RNAi：新一代生物农药渗透植保界，农业变革已悄然到来

日期:03-24-2020

RNA 干扰（RNA interference，简称“RNAi”）是指由内源或外源的双链RNA引发的mRNA 降解，导致特异性阻碍靶标基因表达的现象，普遍存在于生物体中。据悉在上世纪90年代，科研人员陆续发现RNAi基因沉默现象，目前已在昆虫学研究领域中得到了广泛的应用。由于RNAi诱导基因沉默具有高效性、特异性以及简便性这些优点，近些年该技术也用在了新型农药开发中。

RNAi防治害虫的原理

RNAi通过干扰与害虫生长发育相关基因的转录和翻译过程，阻止蛋白质的合成，导致害虫的环境适应能力降低或死亡。此类防治方法主要通过害虫取食来内化靶标基因的双链RNA。昆虫摄入与靶标基因具有高度特异性的双链RNA后，该双链RNA在中肠位置被吸收，若沉默的目标基因并非位于中肠，则沉默信号能通过细胞或组织间传导，到达被干扰的靶基因部位进行RNAi。

运用RNAi 技术进行害虫防治所选择的靶基因大致分为5种：害虫致死基因，与害虫抗性和免疫相关的基因（降低害虫对化学农药的抗性），与害虫生长发育有关的基因，与害虫产卵有关的基因，以及与嗅觉相关的基因（干扰害虫对作物的识别）。

目前将双链RNA导入昆虫体内最受欢迎的方式是饲喂法，这种方式操作简单，易于实现，目前该方法已成功应用于褐飞虱（Nilaparvata lugens）、白蚁（Reticulitermes flavipes）、长红锥蝽（Rhodnius prolixus）和玉米根萤叶甲（Diabrotica virgifera）等多种害虫的防治中。饲喂法不需要专门的设备，同时运用该方法对RNAi开展研究也较为便捷。但也有缺点：该方法作用效果慢，并且处在卵和蛹阶段的昆虫因无法取食而不能受用。

RNAi应用于害虫防治中的优势

1）由于双链RNA具有高度特异性，此类产品不会影响非靶标生物。
2）RNA生物农药属于天然存在于环境或生物体内的物质，因此对非靶标生物的潜在危害比化学农药低，此类物质也能通过天然途径降解。
3）可以针对所有种类的有害生物开发此类产品。与Bt技术做对比为例，研究人员发现Bt抗虫转基因作物控制刺吸式昆虫的作用非常有限，因为Bt毒素尚未对此类害虫产生作用。而利用植物介导的RNAi解决了这一问题。

应用RNAi存在的挑战和技术突破

利用RNAi技术防治害虫的商业潜力主要取决于双链RNA传递给靶标害虫的效率，双链RNA是否能稳定存在于昆虫体内，以及作为杀虫饵剂的浓度。这些因素均影响双链RNA产品的使用成本。

对许多企业来说，解决RNA易分解的问题是一大难关。喷洒含有与特定基因序列匹配的双链RNA虽然可以使一些害虫的特定基因关闭，起到治虫效果，但喷剂中的RNA容易降解，功效不够持久，需要频繁使用，因此农民花销大。

自发现RNAi现象以来，科研人员为推动该技术的应用已实现了巨大进展。据《自然 • 植物》报道，澳大利亚昆士兰大学的研究团队研制出可以延长喷剂保护期的技术。该团队将RNA与生产成本低廉的黏土纳米粒子相结合，潮湿的黏土纳米粒子会与空气中的二氧化碳发生反应并逐渐分解，从而缓慢释放 RNA以延长其功效，该技术使得烟草植物对辣椒轻微斑驳病毒具有抗病毒能力长达20天之久，创造了前所未有的纪录。同时，英国剑桥大学长期从事基因沉默技术研究的David Baulcombe也表示，RNA与黏土纳米粒子的结合并不会带来任何安全隐患。

近年来，这一新兴行业出现了拥有前沿技术的企业，通过融资与合作不断深化研发，新技术正不断克服应用RNAi面临的挑战，包括开发出降低产品生产成本的技术等，这些都有利于此类产品应用于生物防治体系中。下面透过近年行业的热门动态，了解业内领先企业的新技术与新产品。

美国环保署批准首个RNAi产品，标志着此类技术将进入市场

2017年，孟山都采用RNAi技术的抗虫转基因玉米SmartStax^® PRO首次被美环保署批准作为杀虫剂使用。公司将特定序列的双链RNA转入植物体中，通过害虫取食转基因作物的途径进入害虫体内，然后引发RNA干扰机制，实现精准抗虫，且不伤及其他生物。孟山都目前将RNAi技术用于玉米根虫的防治。玉米根虫常被称为“十亿美元害虫”，给农户造成了极大的经济损失。孟山都在常规Bt蛋白基础上引入RNAi技术，可有效延缓害虫抗性的产生。

但不少公司应用RNAi并不涉及转基因技术，因此这一新技术也受到了广大反转人士的欢迎。

GreenLight Biosciences独有技术降低生产成本

美国GreenLight Biosciences的GreenWorX技术是公司独有的无细胞生物程序，借此可较快生产出成本效益好的高品质RNA产品，从而克服了业内此类产品生产成本高，生产耗时长，且产品品质难以保障这些问题。其具有针对性的RNA不通过改变动植物的基因发挥治虫功效。产品喷洒到作物叶面上，昆虫食用叶片后，RNA将会在其体内影响进食，最终导致昆虫死亡。

