近日，植物保護學院葉永浩教授課題組聯合中科院上海有機所、南京師范大學周佳海教授課題組，在Nature Communications期刊上在線發表了題為“Substrate-based discovery of α-hydroxycarboxylic acid derivatives as potential herbicides targeting dihydroxyacid dehydratase”的研究論文。該研究創新性地以植物支鏈氨基酸（BCAAs）合成途徑中的關鍵酶二羥酸脫水酶（DHAD）為靶標，成功設計并合成具有α-羥基羧酸結構特征的新型除草劑先導化合物，為開發作用機制獨特、環境友好的新一代除草劑奠定了重要的分子設計基礎。
我國每年農田雜草年發生面積高達14億畝次，對糧食生產造成重大威脅。除草劑作為防控雜草的關鍵手段，在保障國家糧食安全中具有不可替代的作用。然而，當前除草劑市場普遍存在品種同質化、雜草抗藥性日益突出、生態環境風險加大等問題，亟需創制具有全新作用機制的新型綠色除草劑品種。
BCAAs是蛋白質合成的必需組分，植物和微生物能夠自主合成，而哺乳動物則依賴外源攝取。這種差異使得BCAAs合成通路中的蛋白被認為是開發高選擇性除草劑的理想靶標。DHAD催化2,3-二羥基甲基戊酸和2,3-二羥基異戊酸脫水生成α-酮酸，是BCAAs合成途徑的關鍵酶。本研究通過比較植物、真菌、細菌等不同種屬來源DHAD蛋白結構和序列差異，發現活性腔內關鍵氨基酸殘基（Asp140、Glu463、Tyr215 和 Ser489）保守，但存在構象差異，為靶向DHAD抑制劑合理設計提供分子基礎。通過分析DHAD與底物的互作模式，發現α-羥基羧酸片段與活性腔內的2Fe-2S簇和Mg2+形成配位，烷基骨架與鄰近的Tyr215和Phe181形成疏水相互作用。因此，采用底物導向的分子設計策略，構建了含有α-羥基羧酸片段的苯并噁嗪酮類系列衍生物。同時建立了常溫常壓條件下，空氣氧化實現α-C(sp3)?H羥基化的綠色高效合成方法。
靶標親和力測試發現化合物I-6e與DHAD互作的Kd值達到1.00 μM，優于底物2,3-二羥基甲基戊酸（Kd = 5.39 μM）和天然抑制劑aspterric acid（Kd = 3.41 μM）。轉錄組分析和BCAAs回補實驗證實α-羥基羧酸衍生物通過作用于支鏈氨基酸合成途徑，進而抑制種子萌發和植物生長。進一步解析得到分辨率為2.19 ?的DHAD與I-6e復合物晶體結構，揭示了I-6e與蛋白互作的關鍵位點，證實了α-羥基羧酸是與DHAD活性腔結合的關鍵藥效片段，為創制靶向DHAD抑制劑提供了理論基礎。溫室實驗表明，α-羥基羧酸系列化合物對狗尾草、野燕麥、醴腸、反枝莧等雜草防治效果顯著，且對水稻、小麥、玉米等作物安全，具有良好的應用前景。
南京農業大學為第一完成單位。南京農業大學植物保護學院青年教師何波、在讀博士生胡延浩與中科院上海有機所畢業研究生劉東山為共同第一作者，葉永浩教授和周佳海教授為共同通訊作者。此外，中科院上海有機所臧鑫博士（現在UCLA從事博士后研究）、中國農科院植保所楊景芳副研究員、南京農業大學馮致科教授、嚴威副教授、李俊副教授、馮明峰博士等為本研究提供了幫助。相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及江蘇省自然科學基金等項目的資助。
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