加速研发安全、新作用机制的农药是有效解决途径，其科学问题的核心在于农药分子靶标，即病虫害体内与农药分子结合从而使农药分子发挥药效的生物大分子。杨青介绍，目前全球广泛使用的杀虫剂中70%的品种只针对5个分子靶标，广泛使用的杀菌剂中60%的只针对3个靶标。大豆疫霉是引起大豆根茎腐烂的主要病原体，每年造成超过10亿美元的经济损失。
中国青年报客户端北京9月22日电（中青报·中青网记者 邱晨辉）记者今天从中国农业科学院获悉，中国农业科学院植物保护研究所/农业基因组研究所杨青教授团队及其合作者，前不久解析了大豆疫霉菌几丁质合成酶的冷冻电镜结构，首次揭示了几丁质生物合成的完整过程，并阐明了活性小分子尼克霉素能够抑制几丁质生物合成的机制。
这一历时15年完成的研究成果，北京时间9月21日深夜在国际学术期刊《自然》（Nature）以研究长文的形式发表。
中国科学院院士、美国科学院外籍院士、河北大学校长康乐称，该研究利用冷冻电镜，首次从原子尺度揭示了由几丁质合成酶催化完成的一个多步骤的、定向的几丁质生物合成过程，是生物学领域的一项重大进展。几丁质合成酶及其与底物、产物以及抑制剂结合的结构信息，也为针对几丁质合成酶理性设计小分子从而控制有害昆虫的种群数量带来了新曙光。
几丁质生物合成的机制示意图。中国农科院植保所供图
农药使用每年为国家减少约1000亿元直接经济损失，但农药毒性和病虫害产生的抗药性使农药使用面临严峻挑战。加速研发安全、新作用机制的农药是有效解决途径，其科学问题的核心在于农药分子靶标，即病虫害体内与农药分子结合从而使农药分子发挥药效的生物大分子。这些生物大分子可以是在病虫害生长发育过程中不可或缺的蛋白质、酶、多肽和核酸等。
杨青介绍，目前全球广泛使用的杀虫剂中70%的品种只针对5个分子靶标，广泛使用的杀菌剂中60%的只针对3个靶标。长期使用针对单一靶标的农药很容易使病虫害产生高的抗药性，最终导致农药无法控制病虫害种群而出现病虫害爆发频发的灾害，这也是全球农业病虫害防控所面临的重大问题。
几丁质俗称甲壳素，是由N-乙酰氨基葡萄糖构成的天然生物高分子，其生物合成对大量生物的生存和繁殖至关重要，这些生物也包括许多严重危害农业生产的害虫、病原真菌和卵菌等。几丁质不存在于植物和哺乳动物中，因此几丁质合成酶是高效、安全、生态友好的农药创制的重要靶标之一。
从20世纪70年代起，人们就陆续开发了能抑制几丁质合成的活性小分子化合物，这些化合物作为杀菌剂和杀虫剂已经表现出极大的应用和市场前景。然而在过去的50年中，尽管全球各国投入了大量的人力、物力和热情，试图研发出更多种类和更加高效的靶向几丁质合成酶的绿色农药，但始终进展缓慢。其中一个重要原因是缺乏准确的几丁质合成酶的三维结构信息，几丁质合成酶的结构-功能关系不明确，严重阻碍了针对该酶设计新的农药品种。
杨青教授团队长期致力于几丁质生物学研究，在几丁质合成、水解和修饰方面具有丰厚的积累。本项成果选取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的几丁质合成酶PsChs1为研究对象。大豆疫霉是引起大豆根茎腐烂的主要病原体，每年造成超过10亿美元的经济损失。基因敲除PsChs1会损害菌丝体生长、孢子囊产生和游动孢子释放，从而极大降低大豆疫霉的毒力。因此，PsChs1不仅可以作为良好的杀菌剂靶标，也可以作为几丁质合成酶研究的一个模型。
杨青团队通过前沿生物学技术包括冷冻电镜、扫描电镜、X射线衍射等，解析了4个不同催化反应状态PsChs1的三维结构，揭示了几丁质合成酶实现几丁质生物合成的三个重要过程：首先，几丁质合成酶将供体底物上的糖基转移到受体几丁质糖链上；接着，新生成的几丁质糖链通过细胞膜上的“跨膜转运”通道释放到细胞外；最后，释放的几丁质链自发组装成几丁质纳米纤维。这是第一次从原子水平上向人们展示了一个有方向性的、多步骤偶联的几丁质生物合成过程。
进一步，该团队还探明了几丁质合成酶与活性小分子尼克霉素结合的模式，解释了尼克霉素抑制几丁质生物合成的机制。
这一工作为人畜安全的绿色农药创制提供了关键的分子靶标结构信息，为控制病虫害对现有农药的抗药性提供了全新解决方案，为农药产业的变革和绿色发展开辟了新方向。该论文是全球农药领域近年来最重要的基础研究进展之一。这一原创性工作为靶向几丁质合成的绿色农药开发提供了基础性、关键性信息，使得以几丁质合成酶为分子靶标精准开发新型绿色农药成为科学可行的方案，具有重要的理论和应用价值。
据介绍，中国农业科学院植物保护研究所为论文的第一完成单位，植保所陈威副研究员、北京工业大学曹鹏教授和大连理工大学刘元盛博士为本文共同第一作者，植保所杨青教授和中国科学院高能物理所龚勇研究员为共同通讯作者。中国农业科学院深圳基因组研究所于爱玲博士后、陈磊博士后，大连理工大学王栋博士，天津大学尉迟之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士后，以及德国锡根大学Hans Merzendorfer教授也参与了本文的研究。该研究得到国家自然科学基金重点项目、国际(地区)合作与交流项目、中国农业科学院农业科技创新工程、深圳市科技计划项目及深圳市大鹏新区科技创新与产业发展专项资金等项目的资助。
来源：中国青年报客户端
