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南农杂草研究室生物除草剂技术发明获美国专利授权

2014年12月30日,美国国家专利局正式授权了我校强胜教授课题组申请的生物除草剂技术发明专利“一种生物源化合物细交链格孢菌酮酸的结构修饰产品及其用于除草”,专利号8921274。这是我校获得的首个独立知识产权的美国专利。
    细交链格孢菌酮酸(化学名乙酰基-5-仲丁基-4羟基-2-羰基-吡咯啉,简称TeA)是由我校杂草研究室强胜教授在20世纪90年代从外来入侵恶性杂草紫茎泽兰致病型链格孢菌中分离得到的一种致病毒素。该毒素对单双子叶杂草具有广谱杀灭作用、活性高(0.5-1ppm就可致毒,20-80ppm可以杀死杂草)、作用速度快(3-4天)、降解迅速低残留、结构简单等特点,有潜力开发为防除紫茎泽兰及其他杂草的生物除草剂。前期课题组对TeA的产毒条件、作用靶点和杀草机制、毒素生物合成工艺和化学合成工艺进行了深入研究。首次发现了TeA是一种全新的来源于真菌的光系统II抑制剂,其作用靶点是光系统II的D1蛋白。分子互作模型显示,在TeA和D1相互作用过程中D1蛋白上的256位氨基酸起着关键的作用,但其绑定行为不同于其他经典的光系统II抑制剂(如敌草隆和阿特拉津)。TeA与靶标杂草的D1蛋白结合后,会阻断光合电子传递链活性,引起过能量化,并导致叶绿体活性氧迅速爆发,引起叶绿素降解、叶绿体结构破坏,大量活性氧扩散到整个细胞中,进一步引起膜脂过氧化、细胞膜破裂、细胞器解体、细胞核浓缩和DNA断裂,导致细胞死亡和组织坏死,最终杀死杂草。相关研究成果已在Plant Cell Environ和BBA-Bioenergetics等国际著名期刊上发表论文20余篇,获得中国国家发明专利4件(ZL00112560.5;ZL03132322.7;ZL200510038263.2;ZL200610038765.X),日本发明专利1件(专利号4982384)。目前,已经成功研发出25%TeA水剂(商品名丁羟咯酮),完成了所有毒理学研究报告,并获得了农业部田间药效批准证书,正在进行农药正式登记相关工作。
    该项专利是在前期研究的基础上,根据绑定生物学原理,针对TeA结构上的羰基氧、羟基氧和5位的疏水性仲丁基碳链以及3-乙酰基等基团或结构进行分子修饰和设计。以氨基酸为起始原料,经过酯化、中和、酰化、环化和酸化5步化学反应工艺合成了一系列具有优秀生物活性的TeA类似物。本发明专利最重要的贡献是明确了3-酰基-5-烷基吡咯烷酮甚至四氨酸类物质是一种新型的光合抑制剂的结构骨架。其活性中心是吡咯烷酮,活性大小与5位侧链的长短相关,因为它决定着与D1蛋白疏水囊的结合紧密程度,在一定范围内侧链越长,深入囊中越深结合越紧密,活性就越高。该类化合物是未来开发新型模拟仿生化学除草剂的重要库源。
    据悉,该专利的获批,对于保护我国生物除草剂研发的原创性技术发明具有重要的意义,标志着我国生物除草剂研发技术的知识产权得到了国际认可。
(南京农业大学杂草研究室)