农药是现代农业生产过程中的重要生产资料，提高农药利用效率有助于降低农药使用量及其环境风险。农药在作物体内的吸收传导过程对农药高效精准靶向沉积尤为重要，但该过程受细胞膜上载体蛋白的制约。解析膜蛋白调控农药跨膜转运的机制可提高植物体内农药的靶向性和吸收传导效率，为农药精准减量及高效利用技术的研发提供理论依据。

近日，我院质量安全所农产品产地有机污染减控创新团队在农药吸收传导机理研究方面取得重要进展，研究成果以“Two aquaporins, PIP1;1 and PIP2;1, mediate the uptake of neonicotinoid pesticides in plants”为题在线发表于植物科学领域权威期刊《Plant Communications》。研究发现水通道蛋白介导了新烟碱类农药在作物体内的跨膜运输。万群副研究员为该论文第一作者，余向阳研究员为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、江苏省农业科技自主创新、国家重点研发计划等项目的资助。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346224000506。

研究在发现新烟碱类农药（NEOs）主要富集在植物细胞膜以内的基础上，首先通过跨膜运输抑制剂实验证实水通道蛋白抑制剂显著抑制NEOs在细胞内的积累，说明水通道蛋白在转运NEOs中发挥重要作用；其次，通过转录组及RT-qPCR筛选获得两个候选水通道蛋白 PIP1;1和PIP2;1；然后，通过拟南芥和水稻突变体材料明确PIP1;1和PIP2;1具有吸收转运NEOs的生物学功能（图1）；进一步通过非洲爪蟾卵母细胞、酵母细胞、拟南芥、水稻过表达PIP1;1和PIP2;1以及原生质体实验，明确PIP1;1和PIP2;1介导 NEOs的跨膜运输。最后，通过双突变体材料和蛋白互作实验，确定PIP1;1和PIP2;1可以通过形成异源四聚体的形式运输NEOs。

图1  PIP1;1和PIP2;1调控新烟碱类农药吸收转运的生物学功能

为解析水通道蛋白与NEOs的相互作用机理，团队成员进一步通过拉伸动力学模拟及分子对接模拟，发现NEOs的吸收传导效率与农药分子通过BraPIP1通道的能量势垒有关（图2）。

图2  PIP1;1和PIP2;1与NEOs相互作用机理

研究首次证实水通道蛋白在新烟碱类农药的跨膜运输过程中发挥重要功能，进一步拓展了植物农药吸收传导机理（图3），研究结果有助于深入理解农药吸收传导行为的本质，为未来改善农药在作物体内的吸收传导性能提供重要理论依据。

图3  PIP1;1和PIP2;1跨膜运输NEOs的示意图

质量安全所农产品产地有机污染减控创新团队长期从事农药污染风险评估及污染减控技术研发工作，近年来重点围绕农药使用源头减控，从解析农药植物吸收传导机制入手研发高效靶向施药技术，已在Plant Communications、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Science of the Total Environment、Ecotoxicology and Environmental Safety等国际权威期刊上发表系列论文。基于吸收机制解析，研发了农药吸收促进助剂系列产品，授权美国国际专利两件（专利号：US11414465B2 ，US11629359B2），可广泛应用于种子处理、农药喷雾等场景需求，提升农药植物吸收利用率。