新型有机催化策略助力抗马铃薯 Y 病毒研究取得突破

为解决植物病毒威胁粮食安全问题，研究人员开展抗马铃薯 Y 病毒（PVY）研究，发现 (R)-3w 有抑制作用，意义重大。

　　在全球人口持续增长的大背景下，粮食安全问题愈发严峻。气候变化带来的极端天气，使得农作物时常面临减产风险，病虫害的侵袭更是雪上加霜。其中，由植物病毒引发的病害对全球粮食安全构成了严重威胁，研发新型抗病毒农药迫在眉睫。马铃薯 Y 病毒（PVY）作为一种极具破坏力的植物病原体，广泛危害马铃薯、辣椒、番茄等茄科作物，给农业生产造成了巨大的经济损失。目前，针对 PVY 的防治面临诸多难题，如媒介昆虫蚜虫对杀虫剂产生抗性，现有抗病毒药物的分子靶点重复，导致防治效果不佳。

在此背景下，山东农业大学的研究人员积极开展研究，致力于寻找新的抗病毒策略。他们的研究成果发表在《Research》上，为 PVY 的防治带来了新的希望。

研究人员运用了多种关键技术方法。在合成方面，采用 N - 杂环卡宾（NHC）催化反应合成一系列新型邻苯二甲酸酯醚；通过分子生物学技术，构建野生型和突变型 PVY 的相关质粒，并进行表达和纯化；利用分子对接和分子动力学模拟，探究化合物与蛋白质的结合模式和稳定性；借助微尺度热泳（MST）技术，测定化合物与蛋白质的结合亲和力；运用 RNA 提取、逆转录聚合酶链反应（RT - PCR）和定量逆转录聚合酶链反应（RT - qPCR）以及蛋白质免疫印迹（Western blotting）分析，检测病毒在植物体内的积累情况。

一、合成方法学研究
研究人员以苯酚（1a）和醛（2a）为标准底物，在 NHC 前体 A 和氧化剂醌（DQ）的作用下进行反应。通过对催化剂、碱、溶剂、温度等反应条件的优化，确定了最佳反应条件。在该条件下，各种苯酚和取代邻苯二甲醛均可发生反应，生成具有较高产率和对映体比率的产物。无论是带有吸电子基团、供电子基团的苯酚，还是天然酚类化合物，都能很好地兼容该反应。并且，该反应还可在克级规模进行，展现出良好的扩展性。研究人员推测其反应机理：NHC 前体在碱性条件下脱质子生成活性 NHC，与邻苯二甲醛反应形成 NHC 结合中间体 I，中间体 I 与酚类底物发生亲核加成，生成两种立体化学不同的中间体 II 和 III，由于手性 NHC 框架的空间位阻，动力学上更倾向于生成中间体 III，随后经过加成 - 消除步骤生成中间体 IV，释放出自由 NHC，重新启动催化循环，得到目标产物 3。

二、抗 PVY 活性评估
为了评估合成产物的实际应用价值，研究人员对所有合成产物进行了抗 PVY 活性测试，以宁南霉素和利巴韦林作为阳性对照。结果发现，部分合成的异苯并呋喃 - 1（3H） - 酮衍生物表现出良好的抗病毒活性，其中化合物 (R)-3w 的治疗效果显著优于两种商业抗病毒药物。通过对不同化合物的结构 - 活性关系分析发现，具有天然生物活性的酚类化合物合成的手性异苯并呋喃酮衍生物，对 PVY 表现出不同程度的保护、治疗和灭活效果。取代基的空间位阻对化合物的抗病毒活性有重要影响，例如，用噻吩酚取代苯酚可增强对 PVY 的灭活活性。此外，研究人员还对 (R)-3w 的对映体 (S)-3w 和外消旋混合物 (Rac)-3w 进行了测试，发现 (R)-3w 的 EC₅₀值明显低于其对映体和外消旋体，表明其具有更强的抗病毒活性。

三、抗病毒作用机制研究
目前，抗病毒农药的作用机制主要有两种，一是作为植物免疫诱导剂激活植物的先天免疫反应，二是直接灭活病毒的复制、运动和感染。研究人员推测 (R)-3w 可能通过作用于 PVY 的核包含体 A（Nia）蛋白发挥抗病毒作用。通过同源建模构建了 PVY - Nia 的三维结构模型，并进行分子对接，结果显示 (R)-3w 与 PVY - Nia 形成多种相互作用，包括与 H150 的 π - 阳离子和 π - 烷基相互作用以及盐桥，I124 与化合物发生 π - σ 相互作用。H150 突变后，结合能显著变化，表明 H150 在维持结合稳定性中起关键作用。分子动力学模拟进一步证实了 (R)-3w 与受体蛋白结合的稳定性。通过微尺度热泳实验发现，(R)-3w 与 PVY Nia^WT具有较强的结合亲和力，而与 PVY CP^WT的结合较弱，且 (R)-3w 与突变体 PVY Nia^H150A的结合亲和力明显降低，表明 (R)-3w 靶向 Nia 而非 CP，且其结合能力具有构型依赖性。在体内实验中，研究人员构建了突变质粒 pCamPVY Nia^H150A-GFP，并将其导入本氏烟（Nicotiana benthamiana）植物中。结果发现，接种突变体的植物几乎没有出现明显的叶片症状，且病毒积累量显著低于接种野生型病毒的植物，表明 H150 残基对 PVY 在植物体内的系统感染和增殖至关重要。综合以上结果，研究人员提出 (R)-3w 通过与 Nia 的 H150 位点结合，影响其切割多聚蛋白的能力，进而减少介导病毒复制复合物（VRC）形成的下游蛋白质的数量或功能，最终抑制病毒在宿主内的正常增殖，实现抗病毒效果。

研究结论表明，研究人员成功开发了一种 NHC 介导的功能化反应，合成了一系列具有良好转化率和立体选择性的邻苯二甲酸酯醚衍生物。筛选出的潜在手性抗病毒分子 (R)-3w，通过结合 Nia 的 H150 残基，影响其切割多聚蛋白的功能，抑制病毒增殖。该研究为 PVY 的防治提供了新的候选分子、合成方法和全新的靶蛋白，为开发新型抗病毒农药奠定了坚实基础，有望在未来农业生产中发挥重要作用，有效应对植物病毒对粮食安全的威胁。