幾丁質俗稱甲殼素，廣泛存在于真菌、節肢動物、軟體動物、環節動物、腔腸動物和原生動物等不同種類的生物中，是地球上含量最豐富的氨基聚糖。幾丁質的生物合成也是最古老的生物合成途徑之一。

9月21日，中國農業科學院植物保護研究所/農業基因組研究所楊青教授團隊及其合作者在國際知名學術期刊《自然》(Nature)以研究長文的形式在線發表了歷時十五年完成的一項研究成果。該研究解析了大豆疫霉菌幾丁質合成酶的冷凍電鏡結構，首次揭示了幾丁質生物合成的完整過程，包括三個步驟：酶與底物結合、新生成的幾丁質鏈延伸、產物釋放，并闡明了活性小分子尼克霉素能夠抑制幾丁質生物合成的機制。

農藥研發亟需找尋新靶標

農藥使用每年為國家減少約1000億元直接經濟損失，但農藥毒性和病蟲害產生的抗藥性使農藥使用面臨嚴峻挑戰。加速研發安全、新作用機制的農藥是有效解決途徑，其科學問題的核心在于農藥分子靶標，即病蟲害體內與農藥分子結合從而使農藥分子發揮藥效的生物大分子。這些生物大分子可以是在病蟲害生長發育過程中不可或缺的蛋白質、酶、多肽和核酸等。

目前全球廣泛使用的殺蟲劑中70%的品種只針對5個分子靶標，廣泛使用的殺菌劑中60%的只針對3個靶標。長期使用針對單一靶標的農藥很容易使病蟲害產生高的抗藥性，最終導致農藥無法控制病蟲害種群而出現病蟲害暴發頻發的災害，這也是全球農業病蟲害防控所面臨的重大問題。

幾丁質是由N-乙酰氨基葡萄糖構成的天然生物高分子，其生物合成對大量生物的生存和繁殖至關重要，這些生物也包括許多嚴重危害農業生產的害蟲、病原真菌和卵菌等。幾丁質不存在于植物和哺乳動物中，因此幾丁質合成酶是高效、安全、生態友好的農藥創制的重要靶標之一。同時，幾丁質在昆蟲和真菌中均為不可或缺的結構成分，因此，幾丁質合成酶既是殺菌劑的靶標，又是殺蟲劑的靶標。

從上世紀七十年代起，人們就陸續開發了能抑制幾丁質合成的活性小分子化合物，這些化合物作為殺菌劑和殺蟲劑已經表現出極大的應用和市場前景。例如，1976年拜耳公司發現的尼克霉素對馬鈴薯疫霉、同絲水霉、煙曲霉等多種農業病原菌表現出良好的殺菌活性，并且作為人用的抗真菌藥物已經進入II 期臨床試驗。1978年人工合成的苯甲酰脲類化合物可以有效阻止昆蟲的幾丁質合成，目前該類化合物農藥占據殺蟲劑市場的3%，年銷售達到4.41億美元。

然而在過去的50年中，盡管全球各國投入了大量的人力、物力和熱情，試圖研發出更多種類和更加高效的靶向幾丁質合成酶的綠色農藥，但始終進展緩慢。其中一個重要原因是缺乏準確的幾丁質合成酶的三維結構信息，幾丁質合成酶的結構-功能關系不明確，嚴重阻礙了針對該酶設計新的農藥品種。

從原子水平認識幾丁質生物合成過程

楊青教授團隊長期致力于幾丁質生物學研究，在幾丁質合成、水解和修飾方面具有豐厚的積累。本項成果選取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的幾丁質合成酶PsChs1為研究對象。大豆疫霉是引起大豆根莖腐爛的主要病原體，每年造成超過10億美元的經濟損失。基因敲除PsChs1會損害菌絲體生長、孢子囊產生和游動孢子釋放，從而極大降低大豆疫霉的毒力。因此，PsChs1不僅可以作為良好的殺菌劑靶標，也可以作為幾丁質合成酶研究的一個模型。

