9月21日,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所/農(nóng)業(yè)基因組研究所楊青教授團隊在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)以研究長文的形式在線發(fā)表了歷時十五年完成的一項研究成果。
該研究解析了大豆疫霉菌幾丁質(zhì)合成酶的冷凍電鏡結(jié)構(gòu),首次揭示了幾丁質(zhì)生物合成的完整過程,包括三個步驟:酶與底物結(jié)合、新生成的幾丁質(zhì)鏈延伸、產(chǎn)物釋放,并闡明了活性小分子尼克霉素能夠抑制幾丁質(zhì)生物合成的機制。
農(nóng)藥使用每年為國家減少約1000億元直接經(jīng)濟損失,但農(nóng)藥毒性和病蟲害產(chǎn)生的抗藥性使農(nóng)藥使用面臨嚴峻挑戰(zhàn)。加速研發(fā)安全、新作用機制的農(nóng)藥是有效解決途徑,其技術(shù)核心在于農(nóng)藥分子靶標,即病蟲害體內(nèi)與農(nóng)藥分子結(jié)合從而使農(nóng)藥分子發(fā)揮藥效的生物大分子。
幾丁質(zhì)是由N-乙酰氨基葡萄糖構(gòu)成的天然生物高分子,其生物合成對大量生物的生存和繁殖至關(guān)重要,這些生物也包括許多嚴重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的害蟲、病原真菌和卵菌等。幾丁質(zhì)不存在于植物和哺乳動物中,因此幾丁質(zhì)合成酶是高效、安全、生態(tài)友好的農(nóng)藥創(chuàng)制的重要靶標之一。
楊青教授團隊長期致力于幾丁質(zhì)生物學(xué)研究,在幾丁質(zhì)合成、水解和修飾方面具有豐厚的積累。本項成果選取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的幾丁質(zhì)合成酶PsChs1為研究對象。大豆疫霉是引起大豆根莖腐爛的主要病原體,每年造成超過10億美元的經(jīng)濟損失?;蚯贸齈sChs1會損害菌絲體生長、孢子囊產(chǎn)生和游動孢子釋放,從而極大降低大豆疫霉的毒力。因此,PsChs1不僅可以作為良好的殺菌劑靶標,也可以作為幾丁質(zhì)合成酶研究的一個模型。
該團隊還探明了幾丁質(zhì)合成酶與活性小分子尼克霉素結(jié)合的模式,解釋了尼克霉素抑制幾丁質(zhì)生物合成的機制。
這一工作為人畜安全的綠色農(nóng)藥創(chuàng)制提供了關(guān)鍵的分子靶標結(jié)構(gòu)信息,為控制病蟲害對現(xiàn)有農(nóng)藥的抗藥性提供了全新解決方案,為農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)的變革和綠色發(fā)展開辟了新方向。該論文是全球農(nóng)藥領(lǐng)域近年來最重要的基礎(chǔ)研究進展之一。這一原創(chuàng)性工作為靶向幾丁質(zhì)合成的綠色農(nóng)藥開發(fā)提供了基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性信息,使得以幾丁質(zhì)合成酶為分子靶標精準開發(fā)新型綠色農(nóng)藥成為科學(xué)可行的方案,具有重要的理論和應(yīng)用價值。
《Nature》期刊論文匿名評審專家認為"盡管幾丁質(zhì)存在于各種不同的生命形式中,幾丁質(zhì)生物合成機制在進化上是保守的。這個工作是創(chuàng)新的,無疑具有廣泛的影響力"。
中國工程院院士、華東師范大學(xué)校長錢旭紅指出,該研究突破了幾丁質(zhì)農(nóng)藥領(lǐng)域一個近 50 年的發(fā)展瓶頸,為人類數(shù)十年以來未能實現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境友好農(nóng)藥的夢想提供了實現(xiàn)的舞臺。
據(jù)悉,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所為論文的第一完成單位,植保所陳威副研究員、北京工業(yè)大學(xué)曹鵬教授和大連理工大學(xué)劉元盛博士為本文共同第一作者,植保所楊青教授和中國科學(xué)院高能物理所龔勇研究員為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳基因組研究所于愛玲博士后、陳磊博士后,大連理工大學(xué)王棟博士,天津大學(xué)尉遲之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士后,以及德國錫根大學(xué)Hans Merzendorfer教授也參與了本文的研究。