農(nóng)藥是保障糧食安全的戰(zhàn)略性物資，沒有農(nóng)藥，農(nóng)作物每年將減產(chǎn)30%以上。安全、生態(tài)友好的農(nóng)藥是保障糧食安全、人民健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本。
9月21日23時，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及其合作者在國際知名學(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。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。
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。
該研究也被視作農(nóng)藥研究領(lǐng)域的一個里程碑，實現(xiàn)了農(nóng)藥基礎(chǔ)研究的突破，照亮了新型綠色農(nóng)藥精準設(shè)計的前景，基于此研究，未來可能創(chuàng)制出幾十甚至上百種新農(nóng)藥品種，帶來數(shù)十億美元的市場。
農(nóng)藥使用每年為我國減少約1000億元直接經(jīng)濟損失，但農(nóng)藥毒性和病蟲害產(chǎn)生的抗藥性使其在使用方面面臨嚴峻挑戰(zhàn)。加速研發(fā)安全、新作用機制的農(nóng)藥是有效解決途徑，其科學(xué)問題的核心在于農(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，這些生物大分子可以是在病蟲害生長發(fā)育過程中不可或缺的蛋白質(zhì)、酶、多肽和核酸等。
目前全球廣泛使用的殺蟲劑中70%的品種只針對5個分子靶標，廣泛使用的殺菌劑中60%的品種只針對3個靶標。長期使用針對單一靶標的農(nóng)藥很容易使病蟲害產(chǎn)生高的抗藥性，最終導(dǎo)致農(nóng)藥無法控制病蟲害種群而出現(xiàn)病蟲害爆發(fā)頻發(fā)的災(zāi)害，這也是全球農(nóng)業(yè)病蟲害防控所面臨的重大問題。
資料顯示，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。同時，幾丁質(zhì)在昆蟲和真菌中均為不可或缺的結(jié)構(gòu)成分，因此，幾丁質(zhì)合成酶既是殺菌劑的靶標，又是殺蟲劑的靶標。
從上世紀七十年代起，人們就陸續(xù)開發(fā)了能抑制幾丁質(zhì)合成的活性小分子化合物，這些化合物作為殺菌劑和殺蟲劑已經(jīng)表現(xiàn)出極大的應(yīng)用和市場前景。例如，1976年拜耳公司發(fā)現(xiàn)的尼克霉素對馬鈴薯疫霉、同絲水霉、煙曲霉等多種農(nóng)業(yè)病原菌表現(xiàn)出良好的殺菌活性，并且作為人用的抗真菌藥物已經(jīng)進入II 期臨床試驗。1978年人工合成的苯甲酰脲類化合物可以有效阻止昆蟲的幾丁質(zhì)合成，目前該類化合物農(nóng)藥占據(jù)殺蟲劑市場的3%，年銷售達到4.41億美元。
然而在過去的50年中，盡管全球各國投入了大量的人力、物力和熱情，試圖研發(fā)出更多種類和更加高效的靶向幾丁質(zhì)合成酶的綠色農(nóng)藥，但始終進展緩慢。其中一個重要原因是缺乏準確的幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu)信息，幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系不明確，嚴重阻礙了針對該酶設(shè)計新的農(nóng)藥品種。
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。此次研究成果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。
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，通過在原子尺度上對幾丁質(zhì)合成酶與底物、產(chǎn)物和抑制劑的結(jié)合模式的分析，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：基于幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)精準設(shè)計綠色農(nóng)藥。幾丁質(zhì)合成機制在病蟲害中的保守性使得幾丁質(zhì)合成酶作為綠色農(nóng)藥分子靶標具有重要意義。此研究成果具有里程碑的意義，標志著中國農(nóng)藥研發(fā)水平提升到了基礎(chǔ)理論原始創(chuàng)新的高度。該工作也是全球農(nóng)藥創(chuàng)新研究與開發(fā)近幾十年來最重要的基礎(chǔ)性進展之一。
澎湃新聞了解到，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。該研究得到國家自然科學(xué)基金重點項目、國際(地區(qū))合作與交流項目、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程、深圳市科技計劃項目及深圳市大鵬新區(qū)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金等項目的資助。
據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院介紹，接下來，將強化對該研究成果的應(yīng)用研究，加快針對該酶的綠色農(nóng)藥創(chuàng)制。
