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代谢产物农药申嗪霉素系列产品研发与应用进展

何亚文  张红艳  
【摘要】:农药是全球必需的生产资料,生物农药具有低毒、低残留和作用靶标特异性强等特点,发展生物农药是践行"绿水青山就是金山银山"理念、保障食品安全和农业可持续性发展的重要环节。上海交通大学-上海农乐生物农药与生物肥料联合研发中心、微生物代谢国家重点实验室相关团队长期坚持微生物代谢产物农药研发。首先从甜瓜根际假单胞菌中鉴定了具有广谱抗菌活性的代谢产物吩嗪-1-羧酸(PCA),中文通用名为申嗪霉素。通过多年基础研究,克隆了申嗪霉素生物合成基因簇phz1和phz2,阐明了申嗪霉素生物合成途径。通过系统的遗传、代谢与合成生物学改造,申嗪霉素发酵效价提高80多倍。上海农乐生物制品有限公司发明了申嗪霉素水相提取工艺,完成了工程菌株大罐发酵条件优化,研发了适合申嗪霉素的悬浮剂剂型,成功实现产业化。目前,1%申嗪霉素悬浮剂已经获得防治9种作物真菌病害的农药登记证,推广与应用进展良好,药效受到用户好评。吩嗪-1-甲酰胺(PCN)是假单胞菌胞内一个新型代谢产物,由酰胺转移酶PhzH以PCA为前体衍生和修饰而来,它的杀菌活性比PCA高5~10倍,且在中性和碱性条件下抑菌杀菌效果更佳。PCN还能有效诱导水稻和大豆等重要农作物产生免疫反应。为了提高吩嗪-1-酰胺的发酵效价和最适发酵温度,上海交大团队重新注释了phzH的编码区和启动子区域,发现phzH启动子活性低是吩嗪-1-甲酰胺低产的主要原因。通过RNA转录组学分析发现了一个受群体感应机制调控的高效表达基因rhlI,其启动子PrhlI在37℃条件下的活性比28℃条件下高2.2倍。利用这个启动子PrhlI替换phzH和phz2基因的启动子,并改造其他参与吩嗪-1-甲酰胺生物合成基因phz1的启动子,得到在37℃条件下高产吩嗪-1-甲酰胺的工程菌株UP46。UP46在优化的培养基中发酵效价比原始菌种提高100倍以上。为了改进申嗪霉素的水溶性,联合研发团队进一步改造了假单胞菌内吩嗪类衍生物的生物合成途径,从链霉菌中引入2个修饰基因,成功得到水溶性和抑菌活性均表现良好的衍生物,正在通过合成生物学手段提高其发酵效价。

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