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绿色农药原始创新提速:中国农药领域首篇《自然》论文发表 破译几丁质生物合成机制
2022.09.23 17:10 科创板日报记者 朱洁琰

《科创板日报》9月23日讯(记者 朱洁琰)本周,国际知名学术期刊《自然》(Nature)在线发表了中国团队的一项重要成果。

中国农业科学院植物保护研究所/农业基因组研究所杨青教授团队和中国科学院高能物理研究所龚勇研究员合作,阐明了几丁质生物合成的机制,从而为针对几丁质合成酶的新型绿色农药精准设计奠定了基础。

据介绍,这也是中国农药领域在《自然》发表的首篇论文。

何为几丁质?

资料显示,几丁质是由N-乙酰氨基葡萄糖构成的天然生物高分子,其生物合成对大量生物的生存和繁殖至关重要,这些生物也包括许多严重危害农业生产的害虫、病原真菌和卵菌等。

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。

一位农业技术系统专家向《科创板日报》记者解释称,靶标即是指对害虫起作用的地方。抗几丁质形成药剂,可以控制害虫几丁质的合成,不能正常蜕皮、化蛹而死。

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。例如,1976年拜耳公司发现的尼克霉素对马铃薯疫霉、同丝水霉、烟曲霉等多种农业病原菌表现出良好的杀菌活性,并且作为人用的抗真菌药物已经进入II期临床试验。1978年人工合成的苯甲酰脲类化合物可以有效阻止昆虫的几丁质合成,目前该类化合物农药占据杀虫剂市场的3%,年销售达到4.41亿美元。

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,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。其中一个重要原因是缺乏准确的几丁质合成酶的三维结构信息,几丁质合成酶的结构-功能关系不明确,严重阻碍了针对该酶设计新的农药品种。

此次研究发现是科学家首次从原子水平上展示有方向性的、多步骤偶联的几丁质生物合成过程,并且为抑制这一过程提供了结构基础。这项工作为靶向几丁质合成的绿色农药开发提供了基础性、关键性信息。

对于这项突破的意义,中国工程院院士、华东师范大学校长钱旭红评述称,该研究突破了几丁质农药领域近50年的发展瓶颈,通过在原子尺度上对几丁质合成酶与底物、产物和抑制剂的结合模式的分析,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。

全国正大力推进绿色防控

据了解,国家正在大力推进农作物病虫害绿色防控。全国农技中心发布的信息显示,目前全国已经创建农作物病虫害“绿色防控示范县”203个。

上述农业技术系统专家对《科创板日报》记者表示,现在主要使用低毒的化学农药、生物农药,严控高毒农药的使用,提倡绿色防控技术。该位专家身处江苏徐州地区,其向记者举例,比如当地大豆-玉米带状复合种植病虫绿色防控示范区推广使用的技术就包括:选择抗性品种、土壤深耕、药剂拌种、封闭除草,应用杀虫灯、色板、螟蛾性诱捕杀,使用阿维菌素、甲维盐、苏云金杆菌、丙环•嘧菌酯、吡唑醚菌酯、枯草芽孢杆菌等应急防治病虫。

在推进绿色防控的大背景下,绿色农药分子靶标的开发和利用已成为国家重大需求。

《科创板日报》了解到,上述关于几丁质生物合成机制的研究得到国家自然科学基金重点项目、国际(地区)合作与交流项目、中国农业科学院农业科技创新工程、深圳市科技计划项目及深圳市大鹏新区科技创新与产业发展专项资金等项目的资助。

据中国农业科学院介绍,接下来,将强化对该研究成果的应用研究,加快针对该酶的绿色农药创制。

不过,杨青教授也表示,从研究到生产应用可能需要10年甚至更长的时间,其中涉及各个国家对药物的审批制度,尤其是农药,需要确保对人、畜及水生生物、环境都是安全的。

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