一文读懂变革性产品——核酸农药

日期:03-29-2024

世界农化网中文网报道：2023年12月22日，美国环保署发布公告，正式批准登记了全球首个核酸农药——可喷洒的RNA生物农药，一时引发业界热议。这款新型农药商品名为″CalanthaTM″，是美国″绿光生物科学（Greenlight Biosciences）″公司的产品，专门用于防治马铃薯头号害虫——马铃薯甲虫。核酸农药的研发上市，为马铃薯甲虫防治带来了新的曙光。这家公司还在积极研发针对白粉病和灰霉病的核酸农药产品。

全球首款核酸农药批准上市

与化学农药截然不同，核酸农药通过在有害生物体内引发″RNA干扰″而克敌制胜，被认为是安全、绿色、高效的新型农药。那么问题来了，什么是RNA干扰？

天机玄妙的RNA干扰

要解释RNA干扰，必须先从DNA讲起。DNA是大家熟知的遗传信息携带者，它的学名叫″脱氧核糖核酸″，我们经常能在科普雕塑或图片中见到它那两条链、螺旋状的经典形象。而名气稍逊一筹的RNA学名叫″核糖核酸″，是与DNA颇为相似的另一种核酸。

实际上，DNA通常待在细胞核里运筹帷幄，而传递″圣旨″则必须依靠RNA这位兄弟。DNA将自身携带的基因信息″编写″成一段段RNA分子，每个基因就有了专属的″信使″。信使RNA带着基因指令穿出细胞核来到″生产车间″，指挥″分子机器″合成蛋白质，基因的信息得以″表达″，再由形形色色的蛋白质在生物体内完成纷繁复杂的功能。

RNA干扰，是科学家在20世纪90年代发现的奇特现象。和DNA的双链结构不同，信使RNA是一条单链。而RNA与DNA十分类似，也能与互补的另一条RNA匹配形成双链。当细胞中出现不同寻常的双链RNA时，一种切割酶会带着尺子和剪刀找上门来，将它精确无误地切割成特定长度的小片段。

更为神奇的是，这些双链RNA小片段会在另一些蛋白的帮助下，解开双链变成单链，去执行搜寻与摧毁的任务。它能在千万条信使RNA中准确找到与自己互补配对的，结合形成双链。一旦信使RNA不幸带上了这个奇特的标记，就成为了RNA降解酶的靶子。降解酶仿佛一把无情的剪刀，将信使RNA剪断，使它再也无法合成蛋白质。这样，基因的正常表达受到了干扰，也可以说发生了″基因沉默″。

RNA干扰机制的简化示意图

RNA干扰被认为是本世纪以来最重要的生物学发现之一，美国科学家安德鲁·法尔（Andrew Fire）和克雷格·梅洛（Craig Mello）由于揭示了RNA干扰的″天机″而获得2006年诺贝尔生理学或医学奖。

一些生物能运用这套精巧的RNA干扰本领来对付病毒——通过自身产生与病毒基因匹配的双链RNA，引发RNA干扰，从而使入侵的病毒发生基因沉默。科学家们意识到这一现象极富启发性，能否使农作物通过RNA干扰来抵抗病虫害呢？

转基因RNA干扰农作物

通过转基因技术，使农作物自身产生针对病原生物的双链RNA，的确能够启动RNA干扰程序，杀死病原生物或抑制其生长繁殖。美国环保署于2017年首次批准了RNA干扰转基因玉米MON87411，它由孟山都公司（后被拜尔公司收购）开发，对破坏性极强的害虫″玉米根萤叶甲″有显著防效，随后在多个国家获得种植许可。

近年来，科学家报道了一种利用植物叶绿体表达双链RNA的新技术，使得双链RNA的积累水平提高了10,000倍，为害植物的马铃薯甲虫和茄二十八星瓢虫在4天内全部被杀死，大大提升了抗虫水平，显示出巨大的应用潜力（参考文献2）。

可喷洒核酸农药

RNA干扰技术虽好，然而开发转基因作物费时费力，安全性评价复杂而漫长。于是有人灵光闪现，提出一个大为简化的设想——如果将双链RNA作为农药直接喷洒在作物表面，能不能同样防控有害生物呢？答案是肯定的。

