天然源稠三环螺內酯的抗植物病毒作用机制及其先导优化

Plant virus disease is an important global puzzle of plant protection and causes tremendous crop losses in China. Our recent studies constructed the novel fused tricyclic spiranoid lactone skeleton as an antivirus lead compound; we confirmed its novel anti-TMV mode of action as inactivation TMV by crosslinking TMV-CP through dimerization. Aimed at the key virus disease in China, this proposal will conduct the mode of action studies at the levels of effects on TMV virus replication, assembly, movement and the induction of the systemic acquired resistance of the host plant by the novel fused tricyclic spiranoid lactones synthesized according to the combination of frontier theories and technologies of life science and plant protection. This proposal will also establish the in vitro TMV-CP based anti-TMV screening system and improve the in vivo EGFP-TMV screening method. Based on the information of TMV-CP crystal structure, the quantity and position of double bonds and OH groups in the fused tricyclic spiranoid lactone skeleton will be adjusted by the theory and principle of the computer aided rational molecular designation, organic chemistry and pesticide science, and introducing heteroatoms or systemic acquired resistance or antivirus pesticidability substructures into the target molecules for lead optimization, molecular designation, biological activity and quantitative structure activity relationship (QSRA) studies. For the highly active compounds, the detailed mode of action will be preliminary elucidated and validated by proteomics or transcriptomics or the compounded crystal between active compounds and TMV-CP or studies on its systemic acquired resistance. This proposal plays more attention to disciplinary crosslink of computer, biology, chemistry, plant protection and pesticide sciences. These results will provide new measure for integrated virus control and make great contribution to the integrated virus disease control, novel pesticide development and plant protection in theory and practice in our country.

植物病毒病害的防治是植物保护领域的世界性难题，给我国农业生产带来的损失巨大。申请人构建了新型稠三环螺內酯骨架，明确其通过交联二聚TMV-CP并钝化TMV，基于此原创性新先导和新作用机制，针对我国重大病毒病害，利用植物保护的原理和生命科学的前沿技术，从TMV复制、组装及其侵染循环、移动的各阶段及诱导寄主抗性开展新化合物作用机制的研究，构建TMV-CP并完善EGFP-TMV抗TMV筛选平台。基于TMV-CP蛋白晶体结构信息，利用有机化学和农药学原理及计算机辅助分子设计手段，优化稠三环螺內酯骨架中双键和OH的数量与位置，引进杂原子或诱导抗病活性亚结构或成药性调节单元，设计、合成新型稠三环螺內酯衍生物并进行构效关系的研究。开展高活性化合物蛋白质组学或转录组学或复合物单晶结构或诱导抗病作用机制的研究和验证。本项目注重学了学科交叉和国际合作，对我国植物病毒病害综合防控和新农药创制及植物保护学科建设和生产实践具有重要意义。

天然产物是农药先导的重要来源，本项目成功构筑了天然源稠三环螺内酯先导骨架，在此基础上，利用农药分子设计的原理设计合成了其双键和OH衍生的新化合物共计60多个，生物活性测试发现，在100μg/mL浓度下的抗TMV钝化活性测试结果表明，该类化合物具有很好的抗病毒钝化活性，大部分化合物的抗病毒钝化活性在60%以上，远高于对照药剂病毒唑、宁南霉素、TDL、BTH，且化合物6-28的活性达98%。抗病毒钝化活性的初步作用机制研究表明，稠三环螺内酯化合物很可能是通过诱导TMV外壳蛋白交联二聚甚至三聚导致TMV无法脱去衣壳，从而钝化TMV。基于超算构建的3D-QSAR模型有效阐释了该类化合物的结构和抗病毒活性之间的关系，同时发现，C3-羟基大体积取代基团的引入会使抗病毒活性降低，C6-和C7-位正电荷基团的引入会使病毒活性的增强。.本项目还设计合成了噻唑和异噻唑以及哌啶等杂环化合物90多个，发现了3个兼具诱导抗病和杀菌活性的目标分子。由于作用机制和靶标的研究是新农药创制的瓶颈，本项目还构建了多组学交叉的农药作用机制和靶标研究平台，并以此研究阐释了项目组发现的高活性潜在植物激活剂的作用机制和杀菌剂潜在作用靶标丙酮酸激酶。上述植物免疫调控的研究可以拓展用于诱导寄主植物自身的抗病毒活性。.本项目资助的研究发表SCI论文10篇，出版专著2个章节，申请国家发明专利12件，申请美国发明专利1件，获得美国发明专利授权1件；获得省部级奖励2项；培养了硕士生3名，博士生3名，获得南开大学优秀博士论文1篇，培养博士后2名。项目主持人在项目执行期间还获得第三批天津市人才发展特殊支持计划-“作物免疫调控创新团队”(2019年7月-2022年6月)和国家重点研发计划“基于天然源的多效植物免疫激活先导发现及候选药创制开发”课题(批准号：2022YFD1700402)(2022年11月-2026年12月)的支持。在2019年于比利时根特举办的14th IUPAC 国际农药大会上做2个邀请报告，另有2人展示Poster。项目组曾获国家自然科学基金资助的前期研究成果96%甲噻诱胺原药和25%甲噻诱胺悬浮剂取得我国农药续展登记证。