9月21日，中国农业科学院杨青教授和中国科学院高能所多学科中心龚勇研究员作为共同通讯作者在Nature杂志在线发表题为“Structural basis for directional chitin biosynthesis”的研究论文，该研究报告了来自破坏性大豆根腐病病原卵菌大豆疫霉 (PsChs1) 的几丁质合酶的五种冷冻电子显微镜结构。它们代表酶的 apo GlcNAc 结合、新生几丁质寡聚体结合、UDP 结合（合成后）和几丁质合酶抑制剂尼可霉素 Z (nikkomycin Z, NikZ) 的结合状态，提供了几丁质生物合成的多个步骤及其竞争性抑制的详细视图。该工作揭示了几丁质生物合成的定向多步骤机制，为抑制几丁质合成提供了结构基础。
几丁质是自然界中含量最丰富的氨基多糖，是一种由 N-乙酰氨基葡萄糖 (GlcNAc) 单元组成的细胞外聚合物。几丁质的生物合成对于来自不同分类群的各种生物的生存和繁殖至关重要，例如威胁生命的真菌、破坏农业的卵菌和害虫。因此，它为发现抗真菌剂或杀虫剂提供了首选目标。其合成的关键反应由几丁质合成酶催化，这是一种膜整合的糖基转移酶，可将 GlcNAc 从 UDP-GlcNAc 转移到生长的几丁质链。然而，这一过程的确切机制尚未阐明。
P. sojae 是一种导致大豆 (Glycine max L.) 根茎腐烂的病原体，每年造成超过 10 亿美元的经济损失。大豆几丁质合成酶 PsChs1 的敲除会损害菌丝体生长、孢子囊产生和游动孢子释放，从而大大降低大豆的毒力。PsChs1 既是优秀的抗真菌靶标，又是 CHS 研究的模型系统。在这项研究中，研究人员报告了 PsChs1 的五个冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 结构（图1），这些结构揭示了几丁质合成反应室，它具有底物结合位点、催化中心和聚合物转运通道的入口，聚合物转运通道允许产物聚合物排出。这种过程反映了几丁质生物合成中从 UDP-GlcNAc 结合和聚合物延伸到产品释放的连续关键事件。
几丁质是由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。但是除了昆虫，真菌之外的包括人类在内的绝大多数动物没有几丁质合成酶，所以针对这个靶点研制的农药会是非常安全的绿色农药。
相关领域的权威专家指出，该研究突破了几丁质农药领域一个近50年的发展瓶颈，为人类数十年以来未能实现的生态环境友好农药的梦想提供了实现的舞台：基于几丁质合成酶的结构精准设计绿色农药。此研究成果标志着中国农药研发水平提升到了基础理论原始创新的高度。该工作也是全球农药创新研究与开发近几十年来最重要的基础性进展之一。
杨青和龚勇为本论文的共同通讯作者，植保所陈威博士生、北京工业大学教授曹鹏和大连理工大学博士刘元盛为本论文的共同第一作者。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05244-5
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