喷洒在作物表面的双链RNA可以直接进入害虫或病菌细胞内，或随着害虫取食植物叶片而被摄入。双链RNA也可以被作物吸收，当病菌或病毒入侵到作物细胞内后，将遭到这些分子″守军″的抵御。除了向叶面喷洒外，核酸农药还可以通过根茎与树干注射、种子处理、土壤浇灌等多种方式施用。

治虫防病效果理想

RNA干扰现象一经发现，头脑敏锐的科研人员就启动了核酸农药的研究和开发。国际上几大农药公司，如拜尔、孟山都、先正达、巴斯夫等，均投入大量人力和财力，在这一新兴领域展开激烈竞争。

最早用于核酸农药研究的害虫是小菜蛾，针对它的一个重要基因——乙酰胆碱酯酶基因设计了双链RNA。用喷洒了双链RNA的油菜叶片喂食小菜蛾幼虫，死亡率达到约60%，效果不错（参考文献3）。接着，针对玉米根萤叶甲、大豆蝽象、烟粉虱等多种害虫的核酸农药研究都取得了积极进展。在一些害虫中，还发现RNA干扰引起的基因沉默现象可以延续到后代（参考文献4）。

并非所有种类的害虫都容易发生RNA干扰，对于那些天生降解RNA能力强，或双链RNA不容易进入体内的害虫，核酸农药往往无可奈何。对农业生产威胁最大的鳞翅目害虫（蛾类和蝶类），以及蝇虫、蚊虫等双翅目害虫，核酸农药的效果往往不如鞘翅目害虫（甲虫类）。而对于不同种类的半翅目害虫，如蚜虫、蝽类、叶蝉、粉虱等，核酸农药效果则差异很大。

双链RNA还能有效应对多种作物病菌，如导致赤霉病的禾谷镰刀菌，导致黄萎病的大丽轮枝菌，以及灰霉病菌、油菜菌核病菌等。双链RNA可以通过真菌细胞壁的孔隙进入，或通过细胞″内吞″摄入，也可以首先被植物细胞吸收，再传输到真菌细胞中实施干扰。人们发现，除了喷施核酸农药的部位，在作物其他部位，病菌生长也能受到抑制。请注意，这是一个十分重要的现象，说明双链RNA被作物吸收后能在其体内转运扩散，那就不必用农药给植株喷个遍了。

核酸农药防治作物病毒病也大有可为。双链RNA诱导的病毒基因沉默，在辣椒轻斑驳病毒、苜蓿花叶病毒、烟草蚀刻病毒、马铃薯Y 病毒等多种病毒上都获得了成功。

农药界的优等生

核酸农药的本事，说到底靠的是RNA专一性的识别配对。针对某种有害生物的某个特异基因设计核酸农药，就可以实现防治对象的高度专一性。而传统化学农药最大的弊端，正是对防治对象缺乏选择性，杀死害虫的同时也可能″误伤″天敌、蜜蜂或其它生物。核酸农药特异性高，必然杀灭谱窄，农业生产中或许需要同时防治多种有害生物，此时可以利用它们共有的靶基因，设计出广谱核酸农药。

与化学农业的低选择性相比，核酸农药具有高度特异性

开发核酸农药时，可以针对不同靶基因进行多种灵活设计，与传统化学农药和转基因作物相比，研发成本低、周期短，更为便捷。

RNA是生物体内普遍存在的分子，在环境中快速降解，残留和污染问题几乎可以忽略，完全符合公众对于绿色农药的需求，是防治病虫害的理想药剂。

近年来，化学农药大范围频繁使用，导致有害生物抗药性问题频发，防治效果随之不断下降。如果替代使用核酸农药，将有助于治理化学农药抗性问题。不过，一旦病原生物的靶基因发生显著变异，也可能对核酸农药产生抗性。但由于RNA配对有一定的″容错率″，不完全配对仍能产生RNA干扰，因此产生抗性的几率很低。有害生物还可能通过其他招数来抵抗核酸农药，如降低双链RNA吸收效率、提高靶基因表达量、合成抑制RNA干扰的分子等，但获得这些″超能力″实在太难，产生抗药性的几率远低于化学农药。

