15年磨一剑！中国农科院深圳农业基因组研究所首次破解几丁质合成的分子机制
记者从中国农科院深圳农业基因组研究所（以下简称“基因组所”）获悉，北京时间2022年9月21日晚23时，基因组所杨青教授团队联合中国农业科学院植物保护研究所、中国科学院等单位的科学家在《自然（Nature）》在线发表了历时十五年完成的一项研究成果。该项成果是全球绿色农药发展研究领域的重大突破，对全球食品和粮食安全有重大意义。
据悉，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，并阐明了尼克霉素抑制几丁质生物合成的机制。这是我国农药研究领域首篇发表在《自然》的论文。论文匿名评审专家指出：“尽管几丁质存在于各种不同的生命形式中，但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”。
绿色农药的新希望
论文作者之一杨青告诉记者，几丁质在昆虫和真菌中均为不可或缺的结构成分，但并不存在于植物和哺乳动物中，因此几丁质合成酶是创制高效、安全、生态友好农药的重要靶标之一。“几丁质合成酶既是杀菌剂的靶标，又是杀虫剂的靶标。”
当前，农药使用每年为我国减少约1000亿元直接经济损失，但农药毒性和病虫害产生的抗药性带来了严峻挑战。杨青说，加速研发安全、新作用机制的农药是有效解决途径，其科学问题的核心在于农药分子靶标，即病虫害体内可与农药分子结合从而使农药发挥药效的生物大分子，如蛋白质、酶、多肽和核酸等。
然而，目前全球70%广泛使用的杀虫剂品种只针对5个分子靶标，60%广泛使用的杀菌剂品种只针对3个靶标。“分子靶标非常少。”论文第一作者、中国农科院植物保护研究所陈威说，长期使用针对单一靶标的农药很容易使病虫害产生高抗药性，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。
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，这些化合物作为杀菌剂和杀虫剂已经表现出极大的应用和市场前景。
然而在过去的50年中，尽管全球各国投入了大量的人力、物力和热情，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。
首次揭示几丁质合成的分子机制
“我们对几丁质合成酶没有解决的科学问题一直很清楚，所以能在技术成熟的时候，直奔这个问题去找答案。”杨青说，成功解析几丁质合成酶的奥秘，既得益于科学技术的进步，也得益于她的团队长期致力于几丁质生物学研究，在几丁质合成、水解和修饰方面具有丰厚的积累。
他们选取了大豆疫霉菌(Phytophthorasojae)的几丁质合成酶PsChs1为研究对象。陈威介绍，大豆疫霉菌属于卵菌，是引起大豆根茎腐烂的主要病原体，每年在全球造成超过10亿美元的经济损失。通过冷冻电镜、扫描电镜、X射线衍射等技术，杨青团队解析了5个不同状态下几丁质合成酶的三维结构。
绿色农药精准设计的里程碑
杨青强调，由于大豆疫霉菌几丁质合成酶与全球十大最严重的农业疫霉菌，如马铃薯疫霉菌、橡树疫霉菌和辣椒疫霉菌等的基因序列相似性超过95%，大豆疫霉菌几丁质合成酶的三维结构为分子设计杀菌剂防控大豆疫霉病和马铃薯晚疫病等提供了模板。这为创制农业害虫的全新防控药物、解决抗药性问题提供了可能。
中国工程院院士、贵州大学校长宋宝安指出，这是我国科学家在农药分子靶标研究领域的一个里程碑，使得以几丁质合成酶为靶标的绿色农药精准设计成为了可能。有助于创制出重量级的绿色农药品种，提升我国农药产业的核心竞争力和对农业有害生物的防控能力。
中国工程院院士、华东师范大学校长钱旭红指出，该研究突破了几丁质农药领域一个近50年的发展瓶颈，为人类数十年以来未能实现的生态环境友好农药的梦想提供了实现的舞台：基于几丁质合成酶的结构精准设计绿色农药。此研究成果标志着中国农药研发水平提升到了基础理论原始创新的高度。该工作也是全球农药创新研究与开发近几十年来最重要的基础性进展之一。
（原标题《中国农科院深圳农业基因组研究所所科学家研究成果上《自然》首次破解几丁质合成的分子机制为绿色农药发展带来新希望》）
见习编辑韩湘审读韩绍俊审核桂桐
（作者：深圳特区报记者易东通讯员马昕怡)