2021年12月14日，在国际权威期刊 Journal of Advanced Research（最新影响因子10.479）上发表了题为 "Structure-based ligand design and discovery of novel tenuazonic acid derivatives with high herbicidal activity"的研究论文。
图1 基于配体设计来发现具有高除草活性的新型TeA衍生物流程图
当前，化学除草剂的研发已由传统的非定向研发发展到现在的通过解析化学分子与作用靶点互作机制来实现高效定向分子设计的新阶段。利用自然界中化学结构多样、生物活性丰富、作用靶点独特的天然产物，借助计算生物学模拟合成研发新型生物源除草剂已成为除草剂开发的一个重要途径。该课题组于上世纪90年代在生物防治紫茎泽兰致病菌中发现TeA毒素，并利用其研发生物源除草剂，发现其具有广谱杀灭大多数单双子叶杂草、活性高（20-80ppm可以杀死杂草）、作用速度快（2-3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它杂草的生物除草剂。进一步系统开展了产毒条件、作用靶点和杀草机制、毒素生物合成工艺和化学合成工艺的研究。首次明确了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，导致叶绿体活性氧迅速爆发，引起细胞死亡和组织坏死，最终迅速杀死杂草。相关研究成果已在Plant Cell Environ、BBA-Bioenergetics等国际著名期刊上发表论文30余篇，获得中国国家发明专利5项（ZL00112560.5，ZL03132322.7，ZL200510038263.2，ZL200610038765.X和ZL201410175454.2），日本发明专利1项（专利号4982384），美国专利2项（US8921274和US9926573）和欧洲发明专利1项（EP1997803）。目前，已经成功研发出25%TeA 水剂（商品名丁羟咯酮），并获得了农业部田间药效批准证书，并推动商业化。
图2 TeA及其3种具有高结合能衍生物的化学合成路线
该论文基于TeA与拟南芥作用靶点D1蛋白的分子互作模型，以TeA为先导物对其 5位的烷基侧链进行分子修饰，设计了一系列衍生物，通过分子对接和参数分析了数十个结构修饰化合物分子，从中筛选出3个高结合能的候选化合物（图1）。进一步基于实验室建立的合成方法（专利ZL200610038765.X和ZL201810359759.7）化学合成了3个化合物（图2），并对其进行了构效关系的研究和除草活性的验证，最终获得了2个高除草活性的化合物仲戊基TeA和仲己基TeA，其除草活性是TeA的2倍以上，显示出非常好的商业化前景（图3）。
图3 以紫茎泽兰（A.adenophora）为例对3个候选化合物进行除草活性和构效关系验证
该论文的署名单位为南京农业大学，在读博士生王赫和已毕业硕士生姚沁为共同第一作者，强胜教授和陈世国教授为共同通讯作者，研究生郭妍婧和张倩、南京大学王忠长研究员、研究室外籍客座教授Reto Strassor和Bernal Valverde、以及波兰华沙大学的Hazem M. Kalaji教授为共同作者。
该研究得到了国家重点研发计划（2017YFD0201300）、江苏省农业自主创新项目（CX(21)3093）、江苏省研究生科研创新计划（KYCX19_0617）的资助。
论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jare.2021.12.001