华中师范大学研究生(华中师范大学研究生院)

华中师范大学研究生，华中师范大学研究生院

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。

图1基于结构和机理的HPPD荧光探针设计及其对非生物胁迫的诊断。

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

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