天然產物來源的新型除草劑研究取得進展

活性天然產物能夠抑制細胞活動中的特定靶點，在過去一個世紀中常常被作為醫藥健康和農藥研發（如殺蟲劑、抗菌劑、除草劑及植物生長調節劑）的先導分子。雜草抗性問題是威脅糧食作物生產的重要問題之一，基於環境保護和農業可持續發展的要求，大力研究和發展天然產物來源的除草劑是必要的。除草劑不僅要考慮如何更有效地殺滅雜草，更要以適應環境、安全無公害為出發點，做到作用機理獨特，選擇性強，對環境和人類安全。

中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室周佳海課題組近年來一直致力於天然產物生物合成的結構酶學研究，其在前期工作中揭示了真核非核糖體肽大環環化的結構機制（Nat Chem Biol, 2016, 12:1001-1003），闡明了聚酮合酶負責延伸單元識別的醯基轉移酶底物識別機制（Angew Chem Int Ed, 2018，57:5823-5827）。近期，周佳海課題組與美國加州大學洛杉磯分校的Yi Tang以及Steven Jacobsen課題組合作，以抗性基因為導向的基因組挖掘技術成功發現了一種新型天然產物除草劑aspterric acid (AA)，AA通過靶向植物支鏈氨基酸合成途徑(BCAA)中的二羥酸脫水酶（DHAD)而抑制植物的生長。該研究首次解析了DHAD全酶的結構，並利用計算化學闡明了AA與酶活性中心的結合機制，揭示了新型除草劑產生效能的分子機制。同時，利用產生菌自身的鄰近AA生物合成基因簇的抗性基因astD（其編碼蛋白與DHAD具有60%的同源性），成功構建了具有AA耐受性的astD轉基因作物。AA抗性基因astD轉基因植株的成功構建，預示了AA作為新型除草劑的廣闊應用前景。該工作為探索農業生產中開發新型除草劑提供了範例。相關工作於7月11日在線發表在《自然》上。

該工作中的DHAD蛋白是一個含有二鐵二硫簇的金屬蛋白酶，在普通條件下純化很容易發生氧化導致二鐵二硫的丟失，周佳海課題組利用手套箱環境下的定製蛋白質純化與結晶系統克服了這一困難，最終得到了高解析度的含二鐵二硫簇的擬南芥DHAD晶體結構。

Yi Tang課題組的博士生Yan Yan、Steven Jacobsen課題組的博士後Qikun Liu和周佳海課題組的碩士生臧鑫（上海有機所與上海師範大學聯合招收的研究生）並列為論文第一作者。這一工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）的資助，晶體衍射數據是在上海光源BL19U光束線站上收集。

植物支鏈氨基酸合成途徑中三種廣譜除草劑靶點以及其中的二羥酸脫水酶（DHAD)的晶體和晶體結構圖片

來源：中國科學院上海有機化學研究所

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