提高植物的營養吸收效率。殼寡糖更不是傳統意義上的靶向性農藥,但其可以通過激活植物自身的先天性免疫防御系統(Pattern triggered immunity,PTI),提高植物自身對于生物性脅迫(病蟲害)與非生物脅迫(低溫、干旱、鹽堿)的應對能力,增強植物的抗病和抗逆性能,減少化學農藥的使用量,與化學農藥一起使用,還具有協同增效的效果。

經過多年的應用摸索,殼寡糖第一市場定位是防控植物病毒病,其次是與噻唑膦或阿維菌素等搭配而成的線蟲解決方案。我認為,未來殼寡糖的應用市場主要還在與化學農藥的協同上,通過殼寡糖來提質增效。

中科榮耀是用殼聚糖酶酶促方式制備的殼寡糖,該方式與傳統用酸降解和氧化降解相比,優勢和技術難點是什么？

殼寡糖的制備方法主要有三種：化學法、物理法和生物法,目前市場上主流的方法是生物酶法。市場更愿意在制備方法上做文章,事實上,關鍵的問題不在于是不是生物酶法,而在于生產出來的殼寡糖的結構特性。據確鑿的證據表明,雖然同是酶法生產的殼寡糖,產品的活性可以相差很大。而殼寡糖的使用者往往不具備結構分析來分辨優劣的能力,所以,常有使用端客戶反饋,殼寡糖的效果不夠穩定。本質原因在于對殼寡糖的結構的控制,結構決定了穩定性和功能。

殼寡糖的結構特征復雜在聚合度所代表的糖鏈長度不一、脫乙酰度GlcNAc單糖和GlcN單糖組成比例不同以及乙酰化分布的排列順序多樣。殼寡糖雖功能多樣應用廣泛,但不同的結構特征對應著不同的機理。

圖1 不同聚合度殼寡糖的空間結構 

中科榮耀的殼寡糖二十多年來持續創新,歷經多次技術迭代,在創新的過程中總結,制備優質的、高活性的殼寡糖,必須綜合考慮四個要素：原料、工具酶、過程工藝、結構機理。

請您詳細分享下殼寡糖的應用情況和效果。

誘導抗病毒病是市場對殼寡糖的第一定位,在50μg/mL殼寡糖處理下,作物病情指數降低率可達85.45%。相似試驗結果的作物有煙草、木瓜、黃瓜、辣椒等。殼寡糖對真菌病害防效作用約在40-85%,且具有廣譜性。與靶向性殺菌劑混配,內外兼顧,可起到減藥增效作用。包括吡唑醚菌酯、乙蒜素、戊唑醇、氰烯菌酯等。新功能發現殼寡糖還有降解農殘的顯著作用。

圖2 煙草誘導抗病毒試驗(左)和黃瓜白粉病試驗 (右)

除了實驗室試驗,中科榮耀團隊與國內知名的生物農藥公司、肥料企業和地方植保站建立了長期的合作與探索。例如與北京三浦百草張劍波在馬鈴薯的田間應用,噴施3%殼寡糖50倍液噴處理,試驗結果顯示對黑痣病防治上性價比優于進口醚菌酯,防效為75%。另外還表現出對早疫病70%的防效,以及可見的根系發達,莖潰病發病減輕。

圖3 殼寡糖處理后的馬鈴薯、醚菌酯處理和空白對照 

中科榮耀的核心競爭力和產品優勢是什么？

中科榮耀是由中國科學院過程工程研究所與蘇州市市政府共同孵化的一家科技型企業,專注于高品質寡糖的研發與生產銷售,目前已建成年產300噸的殼寡糖原料和6000噸制劑的產業化生產線。相較規模,我們更注重產品質量和用戶價值。有國家科技部背書的千萬元科研經費,在十三五期間,我司把重點精力頭方在本就有強優勢的研發端,先后創制了三種新型結構的寡糖：DA-誘抗素、幾丁寡糖素和褐藻寡糖,每種不同結構的寡糖都有其獨特的功能定位：褐藻寡糖,促生根的效果就非常顯著,是一種非常優秀的肥料增效劑；DA-誘抗素的誘導抗蟲能力很強 ；殼寡糖,誘導抗寒和抗病毒病、真菌病、線蟲都有顯著效果。

任何一家農藥或肥料公司都需要開發有競爭力的好產品,而好產品往往離不開好的原料,高品質的原料產品必不可缺。但是“這個原料產品為什么好？”,能把這個問題講透的并不多。其次,原料品質在實際應用過程中,需要多重檢驗。

中科榮耀一直是減法戰略,我們只專注于做好寡糖原料產品,又有二十多年寡糖研發與應用技術經驗的加持,相較而言我們更有優勢更有經驗去研發創制更好的寡糖,并且能夠講清楚為什么更好,怎么才能用好,怎么才能幫助用戶更大化的提升產品力和問題解決能力,我認為這才是我們的核心競爭力。