大连理工大学生物工程学院科研团队在昆虫表皮形成机制与绿色农药靶标发现方向取得新突破

近日，生物工程学院刘田教授团队在《科学》子刊《科学进展》（Science Advances）上发表题为“昆虫特异性醛合酶调控表皮强度：选择性杀虫剂靶标”（Insect-specific aldehyde synthase governs cuticle strength:a selective insecticide target）的研究论文。我校博士研究生丁艺、庞子涵以及已毕业硕士研究生胡雪为论文共同第一作者，刘田教授为通讯作者，我校为第一完成单位。

该研究阐明了昆虫表皮鞣化交联的关键机制，揭示了节肢动物登陆演化的分子证据，并据此开发出兼具高杀虫活性与水产生态安全性的绿色先导化合物。这是该团队在昆虫表皮形成机制解析及绿色农药靶标发现领域取得的又一重要突破。节肢动物是地球上演化最为成功的动物门类，已知物种占动物界总数的80%以上，其繁盛很大程度上归功于由几丁质和蛋白质构成的多功能外骨骼。为适应不同生存环境，水生与陆生节肢动物演化出了截然不同的外骨骼加固策略：水生类群（如虾、蟹）主要依赖碳酸钙矿化，而陆生类群（如昆虫）则采用以儿茶酚氧化交联为核心的“鞣化”策略，实现了“轻质与坚固”的完美兼顾，为昆虫适应陆地环境及飞行提供了生理基础。传统理论认为表皮鞣化主要依赖多巴胺衍生的交联前体（NADA、NBAD等），近年来3,4-二羟基苯乙醛（DHPAA）被发现是一种新型前体，但其合成酶（DHPAAS）在鞣化过程中的确切功能与分工长期未明。

本研究的技术路线与核心创新点

本研究在三种代表性昆虫中首次证实，DHPAAS介导的化学交联对昆虫表皮机械强度的形成起决定性作用，沉默该基因会导致表皮力学性能大幅下降并致死，从根本上完善并重塑了昆虫表皮鞣化机制的现有范式。分子进化分析进一步揭示，DHPAAS仅特异性分布于昆虫等陆生节肢动物中，在虾、蟹等水生节肢动物中完全缺失，表明该酶与漆酶类似，是节肢动物从海洋走向陆地演化历程中的关键分子演化标记。

由于参与昆虫表皮形成的关键蛋白在高等动植物及水生生物中不存在同源物，是创制高选择性绿色农药的理想靶标。团队进一步深入解析了DHPAAS的蛋白质结构功能关系与催化机理，基于其活性口袋构建了虚拟筛选模型，成功筛选出具有显著杀虫活性的植物源天然产物—2,5,2′,4′-四羟基查尔酮。生物活性评估表明，该分子在高效杀灭农业害虫的同时，对虾、蟹等水生节肢动物及鱼类展现出极高的安全性，打破了传统杀虫剂难以兼顾防效与水生生物安全的瓶颈，为破解我国“稻-虾共作”“稻-蟹共作”等生态农业综合种养中的“虫药矛盾”提供了极具产业化前景的先导化合物与解决方案。

刘田教授团队长期致力于昆虫表皮形成机制与绿色农药靶标发现的前沿交叉研究，团队负责人入选国家高层次人才特殊支持计划，并受邀担任农业与食品化学领域顶级期刊《农业与食品化学杂志》（Journal of Agricultural and Food Chemistry）副主编。该研究开辟了以昆虫表皮鞣化关键酶为靶标的新型绿色农药研发方向，贯通了“机制解析—靶标确证—分子创制”的完整创新链条，为我国生态农业高质量发展和农业绿色防控提供了强有力的科技支撑。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh0368

来源：生物工程学院
编辑：袁明馨 常思萌