调控植物病害的绿色农药创新研究进展

 
    摘要：面向国家在粮食安全与食品安全、生态保护以及创新环境友好农药方面的重大需求，针对重大病害，以“候选药物与候选靶标”为基本立足点，开展分子靶标导向的绿色化学农药创新研究是摆在我们面前的一项十分紧迫的任务。大量事实表明，20世纪90年代以来，农作物病虫害在我国经常暴发成灾，引起严重的作物产量损失和品质下降，是我国可持续农业的主要限制因素之一。例如2007年全国水稻稻瘟病、稻条纹叶枯病、玉米病毒病、小麦锈病发生面积分别为1.5亿亩次、0.3亿亩次、0.2亿亩次、1.6亿亩次，造成经济损失100亿余元; 随着常规农药残毒的禁用以及由于药剂品种单一，抗***问题十分严重，防效差问题，近年来水稻和玉米的病毒病害呈上升趋势，由于其发生的暴发成灾***，专用防治药剂的缺乏和传毒媒介昆虫防治困难等因素，常导致大面积绝产, 我国主要发生区每年由此造成的直接经济损失数百亿元以上。针对农业重大病害问题，探索活***小分子与靶标大分子受体之间的相互作用规律，研究其对靶标和非靶标生物之间的选择***，开展病毒及菌害调控的分子靶标研究，科学高效地发现安全且有潜在市场生命力的绿色候选农药, 是我国新农药创制基础研究中面临的重要任务。
    进展：十二五期间，在973首席科学家钱旭红院士指导和973计划课题 “病毒及菌害调控的候选药物与分子靶标”（2010CB126105）和国家自然科学基金重点项目“重大病毒病导向的绿色农药化学研究”（21132003）资助下，组织全国相关农药专家开展了调控植物病害候选药物先导发现、分子靶标的理论研究，重点完成主要研究内容有杀菌候选药物对靶标分子的化学生物学研究、含杂环及含***的抗植物病毒候选药物对烟草和水稻病毒病的作用机制和作用靶标分子研究、多***苯并噻唑类抗病激活剂的抗病分子机理研究、超高效的多分子靶标光敏杀菌剂候选药物发现及其候选药物小分子与靶标大分子相互作用研究。通过“从分子设计学经化学生物学到比较生物学”和“从比较生物学经化学生物学到分子设计学”的两种基本策略，开展以超高效、调控、免疫为特征的分子靶标导向的新杀菌抗病毒与杂环激活剂的候选农药创新基础研究：针对水稻、蔬菜、烟草等农业经济作物上的病害，设计合成了系列化合物，进行了生物活***测试、作用机理和作用靶标及反应机理等研究。在抗病毒剂的作用机制和分子靶标研究方面取得新突破，发现了毒***磷作用于HrBP1，从而启动细胞内的信号转导机制，产生抗病毒效应。首次解析了基因重组的TMV CP的晶体结构，发表了第一个具有组装功能的基因重组的 TMV CP Disk结构，发现了促使TMV CP 四层聚集体蛋白解聚的候选药物Ningnanmycin，构建了Ningnanmycin与TMV CP的互作模型，明晰了Ningnanmycin 促使TMV CP蛋白解聚机制。在候选药物小分子的作用机制方面开展了系统的研究，在创新抗病激活作用机制和分子靶标研究方面取得重要进展，发展了基于植物抗病激活发现绿色抗病毒剂和杀菌剂的新思路，发现了新的系统抗病性向下传导作用强于向上传导机制，开创了植物抗病激活剂研发的全新方法。构建了新的抗植物病毒药剂以及植物激活剂的筛选体系。提出了多个农药先导发现方法和策略。其中，具有原创性的基于“中间体衍生化方法”农药先导的发现方法，大大提高了新农药成功率，该研究策略应用潜力巨大，在国内外农药的创制领域引起了广泛关注。
    在植物致病菌代谢组及蛋白质组筛选杀菌剂靶标研究方面，提出基于代谢物浓度的杀菌剂靶标和先导发现策略。将靶标的可进化性作为考察靶标成药性的指标，降低靶标产生耐药性的风险。提出了基于免疫激活理论的“防虫治病”新策略，创建了水稻病毒病防控体系，在我国重大水稻病毒病防控中发挥作用。
