华中师范大学杨光富/杨文超团队开发植物非生物胁迫诊断工具

植物的生长发育容易受到外界环境变化的影响。非生物胁迫（包括干旱、高盐或极端温度等）严重危害着植物的生长、发育，进而会造成作物大量减产、威胁粮食安全。因此，发展实时监测植物非生物胁迫的生物传感技术对于及时管理庄稼健康、实现精准农业极为重要。

作为铁氧化还原酶的典型代表，对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（4-Hydroxyphenylpyruvate dioxygenase，HPPD）是生物体内酪氨酸代谢途径中的一种关键酶，广泛存在于需氧生物中，也是开发药物和农药的重要靶标。华中师范大学杨光富教授研究团队在HPPD的化学生物学研究方面开展了系统性研究，解析了第一个包含天然底物的HPPD复合物晶体结构，揭示了HPPD催化的分子机制（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15674–15687）及HPPD与抑制剂分子之间的作用机制（The FEBS J. 2019, 286, 975-990），提出了靶向关键残基构象变化的分子设计策略（Research. 2019, DOI:10.34133/2019/2602414），发明了喹唑啉二酮类HPPD抑制剂分子骨架，成功创制出全球第一个高粱地选择性除草剂喹草酮，破解了长期制约高粱产业发展的杂草防控技术难题。

进一步研究表明，HPPD不仅参与了质体醌和生育酚的生物合成，而且与植物非生物胁迫密切相关。因此，开发原位、实时成像与生物传感技术对于深入研究HPPD参与非生物胁迫的分子机制具有极其重要的意义。

近日，华中师范大学杨光富教授和杨文超教授研究团队在Plant Physiology发表了题为“In Vivo Diagnostics of Abiotic Plant Stress Responses Via In Situ Real-Time Fluorescence Imaging”的研究论文，开发了一款植物非生物胁迫诊断新工具。

在该研究中，他们基于前期阐明的HPPD与抑制剂相互作用的分子机制，采用分子构象调控的荧光探针设计策略，设计合成了第一个靶向HPPD的抑制型小分子荧光探针。该探针由HPPD药效团与荧光团链接而成。与HPPD结合之前，该探针处于U型构象，药效团和荧光团之间的分子内电子转移（Photoinduced electron transfer, PET）导致荧光淬灭；与HPPD结合之后，该探针变为线型构象，PET效应消失，荧光得以恢复。进一步的量子化学计算和HPPD与探针复合物晶体结构（PDB编号：7VO8）证实了荧光成像的分子机制。随后，利用该探针作为工具，他们分别在拟南芥和油菜两种模型上实现了对不同类型非生物胁迫（包括干旱、高盐或极端温度等）的生物传感和原位诊断（图1）。基于该探针的成像平台将有助于植物体内早期非生物胁迫的诊断，从而为精准农业的发展提供了一种实时原位的关键技术。

华中师范大学杨光富教授和杨文超教授为该论文的共同通讯作者，华中师范大学硕士研究生傅艺煊，博士研究生刘诗宇和郭吴英正为该论文的共同第一作者。本研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiac273

杨光富教授简介

华中师范大学教授、博士生导师、校学术委员会副主任、智能生物传感技术与健康国际联合研究中心主任、农药与化学生物学教育部重点实验室主任。长期从事绿色农药创制基础研究，在农药分子设计理论研究方面取得系统性成果，建立了基于活性小分子与作用靶标相互作用研究的农药分子设计创新研究体系，发展了药效团链接碎片虚拟筛选、计算突变扫描等分子设计新方法，成功创制出全球第一个高粱田选择性除草剂喹草酮和吡唑喹草酯、氟苯醚酰胺、苯醚唑酰胺等多个候选农药新品种。先后在PNAS、NC、JACS、Angew等国际权威期刊发表SCI论文280多篇，被SCI他引7500多次，获中国发明专利授权47项及欧美发达国家授权专利9项。获教育部自然科学一等奖、湖北省自然科学一等奖及中国农药工业协会技术创新一等奖各1项，并获侯德榜化工科学技术创新奖、药明康德生命化学研究奖、三农金桥奖等。2009年获国家杰出青年科学基金资助，2013年入选国家中青年科技创新领军人才，2016年入选万人计划科技创新领军人才，2020年和2021年连续入选Elsevier“中国高被引学者”榜单。先后被授予全国模范教师、全国优秀科技工作者等荣誉称号。指导博士学位论文获全国百篇优秀博士学位论文奖1项和提名奖2项。

主要学术兼职：教育部科学技术委员会第五、六届化学化工学部委员、国家自然科学基金委员会第十三届化学学科评审组成员、中国化学会农业化学专业委员会副主任委员、中国化学会化学生物学专业委员会委员、中国化工学会农药专业委员会委员、中国植物保护学会理事、湖北省化学化工学会副理事长、湖北省植物保护学会副理事长、《农药学学报》和《现代农药》副主编、《农药》、《有机化学》、Chinese Chemical Letters、Journal of Agricultural and Food Chemistry国际顾问编委、Pest Management Science副编辑（Associate Editor）。

杨文超教授简介

华中师范大学教授、博导。2013年入选香江学者计划，2022年获聘华中师范大学桂子学者，2021年获中组部万人计划青年拔尖人才计划资助，2021年获第十四届中国农药创新贡献奖一等奖。长期从事农药的化学生物学以及绿色农药创制研究，在酶的催化机制研究、酶与抑制剂的相互作用，以及靶向酶的生物传感方面取得系统的研究成果。近年来已承担了国家自然科学基金四项、湖北省杰出青年基金和湖北省重点研发计划等科研项目的研究工作。先后在JACS, ACS Nano、JAFC和Anal. Chem.等国际最有影响的学术期刊上发表相关研究论文60余篇，获中国和国际发明专利授权8项。学术兼职方面：中国化学会会员、香港学者协会会员、美国药学会会员，Journal of Analysis and Testing 青年编委, Review editor of Frontiers in Bioengineering and Biotechnology，Review editor of Biosensors。

转自： 植物生理PlantPhysiol

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