农药靶标抗性的分子机制研究及农药分子设计合成

重大抗性病虫草害的防治是当前我国农业生产中的迫切需求。开展农药靶标抗性的分子机制研究、建立基于抗性机制的绿色农药分子设计体系是当前新农药创制研究中所面临的一个重要任务，也是一个富有挑战性的研究课题。本项目将从农药靶标及突变体库的构建及其结构与功能研究、农药靶标及其突变体与农药分子的相互作用研究、农药抗性的QSAR理论研究等三个紧密相关、相辅相成的方面开展研究，深入探讨农药分子与靶标及其突变体之间的相互作用规律，发展建立基于抗性机制的绿色农药分子设计策略和农药靶标抗性预测方法，力争获得1~2个具有应用开发前景的农药先导化合物，为我国现代农业的可持续协调发展服务。本项目的实施将进一步促进我国新农药创制基础研究的发展，进一步提高我国新农药创制研究的国际学术地位。

开展农药靶标抗性的分子机制研究，发展综合高效性、选择性和规避抗药性（或反抗性）的新型生态农药分子设计体系，是当前农药创制研究的极富挑战性的重要任务之一。本项目以重要农药靶标：乙酰羟基酸合成酶（AHAS）、原卟啉原氧化酶（PPO）、细胞色素bc1 复合物等为研究体系，从农药靶标（突变体）库的构建及结构功能研究、农药靶标（突变体）与农药分子的相互作用研究以及农药抗性/选择性的QSAR研究入手，发展完善了针对抗性/选择性的绿色农药分子设计策略，取得重要进展：1）成功解析多种属PPO及AHAS酶野生型及突变体与农药的复合物晶体结构。2）阐明若干重要农药靶标的分子作用机制、分子抗性及选择性的结构基础。A) 通过晶体结构测定及分子生物学研究，阐明枯草芽孢杆菌PPO酶高农药抗性的结构基础；阐明人源PPO酶突变导致卟啉症的分子致病机制；发展了准确预测酶活性（PPO）新方法。B) 发展了研究蛋白间相互作用关键残基的普适性方法，确定了大肠杆菌AHAS III调控亚基关键残基，建立AHAS催化亚基与调控亚基相互作用的结构模型，提出调控亚基对催化亚基的激活机制；发现AHAS调控亚基最小激活单元肽。这些工作为种属选择性的除草剂设计、转基因作物的开发提供了关键信息，也为开发靶向PPI新作用机制农药奠定了基础。3) 系统建立准确预测药物分子抗性及选择性的定量构效关系（MB-QSAR、Prenzyme 及CMS）。MB-QSAR方法首次将3D-QSAR拓展到生物大分子，实现对靶标组药物抗性及药物选择性的准确、快速预测以及对选择性及反抗性小分子设计的直观指导。4）建立农药分子设计新方法并成功用于抗性/选择性农药分子设计，首次发现针对AHAS酶高频抗性突变体W574L的反抗性抑制剂，并在抗性杂草上得到有效验证；设计合成了迄今为止人源与烟草PPO酶间选择性最高的种属选择性抑制剂。. 通过项目实施，我们建立了研究农药与其靶标组（突变体、多种属）相互作用的比较化学生物学平台，建立了针对抗性/选择性的绿色农药分子设计体系。初步建立了一个全新的、基于靶标组结构，同时兼顾药物的高效性、选择性和抗性规避性的药物设计策略（Targetome Structure based Design，TSBD）。