    通过研究，解析了烯酰（ACP）还原酶（XoFabV）、南方水稻黑条矮缩病毒基质蛋白（SRBSDV P9-1）和截短型烟草花叶病毒外壳蛋白（TMV CP）的晶体结构；明确了毒***磷（Dufulin）、苦皮藤素V、丁吡吗啉等活性小分子的作用靶标；阐述了宁南霉素（Ningnanmycin）与TMV CP、SRBSDV P9-1间的作用位点及Dufulin与 SRBSDV P9-1的结合模式；弄清***唑活化酯的诱导抗病机理、信号转导途径及其在植物体内发挥抗病活性的传递过程；构建了植物致病菌基因组注释数据库DIGAP和细菌代谢物浓度的预测方法和模型；发现了碱性磷酸酶、GlmS酶、纤维素合成酶以及DcA（Rrp13）等潜在的靶标；建立的多个抗病药剂筛选模型及独创的 “中间体衍生化方法”为寻找高活性的先导化合物提供了新的途径，创制了丁吡吗啉、甲噻诱***、唑***菌酯等多个具有自主知识产权的绿色农药，为调控植物病害的候选药物开发提供支撑，对我国新型抗植物病害绿色农药的创新研究具有极大的推动作用。
    国内外研究现状比较： 目前，我国在农药研究与开发领域与国际先进水平差距在缩小，在杀菌剂和抗病毒剂农药研究的某些领域，如基于天然源和化学免疫激活农药分子设计、抗病毒潜在新靶标研究等方面，已取得了较好进展。我国建立了农药创新研究的基础条件，在基础理论研究方面取得一定特色。在非传统的超高效无公害农药—绿色化学农药的先导结构及作用靶标这一新兴领域则与国外基本上处于同一起跑线。这一态势为我们开展病毒及菌害调控的分子靶标与候选药物研究，突出原始创新取得突破成果奠定了基础。要使我国进入绿色农药创新的先进国家行列，完成农药基础理论创新的第二步战略。就必须在病毒及菌害调控的分子靶标与候选药物等基础理论方面取得重点突破，为具有实用价值的杀菌剂和抗病毒剂品种创制提供理论、人才和技术的支撑。
    存在问题： 我国植物病害调控的绿色农药创新研究工作尚处于起步阶段，还未揭示虫传病毒病和真菌病害过程中关键因子，也未明晰化学小分子干扰调控重大病毒病侵染传播的分子机制，还没有并在生物多样性基础上实现小分子的成药性, 获得具有植物调控、健康激活或昆虫调控剂新机制的创新药物不多；在此基础上将“病害化学调控”与“病害生态调控”相结合, 实现虫传病毒病综合调控治理一体化防控技术与集成应用相应研究还不够系统深入，具有自主知识产权分子靶标极其缺乏，这是制约我国自主创新农药研究开发的主要瓶颈。
    在抑菌抗病毒剂农药创新研究领域，实施农药零增长计划，如何实现植物病害调控的绿色农药创新的多样性与生物合理性及生态安全性，和如何提高农药的高效性与选择性是目前存在的主要问题。此外，抑菌抗病毒剂新品种的创制发展仍很缓慢，在市场上还没有重磅炸弹型农药品种。因此，开展绿色高效抑菌防病毒病药剂创新与分子靶标研究既迫在眉睫，实现植物病害调控的绿色农药创的新理念、新理论、新需求、新技术，加快创制具有自主知识产权的新型农药更刻不容缓。
    今后的发展趋势和研究方向：综合采用农药靶标组学、比较化学生物学、农药生态学等绿色化学农药化学生物学研究的关键技术，根据分子靶标与候选药物的研究成果，创新植物调控剂、作物健康激活剂、新机制昆虫调控剂，探索创新药物靶标组学作用规律，进行靶标和非靶标比较化学生物学研究，揭示它们在生物多样下的农药作用与生态影响。具体以蚜虫-虫传病毒、烟粉虱-虫传病毒和飞虱-虫传病毒作为模式对象，采用化学与生物学相结合的研究策略，以“病毒生物学”结合“病毒生态学”的思路，针对传媒害虫传毒、病毒复制、植物免疫激活3个环节，重点开展虫传病毒病调控治理一体化方法及重要新农药创制研究。以全程免疫防控技术与创新药物为基础，针对传媒害虫传毒开展调控剂和靶标组学研究，开展干扰病毒组装复制剂和诱导植物抗病免疫激活剂的农药创制与化学生物学研究、基于非化学调控与化学调控相结合病害调控治理一体化生态性方法研究及集成应用；在整体上直接为控制农作物重大虫传病害灾害的发生提供防治新策略和新结构、新机制、新靶标、新策略及抗病毒剂与媒介害虫防控剂。
    通过研究，力争发展出具有国际影响力的绿色农药创新的理论方法，探索出重要的农药作用新分子靶标，创制出具有重大市场竞争力的″重磅炸弹”级国际著名品种，使我国从农药生产大国迈向农药创新强国，为解决我国重大农业病害提供自主知识产权的生态农药与有效生态防控技术，推动生态文明建设这一国家意志的早日实现。