综合高效性、选择性和反抗性的生态农药分子设计与合成

High potency, selectivity and anti-resistance are three key scientific problems that molecular design of ecological pesticide is facing. Traditional molecular design always focused on the high potency and selectivity of pesticide molecules, while ignoring the anti-resistance. Therefore, it is a big challenge how to solve the high potency, selectivity and anti-resistance at the same time. Keep in mind that pest diversity, pesticide control object diversity and protection of diversity of characteristics, the method of comparative chemical biology will be applied to understand the molecular mechanism of resistance associated with different action targets from different species at the levels of gene and species. At the same time, this project is aimed to develop new methods for target resistance prediction, to mine target site with low risk of resistance, and to look for new action mechanism. Finally, this project is also aimed to develop a new molecular design method, called targetome structure-based design (TSBD), to guide the molecular design of new pesticide with high potency, selectivity and low risk of resistance. We believe that this project will contribute significantly to the basic research of pesticide in China, and further enhance the international influence of pesticide research and development in China.

高效性、选择性以及规避抗药性（或反抗性）是生态农药分子设计所面临的关键科学问题。以往的农药分子设计往往只偏重于解决农药分子的高效性和选择性，而忽略了规避抗药性（或反抗性）。如何在解决高效性和选择性的同时，使农药分子能有效规避抗药性（或反抗性）是农药分子设计所面临的一个重大挑战。本项目针对有害生物多样性、农药防治对象多样性和保护对象多样性的特点，拟采用比较化学生物学方法，从基因和种属两个层面上深入开展不同种属农药靶标产生抗药性的分子机制，进一步发展和完善靶标分子抗性及选择性的预测方法学，挖掘低抗性风险的作用靶位，寻找全新农药作用机制，建立和发展基于靶标组结构的分子设计方法，指导设计合成综合高效性、选择性和规避抗药性（或反抗性）的新型生态农药分子，力争创制出1~2个具有开发前景的候选生态农药。本项目的实施将进一步丰富和完善我国农药创新研究体系，提升我国农药创制的国际影响力。

本项目围绕农药分子设计的高效性、选择性及反抗性这三个关键科学问题，通过多学科前沿技术的交叉集成，开展了面向农药分子设计的计算化学生物学技术平台的构建、农药靶标抗性与农药选择性的比较化学生物学研究平台的构建、若干重要农药靶标的化学生物学基础、基于靶标组结构的农药分子设计与合成、基因农药技术探索研究五个方面的研究，取得了重要进展：（1）构建了面向农药分子设计的计算化学生物学技术平台，该平台以农药分子与蛋白质靶标之间的相互作用机制研究为核心，由多种农药分子设计新方法及其在线服务器及相关数据库组成，涵盖了靶标发现、苗头产生、先导优化、候选化合物等农药创制关键环节，可显著提高农药创制效率；（2）建立了AHAS、PPO、HPPD等重要靶标组的重组表达体系，首次成功解析了大肠杆菌AHASⅠ全酶晶体及大肠杆菌 AHAS II全酶与氯磺隆复合物的晶体结构、拟南芥HPPD与底物HPPA复合物，发现ACT 结构域是AHAS调控亚基的最小调控单元，且具备跨种属异源激活AHAS 催化亚基的能力，发现Arg233是影响PPO与底物结合及酶催化活性的关键位点，揭示了HPPD抑制剂慢结合的分子机制，发现Gln293是影响HPPD底物结合及酶催化活性的关键位点；（3）设计合成了近3000多个农药活性分子，发现了Y11049等7个高活性候选化合物以及针对野生型及P197L突变型AHAS均表现出高抑制活性的反抗性除草先导、迄今为止在人源和烟草PPO之间选择性最高（2749倍）的小分子抑制剂；（4）利用病毒RNA起始组装位点与壳蛋白间的可组装性，构建出不同类型人工病毒组装体，并对AHAS和PPO等除草剂重要靶标表现较好的基因沉默活性；（5）成功创制出了喹草酮、氯苯醚酰胺、氟苯醚酰胺和醚唑磺胺酯4个绿色农药候选新品种，均完成了专利技术转让，并进入登记程序。其中，喹草酮是国际上第一个可用于高粱地的选择性超高效除草剂，2020年取得登记后将突破杂草防控这一长期制约高粱产业发展的关键技术瓶颈，为高粱产业发展提供了关键技术支撑。