近日，南京农业大学植物保护学院张正光教授领衔团队在靶向杀菌剂创制领域取得突破性进展，相关研究成果以“Targeting a cryptic Magnaporthe oryzae-specific pocket in succinate dehydrogenase to combat rice blast”为题，发表于Plant Communications。该研究在稻瘟病菌琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）中发现了一个区别于传统泛醌结合位点的新型隐蔽口袋，并基于该口袋设计出先导化合物PD13。PD13能够干扰SDH功能，并与传统琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHIs）无交互抗性，为突破现有杀菌剂靶标抗性提供了新的研究思路（图1）。
图1 基于稻瘟病菌MoSDH新型隐蔽口袋的抑制剂设计与作用模式图
研究背景
稻瘟病是威胁水稻生产和粮食安全的重要真菌病害。SDH又称线粒体复合体Ⅱ，是连接三羧酸循环与线粒体电子传递链的关键酶，也是重要的杀菌剂靶标。传统SDHIs主要结合SDH中相对保守的泛醌结合位点，即Q位点，阻断电子传递并抑制病原菌能量代谢。然而，不同SDHIs共享相近的结合区域，Q位点中的单个氨基酸突变便可能降低多种药剂的结合能力，进而产生交互抗性。因此，如何在保留SDH作为优良靶标的同时，避开容易发生抗性突变的传统结合位点，是开发新一代SDHI类杀菌剂需要解决的重要问题。
研究内容
研究团队通过比较稻瘟病菌及其他病原真菌SDH复合体的结构特征，在稻瘟病菌SDH（MoSDH）的MoSdhB与MoSdhD亚基互作界面发现了一个此前未被充分认识的狭窄隐蔽口袋。该口袋在空间上邻近传统Q位点，但在结构和关键残基组成上与Q位点明显不同，主要涉及MoSdhB-Glu206以及MoSdhD-Gln126和Arg128等残基。该区域具有一定的物种特异性，为开展病原菌适应性靶向和选择性抑制剂设计提供了结构基础。基于该隐蔽口袋，研究团队开展药物筛选与设计，并对候选骨架进行衍生优化和生物活性评价，最终获得了具有较强抑菌活性的二苯醚苯肼类化合物PD13。进一步通过分子动力学、遗传学和分子生物学实验，研究团队确认PD13能够嵌入MoSdhB–MoSdhD亚基互作界面，并与上述关键残基形成相互作用（图2）。
图2 化合物PD13与稻瘟病菌MoSDH新型隐蔽口袋中的结合模式
进一步的作用机制研究表明，PD13结合新型隐蔽口袋后，可削弱MoSDH对泛醌的识别并影响后续催化过程，导致SDH活性下降和细胞内ATP水平降低。能量代谢受损进一步抑制稻瘟病菌的孢子萌发、附着胞形成、菌丝生长和侵染扩展等关键发育过程，最终降低其致病能力。与直接占据传统Q位点的商品化SDHIs不同，PD13通过结合邻近但结构上独立的隐蔽口袋发挥作用，体现出不同的靶标结合和抗性特征。为验证PD13能否绕开传统SDHI抗性，研究团队利用对多种商品化SDHIs具有交互抗性的稻瘟病菌菌株SX245开展比较试验。结果显示，多种传统Q位点靶向型SDHI对SX245的抑制作用明显减弱，而PD13对该菌株仍保持良好活性，并能够有效抑制其菌丝生长、孢子萌发、附着胞形成及水稻侵染。这说明化合物PD13与传统Q位点的SDHIs不存在交互抗性（图3）。
图3 化合物PD13与传统SDHIs不存在交互抗性
在自然病圃开展的穗颈瘟药剂防控试验中，PD13表现出稳定的稻瘟病防控活性，其防控效果与对照药剂三环唑相当。初步非靶标安全评价显示，化合物PD13对受测的酵母菌和秀丽隐杆线虫安全性高，未表现出不良反应，同时对水稻植株没有药害（图4）。上述结果为PD13的后续结构优化和安全性评价提供了基础。
图4 化合物PD13在田间对稻瘟病防效显著且安全性高
研究意义
该研究的意义不仅在于获得了先导化合物PD13，更在于拓展了经典杀菌剂靶标SDH的可成药空间。通过识别传统活性位点之外的病原菌适应性隐蔽口袋，并针对该口袋开展结构导向筛选与设计，有望在不更换核心靶标的前提下形成不同于传统SDHIs的结合模式和抗性谱。该策略为应对现有杀菌剂交互抗性以及开发新一代精准杀菌剂提供了新的结构基础和概念验证。
研究团队
南京农业大学植物保护学院博士生张伟为论文第一作者，张正光教授、叶永浩教授和刘木星教授为通讯作者。南京农业大学植物保护学院张海峰教授、李刚教授、杨雷云教授、何波副教授和刘昕宇副教授，以及安徽农业大学植物保护学院郭敏教授参与了该研究。美国路易斯安娜州立大学的Ping Wang教授提供了指导。该研究获得农业科技重大专项、国家自然科学基金、江苏省农业科技自主创新资金等项目支持。
