中國青年報客戶端北京9月22日電（中青報·中青網記者 邱晨輝）記者今天從中國農業科學院獲悉，中國農業科學院植物保護研究所/農業基因組研究所楊青教授團隊及其合作者，前不久解析了大豆疫黴菌幾丁質合成酶的冷凍電鏡結構，首次揭示了幾丁質生物合成的完整過程，并闡明了活性小分子尼克黴素能夠抑制幾丁質生物合成的機制。

這一曆時15年完成的研究成果，北京時間9月21日深夜在國際學術期刊《自然》（Nature）以研究長文的形式發表。

中國科學院院士、美國科學院外籍院士、河北大學校長康樂稱，該研究利用冷凍電鏡，首次從原子尺度揭示了由幾丁質合成酶催化完成的一個多步驟的、定向的幾丁質生物合成過程，是生物學領域的一項重大進展。幾丁質合成酶及其與底物、産物以及抑制劑結合的結構信息，也為針對幾丁質合成酶理性設計小分子從而控制有害昆蟲的種群數量帶來了新曙光。

幾丁質生物合成的機制示意圖。中國農科院植保所供圖

農藥使用每年為國家減少約1000億元直接經濟損失，但農藥毒性和病蟲害産生的抗藥性使農藥使用面臨嚴峻挑戰。加速研發安全、新作用機制的農藥是有效解決途徑，其科學問題的核心在于農藥分子靶标，即病蟲害體内與農藥分子結合從而使農藥分子發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育過程中不可或缺的蛋白質、酶、多肽和核酸等。

楊青介紹，目前全球廣泛使用的殺蟲劑中70%的品種隻針對5個分子靶标，廣泛使用的殺菌劑中60%的隻針對3個靶标。長期使用針對單一靶标的農藥很容易使病蟲害産生高的抗藥性，最終導緻農藥無法控制病蟲害種群而出現病蟲害爆發頻發的災害，這也是全球農業病蟲害防控所面臨的重大問題。

幾丁質俗稱甲殼素，是由N-乙酰氨基葡萄糖構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重要，這些生物也包括許多嚴重危害農業生産的害蟲、病原真菌和卵菌等。幾丁質不存在于植物和哺乳動物中，因此幾丁質合成酶是高效、安全、生态友好的農藥創制的重要靶标之一。

從20世紀70年代起，人們就陸續開發了能抑制幾丁質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表現出極大的應用和市場前景。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，試圖研發出更多種類和更加高效的靶向幾丁質合成酶的綠色農藥，但始終進展緩慢。其中一個重要原因是缺乏準确的幾丁質合成酶的三維結構信息，幾丁質合成酶的結構-功能關系不明确，嚴重阻礙了針對該酶設計新的農藥品種。

楊青教授團隊長期緻力于幾丁質生物學研究，在幾丁質合成、水解和修飾方面具有豐厚的積累。本項成果選取了大豆疫黴菌(Phytophthora sojae)的幾丁質合成酶PsChs1為研究對象。大豆疫黴是引起大豆根莖腐爛的主要病原體，每年造成超過10億美元的經濟損失。基因敲除PsChs1會損害菌絲體生長、孢子囊産生和遊動孢子釋放，從而極大降低大豆疫黴的毒力。因此，PsChs1不僅可以作為良好的殺菌劑靶标，也可以作為幾丁質合成酶研究的一個模型。

楊青團隊通過前沿生物學技術包括冷凍電鏡、掃描電鏡、X射線衍射等，解析了4個不同催化反應狀态PsChs1的三維結構，揭示了幾丁質合成酶實現幾丁質生物合成的三個重要過程：首先，幾丁質合成酶将供體底物上的糖基轉移到受體幾丁質糖鍊上；接着，新生成的幾丁質糖鍊通過細胞膜上的“跨膜轉運”通道釋放到細胞外；最後，釋放的幾丁質鍊自發組裝成幾丁質納米纖維。這是第一次從原子水平上向人們展示了一個有方向性的、多步驟偶聯的幾丁質生物合成過程。

進一步，該團隊還探明了幾丁質合成酶與活性小分子尼克黴素結合的模式，解釋了尼克黴素抑制幾丁質生物合成的機制。

這一工作為人畜安全的綠色農藥創制提供了關鍵的分子靶标結構信息，為控制病蟲害對現有農藥的抗藥性提供了全新解決方案，為農藥産業的變革和綠色發展開辟了新方向。該論文是全球農藥領域近年來最重要的基礎研究進展之一。這一原創性工作為靶向幾丁質合成的綠色農藥開發提供了基礎性、關鍵性信息，使得以幾丁質合成酶為分子靶标精準開發新型綠色農藥成為科學可行的方案，具有重要的理論和應用價值。

據介紹，中國農業科學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、北京工業大學曹鵬教授和大連理工大學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院高能物理所龔勇研究員為共同通訊作者。中國農業科學院深圳基因組研究所于愛玲博士後、陳磊博士後，大連理工大學王棟博士，天津大學尉遲之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士後，以及德國錫根大學Hans Merzendorfer教授也參與了本文的研究。該研究得到國家自然科學基金重點項目、國際(地區)合作與交流項目、中國農業科學院農業科技創新工程、深圳市科技計劃項目及深圳市大鵬新區科技創新與産業發展專項資金等項目的資助。

來源：中國青年報客戶端

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