以八氢番茄红素脱氢酶为靶标的新型广谱性除草剂的研究

The market of non-selective herbicides increased year by year with the planting of transgenic crops. New highly efficient and environment-friendly non-selective herbicides are urgently needed to create because of the shortage of single variety and large amount of use. It is an urgent scientific problem to choose the right target,and design the highly efficient, broad-spectrum herbicides..In this project, we choose phytoene desaturase(PDS) as target which showed highly sequence similarity between diffent plant species, construct of the crystal structure of PDS enzyme in different species, analysize of the properties of the active cavity and the characteristics of the main amino acids in the pocket, and eventually design broad-spectrum inhibitors. At the same time, use of molecular biology and biochemistry technology, the screening system of different species of PDS will be established. New effective and environmentally friendly non-selective herbicide candidates are expected to be found which will made beneficial contributions to the new green pesticide target and new leading compound in China.

随着转基因作物的推广种植，灭生性除草剂的市场逐年增长，现有灭生性除草剂品种单一、使用量大，急需创制新型高效、环境友好的灭生性除草剂。选择合适的靶标，围绕农药分子的高效性、广谱性来设计新型灭生性除草剂是目前急需解决的科学问题。本项目选择植物不同种属间保守度较高的八氢番茄红素脱氢酶（PDS）为作用靶标，在前期筛选得到的具有较好白化广谱除草活性的化合物基础上，构建不同种属的PDS酶的晶体结构，深入分析活性空腔的性质和结合口袋内主要氨基酸的特点，开展广谱性抑制剂的设计合成工作，建立PDS酶的活性筛选体系，从而发现新型高效、环境友好的灭生性除草剂的先导，为我国具有自主知识产权的绿色农药新靶标、新先导研究做出有益的贡献。

八氢番茄红素脱氢酶（phytoene desaturase, PDS）是类胡萝卜素生物合成途径中的一个重要的分支点，是催化无色的八氢番茄红素到有色的类胡萝卜素的质体局域的膜相关酶。PDS存在于藻类、植物和某些细菌、真菌中，在动物体内没有PDS，是除草剂领域优秀的靶标酶。为了研究PDS是否为灭生性除草剂的靶标酶，我们通过对现有六种重要除草剂靶标的序列分析发现，GS，PDS，EPSPS，ALS这四个靶标在不同种属植物间完整基因序列保守度高；不同种属靶标活性空腔（抑制剂周围12Å）氨基酸残基相似度高；不同种属靶标活性位点（抑制剂周围4Å）的氨基酸残基相似度高。靶标酶氨基酸序列相似性有可能作为灭生性除草剂靶标选择的重要因素之一。近年来，具有新型骨架结构PDS抑制剂几乎未见报道，基于PDS蛋白结构寻找具有新骨架结构的新化合物可能作为开发PDS抑制剂的方法之一。我们整合了基于结构的虚拟筛选、结构优化和生物活性评价，发现了一系列新型骨架结构的PDS抑制剂。XH006的田间药效试验发现，XH006药后33天，在有效成分用量225克/公顷剂量下，对阔叶杂草防效达到98.1%，稍优于对照药剂吡氟草胺同剂量的防效。在前期发现XH006具有较高的除草活性的基础上，扩展了哒嗪环上取代基的种类，得到新化合物，部分化合物具有较好的除草效果，正在进一步评价中。通过以上工作，评价了PDS酶作为潜在的灭生性除草剂的靶标的可能性，同时设计得到了一类具有新骨架结构的PDS抑制剂，同时进一步评价了高活性化合物的田间活性，为发现新型高效、环境友好的灭生性除草剂的先导，为我国具有自主知识产权的绿色农药新靶标、新先导研究提供了研究基础。