近日，叶永浩教授课题组联合中国科学院上海有机所/南京师范大学周佳海教授课题组，在Plant Biotechnology Journal期刊上在线发表了题为“De Novo Design and Synthesis of Novel Benzoxazinone Derivatives Targeting Dihydroxyacid Dehydratase”的研究论文。该研究基于新型除草剂作用靶标——二羟酸脱水酶（DHAD），发现苯并噁嗪酮分子骨架能够靶向DHAD，表现出广谱且高效的除草活性，同时对水稻和小麦具有较高的安全性，验证了DHAD作为新型除草剂靶标的可行性。此外，该类衍生物在植物与微生物间显示出良好的选择性，对哺乳动物细胞无显著抑制活性，安全性良好，为开发具有全新机制的绿色除草剂提供了理论依据。
支链氨基酸（BCAA）合成途径广泛存在于植物和微生物中，而在哺乳动物中缺失，这一物种间的差异使其成为开发高选择性除草剂的理想靶点。在该合成途径中，DHAD催化2,3-二羟基异戊酸和2,3-二羟基甲基戊酸分别转化为2-酮异戊酸和2-酮甲基戊酸，是BCAA生物合成过程中不可或缺的关键酶。因此，针对DHAD设计结构新颖、作用方式独特的小分子抑制剂，可为创制全新作用机制、低生态风险的绿色除草剂提供新的策略。
在DHAD催化活性腔中，底物通过与铁硫簇[2Fe–2S]和Mg2+的配位作用实现催化转化。对天然抑制剂aspterric acid（AA）与DHAD的共晶结构（PDB：9JPI）分析发现，AA能够同时与铁硫簇和Mg²⁺发生配位作用，AA的稠环片段与活性腔中的Tyr215和Phe181残基形成疏水相互作用，两者间的最短空间距离为8.49 Å（图1）。基于AA与DHAD的互作模式，在设计新型DHAD抑制剂时，引入可与铁硫簇和Mg²⁺互作，及与邻近芳香族残基间形成π–π堆积或疏水作用的分子骨架，能够增强抑制剂分子与靶标DHAD的结合稳定性，从而有效竞争并阻断底物结合。基于此，以苯并噁嗪酮作为核心骨架，并引入酯基片段以增强其与金属离子的配位能力，设计并合成了一系列衍生物4aa–4bb。温室苗后除草活性试验表明，在150 g ai/ha剂量下，化合物4bb对阔叶杂草醴肠和反枝苋的抑制率超过75%，对禾本科杂草的防效也达50%以上。同时，4bb对水稻和小麦表现出良好的作物安全性，在植物与微生物间具有显著选择性，并且对人源细胞系未显示明显毒性作用。作用机制研究表明，4bb通过作用于BCAA合成途径中的DHAD蛋白，从而发挥除草活性。因此，4bb可作为靶向DHAD的抑制剂先导化合物，为后续开发作用机制新颖、生态友好的绿色除草剂提供结构基础。
图 1 苯并噁嗪酮类衍生物的合理设计及生物活性
南京农业大学为第一完成单位。植物保护学院副教授何波和在读博士生胡延浩为共同第一作者，叶永浩教授和周佳海教授为共同通讯作者。相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及江苏省自然科学基金等项目的资助。课题组进一步基于底物导向分子设计策略，在苯并噁嗪酮骨架中引入α-羟基羧酸片段，增强了与靶标蛋白的结合稳定性；解析了α-羟基羧酸苯并噁嗪酮化合物与DHAD的共晶结构，揭示了抑制剂与蛋白互作的关键位点；筛选发现对狗尾草、野燕麦、醴肠、反枝苋等杂草防除效果显著除草活性分子，具有良好的应用前景（Nat. Commun. 2025, 16, 5205-5216）。上述两项研究证实了DHAD是一类新型的除草剂作用靶标，为创制结构多样性的靶向DHAD抑制剂提供了重要的理论依据。
文章链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70369
编：何 波
校：张 聪
审：张 进
