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我国科学家破译几丁质生物合成机制,提速绿色农药原始创新
2022-09-23 09:12:09 来源:中国经济网

9月21日,中国农业科学院植物保护研究所/农业基因组研究所杨青教授团队和中国科学院高能物理研究所龚勇研究员在国际知名学术期刊《自然》(Nature)以研究长文的形式,在线发表了历时15年完成的一项研究成果。该研究解析了大豆疫霉菌几丁质合成酶的冷冻电镜结构,首次揭示了几丁质生物合成的完整过程,包括三个步骤:酶与底物结合、新生成的几丁质链延伸、产物释放,并阐明了活性小分子尼克霉素能够抑制几丁质生物合成的机制。

几丁质俗称甲壳素,广泛存在于真菌、节肢动物、软体动物、环节动物、腔肠动物和原生动物等不同种类的生物中,是地球上含量最丰富的氨基聚糖。几丁质的生物合成也是最古老的生物合成途径之一。

农药毒性和病虫害产生的抗药性使农药使用面临严峻挑战。长期使用针对单一靶标的农药很容易使病虫害产生高的抗药性,最终导致农药无法控制病虫害种群而出现病虫害爆发频发的灾害,这也是全球农业病虫害防控所面临的重大问题。

几丁质是由N-乙酰氨基葡萄糖构成的天然生物高分子,几丁质合成酶是高效、安全、生态友好的农药创制的重要靶标之一。同时,几丁质在昆虫和真菌中均为不可或缺的结构成分,几丁质合成酶既是杀菌剂的靶标,又是杀虫剂的靶标。

从上世纪七十年代起,人们就陆续开发了能抑制几丁质合成的活性小分子化合物。过去50多年中,试图研发出更多种类和更加高效的靶向几丁质合成酶的绿色农药,但始终进展缓慢。其中一个重要原因是缺乏准确的几丁质合成酶的三维结构信息。而杨青团队的研究第一次从原子水平上展示了一个有方向性的、多步骤偶联的几丁质生物合成过程。

该团队还探明了几丁质合成酶与活性小分子尼克霉素结合的模式,解释了尼克霉素抑制几丁质生物合成的机制。这一工作为人畜安全的绿色农药创制提供了关键的分子靶标结构信息,为控制病虫害对现有农药的抗药性提供了全新解决方案,为农药产业的变革和绿色发展开辟了新方向。该论文是全球农药领域近年来最重要的基础研究进展之一。这一原创性工作为靶向几丁质合成的绿色农药开发提供了基础性、关键性信息,具有重要的理论和应用价值。

《Nature》期刊论文匿名评审专家认为“尽管几丁质存在于各种不同的生命形式中,几丁质生物合成机制在进化上是保守的。这个工作是创新的,无疑具有广泛的影响力”。

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