Nature：中美合作开发出天然产物来源的新型除草剂
世界农化网中文网报道： 杂草会严重威胁作物产量，给农业生产造成巨大经济损失。与人工除草相比，除草剂具有经济、快速、高效等优点，为农业的高产和稳产提供了重要保障。然而，近年来，长期、单一、广泛使用除草剂，导致了抗性杂草个体和种群逐年增加，降低了除草剂的防治效果，增加了杂草防治成本；同时，除草剂使用剂量增加也易造成农作物药害风险和环境污染。目前，杂草抗性问题已经是威胁粮食作物生产的重要问题之一。因此，开发安全性高、效率高的新型除草剂具有重要意义。
天然产物小分子与生物在自然界中共同进化，其生物学活性能够干预特定细胞的代谢途径，因而在医药健康及农业生产中起着非常重要的作用，如抗菌药物青霉素、抗疟疾药物青蒿素以及降脂药物洛伐他汀等。因此，开发和应用具有新型生物学活性的天然产物对生命科学、医学及农业科学等广大领域具有重要意义。到目前为止，要发掘具有优异活性的天然产物，靠的主要是以生物学活性为导向的高通量筛选。然而，随着后基因组时代的到来，如何综合利用生物信息学以及合成生物学等方法，从大量的基因组序列信息来发现具有新型生物学活性的天然产物成为亟待解决的难题。
2018年7月11日，美国加州大学洛杉矶分校唐奕教授课题组、Steven Jacobsen教授课题组和上海有机化学研究所周佳海研究员课题组联合瑞士的袁曙光博士在Nature杂志在线发表了题为Resistance gene-directed discovery of a natural-product herbicide with a new mode of action的研究论文。该研究运用以抗性基因为导向的基因组挖掘技术成功发现了一种新型天然产物除草剂aspterric acid (AA)，通过靶向植物支链氨基酸合成途径(BCAA)中的二羟酸脱水酶（DHAD)而抑制植物的生长。该研究首次解析了DHAD全酶的结构，并利用计算化学阐明了AA与酶活性中心的结合机制，揭示了新型除草剂产生效能的分子机制。同时，利用产生菌自身的抗性基因，成功构建了具有AA耐受性的转基因作物。该工作不仅为挖掘基因组寻找天然产物提供了新的方法和启示，同时也为探索农业生产中开发新型除草剂提供了范例。
支链氨基酸（ branched chain amino acid,（BCAA），包括亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）是植物生长必需的营养成分，其生物合成途径由三个酶组成：乙酰乳酸合酶（ALS）、乙酰羟酸异构还原酶（KARI）和二羟酸脱水酶 (DHAD)。DHAD在BCAA途径中催化α,β-二羟酸脱水反应生成亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸的前体α-酮酸。这个参与植物必须氨基酸合成的酶DHAD在不同的植物物种中高度保守，即使在进化远端的植物中依然有80%的同源性。哺乳动物体内不存在BCAA生物合成途径，它们依靠食物摄取这些三种必须氨基酸，因此DHAD被认为是理想广谱除草剂的靶点。早在20年前，杜邦公司的科学家们就曾成功地设计出了针对DHAD的小分子抑制剂，然而当将其施用在植物体时，这些化合物分子却无法抑制植物的生长。
天然产物与生物体在自然界中共同进化，产生具有能够干预特定细胞代谢途径的生物学活性，因此，在自然界中可能存在抑制必需氨基酸合成途径上DHAD的天然抑制剂。基于这一假设，唐奕课题组推测这样的天然抑制剂生物合成基因簇必然包含一个编码DHAD同源蛋白的基因。这个DHAD同源蛋白对于抑制剂不敏感，可以提供给生产者耐受这种抑制剂的能力，使生产者在合成这种抑制剂的同时，自身可以生存下来。通过筛查已公开的所有真菌基因组，研究人员找到了一个与DHAD同源基因和天然产物合成基因连锁的保守基因簇。这个保守基因簇由四个基因构成，这四个基因分别编码倍半萜环化酶同源蛋白AstA，两个细胞色素P450氧化酶(AstB和AstC)，以及一个DHAD的同源蛋白(AstD)。通过在酵母中异源表达astA, astB, astC基因，他们发现这个簇的最终产物为aspterric acid (AA)。
Genome mining of a DHAD inhibitor and biosynthesis of aspterric acid.
AA虽然是一个已知化合物，但由于人们对其生物学活性产生的机制不了解，这个天然产物自首次被分离40多年以来一直为人们所忽视。唐奕课题组通过抗性基因为导向的基因组挖掘策略发现了这个被人们忽视的小分子，并利用生物化学手段证明了AA的生物学活性。同时，研究人员也证明了AstD具有DHAD的功能，却对AA具有极高的耐受性。尽管AA可以很好的抑制DHAD的活性，但是否能够很好的抑制植物生长是开发新型除草剂的关键。通过对模式植物拟南芥、单子叶植物玉米和双子叶植物番茄的抑制实验，唐奕课题组和Steven Jacobsen课题组进一步证实了AA对于植物生长具有广谱的抑制性。
Aspterric acid is a plant growth inhibitor.
周佳海课题组对DHAD全酶结构进行了首次解析，结合计算化学手段，AA与酶活性中心的结合机制，以及AstD具有AA耐受性的分子机制也被阐明。研究发现，具有特殊三环结构的AA可以模拟天然底物α,β-二羟酸与活性中心二铁二硫簇和镁离子的结合模式，并且能够通过具有较大位阻的三环结构及侧链，与活性中心入口处疏水氨基酸残基发生疏水作用，以更高的结合能与DHAD的活性中心结合。
X-ray Structure of holo-AthDHAD and homology model of AstD.
为进一步使AA在除草的同时不影响作物的生长，研究人员将抗性基因AstD在拟南芥中表达，并成功获得可以耐受高浓度AA的转基因植株。这一结果表明，可以利用AstD抗性基因开发具有AA耐受性作物，从而实现利用AA进行专一性除草，而不影响作物的目的。这一工作不仅为挖掘基因组寻找天然产物提供了新的方法和启示，同时也为探索农业生产中开发新型除草剂提供了范例。
Aspterric acid-resistance of Arabidopsis plants expressing astD transgenes.