楊青團隊通過前沿生物學技術包括冷凍電鏡、掃描電鏡、X射線衍射等，解析了4個不同催化反應狀態PsChs1的三維結構，揭示了幾丁質合成酶實現幾丁質生物合成的三個重要過程：首先，幾丁質合成酶將供體底物上的糖基轉移到受體幾丁質糖鏈上;接著，新生成的幾丁質糖鏈通過細胞膜上的“跨膜轉運”通道釋放到細胞外;最后，釋放的幾丁質鏈自發組裝成幾丁質納米纖維。這是第一次從原子水平上向人們展示了一個有方向性的、多步驟偶聯的幾丁質生物合成過程。

進一步，該團隊還探明了幾丁質合成酶與活性小分子尼克霉素結合的模式，解釋了尼克霉素抑制幾丁質生物合成的機制。

這一工作為人畜安全的綠色農藥創制提供了關鍵的分子靶標結構信息，為控制病蟲害對現有農藥的抗藥性提供了全新解決方案，為農藥產業的變革和綠色發展開辟了新方向。該論文是全球農藥領域近年來最重要的基礎研究進展之一。這一原創性工作為靶向幾丁質合成的綠色農藥開發提供了基礎性、關鍵性信息，使得以幾丁質合成酶為分子靶標精準開發新型綠色農藥成為科學可行的方案，具有重要的理論和應用價值。

為綠色農藥研發提供新依據

《Nature》期刊論文匿名評審專家認為“盡管幾丁質存在于各種不同的生命形式中，幾丁質生物合成機制在進化上是保守的。這個工作是創新的，無疑具有廣泛的影響力”。

中國科學院院士、美國科學院外籍院士、河北大學校長康樂指出，幾丁質的生物合成是一個極為古老且保守的途徑，卵菌可能是可以合成幾丁質的最低等生物。幾丁質的生物合成對昆蟲和節肢動物外胚層形成的外骨骼、氣管、消化道等的成形和發育至關重要，而且是許多微生物的碳氮來源。該研究利用冷凍電鏡，首次從原子尺度揭示了由幾丁質合成酶催化完成的一個多步驟的、定向的幾丁質生物合成過程，是生物學領域的一項重大進展。幾丁質合成酶及其與底物、產物以及抑制劑結合的結構信息，也為針對幾丁質合成酶理性設計小分子從而控制有害昆蟲的種群數量帶來了新曙光。

中國工程院院士、貴州大學校長宋寶安指出，對于綠色農藥分子靶標的開發和利用已經成為國家的重大需求，一個新的靶標不僅可以催生出幾十甚至上百種農藥品種，也能極大緩解已有農藥品種的抗藥性問題。該研究解析了一個公認綠色的農藥分子靶標——幾丁質合成酶的三維結構，闡明了幾丁質生物合成的機制和抑制劑的作用機制，是我國科學家在農藥分子靶標研究領域的一個里程碑，有助于創制出重量級的綠色農藥品種，提升我國農藥產業的核心競爭力和對農業有害生物的防控能力，保障我國糧食安全。

中國工程院院士、華東師范大學校長錢旭紅指出，該研究突破了幾丁質農藥領域一個近50年的發展瓶頸，通過在原子尺度上對幾丁質合成酶與底物、產物和抑制劑的結合模式的分析，為人類數十年以來未能實現的生態環境友好農藥的夢想提供了實現的舞臺：基于幾丁質合成酶的結構精準設計綠色農藥。幾丁質合成機制在病蟲害中的保守性使得幾丁質合成酶作為綠色農藥分子靶標具有重要意義。此研究成果具有里程碑的意義，標志著中國農藥研發水平提升到了基礎理論原始創新的高度。該工作也是全球農藥創新研究與開發近幾十年來最重要的基礎性進展之一。

中國農業科學院植物保護研究所為論文的第一完成單位，植保所陳威副研究員、北京工業大學曹鵬教授和大連理工大學劉元盛博士為本文共同第一作者，植保所楊青教授和中國科學院高能物理所龔勇研究員為共同通訊作者。中國農業科學院深圳基因組研究所于愛玲博士后、陳磊博士后，大連理工大學王棟博士，天津大學尉遲之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士后，以及德國錫根大學Hans Merzendorfer教授也參與了本文的研究。