GreenLight Biosciences首席商务官Mick Messman表示，“我们的生产体系可以加快新产品进入市场的步伐。由于耗时与化学农药相比大大缩短，其成本也就有所降低。一旦昆虫的基因组被确定下来，开发产品不过是设计针对这一基因组的RNA序列。”

公司的双链RNA喷剂可用于害虫、杂草和有害真菌的防治。其首个产品适用于防治科罗拉多马铃薯甲虫，将在2020年申请登记，预计会在2022年获得正式登记。

TechAccel的投资与战略合作之路

美国TechAccel是农业技术公司，也是风险投资公司。2017年，公司向全球最大的独立植物科学研究所Donald Danforth Plant Science Center进行投资，用于支持该研究所正在进行的RNAi技术，该技术将用来防治小菜蛾（Diamondback moth）。投资将使研究所能够测试新的输送方式，使该技术能够在各种作物上使用。

2019年，TechAccel对生物技术公司GreenLight Biosciences进行投资，有助于TechAccel推动RNAi技术的应用。据TechAccel首席科学官Fabbri介绍，几年前每克RNA的售价还高达1万美元，田间应用成本太高，而现在GreenLight使每克的价钱低至不到1美元，让RNA作为农药应用成为可能。不久后，TechAccel还投资成立了RNAissance Ag公司，借助独有RNAi技术开发害虫防治喷剂，其研发与Donald Danforth植物科学研究所开展合作。

AgroSpheres生物分子封装技术为产品增效

2018年，美国AgroSpheres与TechAccel公司展开合作，共同研究RNA作为生物农药的输送方式。该研究利用了AgroSpheres独有的生物分子封装技术。此次合作有助于TechAccel在发酵生产双链RNA后，将封装的这些生物分子应用于靶标作物，借此防治鳞翅目害虫。同年，AgroSpheres也与GreenLight Biosciences开展合作，将其封装技术用于GreenLight双链RNA的输送上。

AgroSpheres生物分子封装技术：1）封装入生物活性分子，2）保护活性物质不受恶劣环境（包括RNA降解酶）的影响，3）使活性物质持久释放，4）膜上镶嵌蛋白质使活性物质黏附于植物叶片或昆虫上，确保农药触及靶标同时减少非靶标的接触。

Renaissance BioScience提交酵母生产RNAi专利申请

领先生物工程公司Renaissance BioScience于2019年向美国专利商标局（PTO）提交了采用酵母技术生产和输送RNA生物活性成分的专利申请。使用酵母技术的益处甚多。酵母生产、输送的RNAi活性物质在环境中相对不易降解。此外，酵母可以很容易地通过营养供应进行管理，许多昆虫、牲畜、水产养殖物种以及人类也食用酵母。另外，利用酵母进行生产容易且便宜，而且这是一种无处不在、安全且被人熟知的微生物。

Renaissance BioScience的首席科学官Matthew Dahabieh博士介绍道：“专利申请是我们研发酵母生产RNAi技术的一个重要里程碑事件。尽管仍有许多工作要做，但这已是RNAi技术在生物防治和生物治疗药物领域激动人心的成就。”
 
拜耳RNAi产品已递交登记申请

2019年，拜耳向美国环保署提交了新产品BioDirect，以双链RNA进行登记，用于防治瓦螨——对世界养蜂业威胁最大的有害生物。这是向美国环保署提交的第一份该行业外源应用的RNA生物农药活性成分。

RNAi前景

目前的研究显示，通过叶面喷施、树干注药和灌溉方式施用RNAi产品是可行的，其他施用方式，如种子包衣，还需要进一步研究。

未来RNA制剂技术不断改进也将会提高RNAi的功效和田间稳定性，可借此替代化学农药，或与化学农药联合使用，以减少农业对有害合成农药的依赖。

伴随科研进展，有害生物的基因序列不断被发现，人们对RNAi的作用机理有越来越多的认识，以及RNAi生产成本及功效进一步改善，此类特异性高，环境友好的新型生物农药，将在害虫防治领域发挥越来越重要的作用。Mordor Intelligence的研究数据显示，到2024年以前，该RNAi产品市场年复合增长率将达10.12%，美国是RNAi产品的最大市场，而亚洲则是增长速度最快的地区。

农科院植物保护研究所邱德文副所长曾表示，未来生物农药的发展趋势将包括RNA干扰技术、土壤健康修复技术和植物免疫诱导技术等热点研发领域。其中RNA干扰技术是目前国际前沿技术，国外已相继推出具备该技术的产品，而国内虽有上海生命科学院、中山大学和南京大学等机构在做相关研究，但尚未将研究成果转化为产品。

孟山都公司亚洲及非洲区首席执行官Jagresh Rana认为，包括RNAi在内的颠覆性新技术正向农业领域不断渗透，农业的下一次变革，已经悄然到来。

AgroPages世界农化网独家稿件，转载请注明版权!