尺有所短、寸有所长

核酸农药并非完美，它的应用受到许多因素影响，首当其冲的是环境稳定性。RNA是娇贵的分子，环境中和生物体内的核酸酶能降解它，紫外线、高温和酸碱性环境能破坏它，风吹雨淋也会使药剂损失。此外，不同作物、不同病原生物对双链RNA的吸收效率和传递方式各异，造成RNA干扰效果不尽相同，例如一些害虫和微生物由于表面有较厚的屏障，核酸农药便难以进入。

影响核酸农药效果的外界因素

为了解决这些问题，科学家研发出纳米载体，作为核酸农药的运载工具。纳米载体可以保护RNA免遭紫外线和核酸酶破坏，还能提高进入细胞的效率，促进在细胞内扩散，堪称核酸农药的最佳″伴侣″。不过，当使用纳米材料作为核酸农药载体时，必须考虑其潜在的环境和健康风险。

生产双链RNA的成本较高，成为核酸农药开发的一大障碍，也是决定能否实现田间应用的关键因素之一。双链RNA生产有微生物发酵和体外合成等方式，通过优化技术工艺，美国某公司的生产成本已从最初的每克1.2万美元骤降至每克0.5美元。通常双链RNA的田间用量非常低，每亩不超过1克，这样的成本完全能满足规模化应用的要求。

几个关键问题

靶基因的选择直接决定了核酸农药的效果。RNA干扰引发的基因沉默可能不完全，因此必须选择对病原生物来说举足轻重的基因，只要表达量有所下降，就能产生致命影响。

RNA配对的″容错率″，使核酸农药RNA不仅能与靶基因的信使RNA结合，也可能与序列相似但不完全相同的其它信使RNA结合，导致其它基因发生沉默，这种现象称为″脱靶效应″。为了确保RNA干扰的高特异性，防止脱靶效应″误伤″天敌或其他生物，需要仔细选择靶基因并设计好RNA分子。

对于大嚼大咽的″咀嚼式″害虫来说，喷洒在植物表面的核酸农药容易摄入；但对于以刺针吸食的″刺吸式″害虫，需要植物汁液中存在双链RNA；对于在植物体内生长繁殖或复制的真菌和病毒，则需要核酸农药进入植物内部。植物表皮的蜡质和角质层、细胞壁、细胞膜都对核酸农药构成了障碍，双链RNA能否顺利进入植物体内并传输扩散，是影响药效的重要因素，也是研发产品时需要仔细考虑的关键点。

展望

核酸农药已列入《″十四五″全国农药产业发展规划》，被确定为优先发展的新一代绿色农药。全球多家公司都在积极布局喷洒型核酸农药产品研制，预计将在未来10年内陆续上市。我国在相关产品开发和商业化方面明显滞后，目前尚无成熟产品问世。

面对国际竞争，迫切需要加大核酸农药研发力度，突破低成本生产技术，制定积极的许可政策法规，加快推进商品化。也许在不久的将来，核酸农药将一改作物病虫害防治的传统方式，为农业生产带来一场技术变革。

参考文献：

1. 关梅，晁子健，闫硕，等.RNA农药的研究现状和发展前景。《现代农药》，22（2）：11-18,2023

2. S. Li, D. Kim, J. Zhang, Plastid-mediated RNA interference: a potential strategy for efficient pest control. Plant Cell Environ., 2023, 46(9):2595-2605

3. D. Cagliari, N.P. Dias, D.M. Galdeano, et al., Management of Pest Insects and Plant Diseases by Non-Transformative RNAi. Front. Plant Sci., 2019, doi: 10.3389/fpls.2019.01319

4. S. Liu, M. Jaouannet, D.A. Dempsey, et al., RNA-based technologies for insect control in plant production. Biotechnol. Adv., 2020, doi:10.1016/j.biotechadv.2019.107463

5. B.T.L. Hoang, S.J. Fletcher, C.A. Brosnan, et al., RNAi as a Foliar Spray: Efficiency and Challenges to Field Applications. Int. J. Mol. Sci. 2022, doi:10.3390/ijms23126639

6. D. Niu, R. Hamby, J.N. Sanchez, et al., RNAs-a new frontier in crop protection. Curr. Opin. Biotech. 2021, doi:10.1016/j.copbio.2021.06.005