近日，植物保護(hù)學(xué)院葉永浩教授課題組聯(lián)合中科院上海有機(jī)所、南京師范大學(xué)周佳海教授課題組，在Nature Communications期刊上在線發(fā)表了題為“Substrate-based discovery of α-hydroxycarboxylic acid derivatives as potential herbicides targeting dihydroxyacid dehydratase”的研究論文。該研究創(chuàng)新性地以植物支鏈氨基酸（BCAAs）合成途徑中的關(guān)鍵酶二羥酸脫水酶（DHAD）為靶標(biāo)，成功設(shè)計(jì)并合成具有α-羥基羧酸結(jié)構(gòu)特征的新型除草劑先導(dǎo)化合物，為開發(fā)作用機(jī)制獨(dú)特、環(huán)境友好的新一代除草劑奠定了重要的分子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
我國每年農(nóng)田雜草年發(fā)生面積高達(dá)14億畝次，對糧食生產(chǎn)造成重大威脅。除草劑作為防控雜草的關(guān)鍵手段，在保障國家糧食安全中具有不可替代的作用。然而，當(dāng)前除草劑市場普遍存在品種同質(zhì)化、雜草抗藥性日益突出、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)加大等問題，亟需創(chuàng)制具有全新作用機(jī)制的新型綠色除草劑品種。
BCAAs是蛋白質(zhì)合成的必需組分，植物和微生物能夠自主合成，而哺乳動物則依賴外源攝取。這種差異使得BCAAs合成通路中的蛋白被認(rèn)為是開發(fā)高選擇性除草劑的理想靶標(biāo)。DHAD催化2,3-二羥基甲基戊酸和2,3-二羥基異戊酸脫水生成α-酮酸，是BCAAs合成途徑的關(guān)鍵酶。本研究通過比較植物、真菌、細(xì)菌等不同種屬來源DHAD蛋白結(jié)構(gòu)和序列差異，發(fā)現(xiàn)活性腔內(nèi)關(guān)鍵氨基酸殘基（Asp140、Glu463、Tyr215 和 Ser489）保守，但存在構(gòu)象差異，為靶向DHAD抑制劑合理設(shè)計(jì)提供分子基礎(chǔ)。通過分析DHAD與底物的互作模式，發(fā)現(xiàn)α-羥基羧酸片段與活性腔內(nèi)的2Fe-2S簇和Mg2+形成配位，烷基骨架與鄰近的Tyr215和Phe181形成疏水相互作用。因此，采用底物導(dǎo)向的分子設(shè)計(jì)策略，構(gòu)建了含有α-羥基羧酸片段的苯并噁嗪酮類系列衍生物。同時(shí)建立了常溫常壓條件下，空氣氧化實(shí)現(xiàn)α-C(sp3)?H羥基化的綠色高效合成方法。
靶標(biāo)親和力測試發(fā)現(xiàn)化合物I-6e與DHAD互作的Kd值達(dá)到1.00 μM，優(yōu)于底物2,3-二羥基甲基戊酸（Kd = 5.39 μM）和天然抑制劑aspterric acid（Kd = 3.41 μM）。轉(zhuǎn)錄組分析和BCAAs回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證實(shí)α-羥基羧酸衍生物通過作用于支鏈氨基酸合成途徑，進(jìn)而抑制種子萌發(fā)和植物生長。進(jìn)一步解析得到分辨率為2.19 ?的DHAD與I-6e復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了I-6e與蛋白互作的關(guān)鍵位點(diǎn)，證實(shí)了α-羥基羧酸是與DHAD活性腔結(jié)合的關(guān)鍵藥效片段，為創(chuàng)制靶向DHAD抑制劑提供了理論基礎(chǔ)。溫室實(shí)驗(yàn)表明，α-羥基羧酸系列化合物對狗尾草、野燕麥、醴腸、反枝莧等雜草防治效果顯著，且對水稻、小麥、玉米等作物安全，具有良好的應(yīng)用前景。
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一完成單位。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院青年教師何波、在讀博士生胡延浩與中科院上海有機(jī)所畢業(yè)研究生劉東山為共同第一作者，葉永浩教授和周佳海教授為共同通訊作者。此外，中科院上海有機(jī)所臧鑫博士（現(xiàn)在UCLA從事博士后研究）、中國農(nóng)科院植保所楊景芳副研究員、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)馮致科教授、嚴(yán)威副教授、李俊副教授、馮明峰博士等為本研究提供了幫助。相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金以及江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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