论文摘要
自20世纪40年代以来,除草剂就一直被用于农田防除杂草,但是随着长期和大面积的使用,杂草对除草剂的抗性也随之而来,特别是单一靶标的除草剂。抗性杂草的出现,特别是交互抗性,给常规的防除方法带了巨大的困难。同时也使得许多除草剂的使用寿命缩短。例如,澳大利亚麦田抗禾草灵的瑞士黑麦草（A.myosuroides）产生代谢交互抗性,为害面积达0.5×108hm2,并为害其他作物。因此,了解和研究杂草抗药性的发生和形成机理是现代农药开发和研究中的一项重要任务,基于抗性机理的反抗性除草剂设计也显得尤为重要。ACCase是植物代谢过程中催化植物脂肪酸合成的关键酶,它包含有三个亚基,分别为BC、CT和BCCP,其中CT亚基为本论文的研究范畴。CT的生物功能主要为催化乙酰辅酶A形成丙二酸单酰-辅酶A,然后在脂肪酸合成酶作用下形成脂肪酸。APP类和CHD类为CT的两类主要的抑制剂类型,早在80年代这两类抑制剂就被广泛的应用于防除禾本科杂草,但是由于连续使用最终导致了抗性杂草的出现。到目前为止,已经发现有35种禾本科杂草对该类除草剂产生了抗性,主要分布在美国、加拿大、澳大利亚等14个国家。抗性机制主要分为两类:靶酶突变和代谢加速,其中靶酶突变为主要的抗性机制,文献中已报道了多个抗性突变位点。但是对于高等植物中CT的三维结构及其与抑制剂的结合方式仍然未知,分子水平上的抗性机制的研究无法进行。直到2003年,Tong.L等首次报道了酵母中CT的游离型和复合物型的晶体结构,这就为研究高等植物中CT的性质奠定了基础。本论文的主要研究内容如下:首先,通过文献查阅和CT一级序列的网络搜索,选取狗尾草中CT抗性型和敏感型的氨基酸序列,以酵母中CT为模板进行同源模建,经过二聚体构建和分子动力学模拟得到了二者的稳定构象。对比二者的构象,我们发现第695位（等同于另一个单体的142位）氨基酸残基的空间取向是不一致的,在敏感性靶酶（foxACC-2S）中,Ile-695的支链是伸向活性腔外部的,而在抗性型靶酶（foxACC-2R）中,Leu-695的支链是伸向活性腔内部的,从而干扰了蛋白质与抑制剂的结合,产生抗性。这是从分子水平上阐述I695L突变产生抗性的分子机制。同时,我们还采用分子对接的方法研究了敏感型CT与APP类抑制剂的结合方式,发现了两个对抑制剂结合起重要作用的氨基酸残基（Ser-698和Tyr-728）,为合理药物设计奠定了基础。其次,根据2005年Délye等的报道,选取看麦娘中CT的氨基酸序列,以酵母中CT为模板进行同源模建,得到了来源于看麦娘的游离型CT（AJfree）和抑制剂复合型CT（AJcom）的三维结构。通过对比发现,两者的构象变化与晶体结构一致。同时,AJcom模型中受体与配体的结合方式也与晶体复合物类似,从而证明我们所得模型的可靠性。在此基础上,进一步采用手动对接和分子动力学的方法研究了CT与四种APP类抑制剂的相互作用,对每个体系分别进行MM/PBSA和熵的计算,计算得到的结合自由能的定性趋势与实验值一致,进一步从另一侧面证明了模型的可靠性,同时也说明了结合方式是可信的以及采用手动对接研究相似骨架化合物结合方式的方法是可行的。四种APP类抑制剂的结合方式用于后续的抗性机制研究。再次,针对上面的结合方式,采用直接进行氨基酸突变和分子动力学模拟相结合的方法,研究了CT中W374C、I388N、D425G和G443A四个抗性位点的抗性机制。一共进行了16个体系的分子动力学模拟和MM/PBSA及熵的计算。结果显示,与野生型靶酶相比,抗性靶酶对APP类抑制剂的结合力发生了不同程度的下降,从而使得结合自由能减小,最终表现出抗性。对于D425G和G443A两个远距离抗性位点,其抗性机制是通过改变或破坏了388-446段氨基酸残基链的Hbond网络,进而带动了活性腔内重要的氨基酸残基发生构象变化,降低了受体与配体之间的范德华或者Hbond相互作用,从而产生抗性。以上抗性机制研究为进一步的反抗性分子设计提供了良好基础。最后,在上述的16个突变体系中随机选择了hal388和dicl425两个体系开展了反抗性分子设计研究。在不改变抑制剂骨架的基础上,通过改变取代基,调节受体与配体之间的焓变或者熵变,目的就是使得体系的结合自由能增大,克服抗性。结果显示,在haloxyfop分子上把吡啶环邻位-Cl原子取代为-CN,可以增大体系的焓变,而在diclofop分子上把苯环邻位-Cl原子取代为-CH3,可以增大体系的熵变。以上分子设计为进一步开展反抗性除草剂的合成奠定了理论依据。