近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了来自西班牙瓦伦西亚理工大学，植物分子与细胞生物学研究所题为insect pest management in the age of synthetic biology的综述，本文展示了合成生物学和生物技术的进展如何为虫害控制提供新的选择。并讨论了在转基因作物和昆虫种群方面的新兴技术，研究了生物制造方面的进展，这些进展使害虫控制新产品的生产成为可能。

　　节肢动物害虫每年造成全球作物损失的20%，这一数字预计将在气候变化中增加，许多物种的分布范围预计将扩大。数千年来，人类使用越来越复杂的化学配方来控制害虫，但随着农业规模扩大，人们越来越担心农业做法对生物多样性的负面影响。虽然生物解决方案，以前在害虫管理中扮演相对次要的角色，但生物技术为许多控制害虫的新方法打开了大门。近年来，计算技术和生物技术的进步提供了几种合成化学品和第一代转基因植物的替代品。这些方法有望提供更可持续和持久的解决方案。在文中评估了这些新技术带来的机遇和挑战，并指出要实现真正的突破，生物技术创新需要确保农业在社会上、经济上、为日益认识到生物多样性和环境价值的社会提供环境可持续性服务。

1  新一代的抗虫作物

　　在抗虫Bt作物中，杀虫活性是由编码偶孢结晶原蛋白（俗称Cry蛋白）的基因表达提供的。9种不同的Cry蛋白已经被用作转基因，但昆虫种群已经开始进化出对所有转基因的抗性。工程基因抗性的另一种策略是去除易受病原体感染的基因（S基因）。基因组编辑技术，如源自细菌CRISPR系统的基因编辑技术，已成功应用于广泛的作物，并可通过删除基因或将误义突变引入相关基因来消除特定基因产物的积累。在全球几个司法管辖区，基因编辑作物可以在比转基因作物更少的监管障碍下进入市场。这可能使基因组编辑方法对开发新一代抗虫作物比转基因作物更具吸引力。

2  RNA干扰防治害虫

　　另一种方法是利用RNA干扰（RNAi）机制为植物提供能够下调以植物为食的昆虫的基本基因的分子。RNAi监管机制存在在许多真核生物,使用双链RNA的稳定控制（图1）。RNAi技术首次应用于农业害虫控制是在十多年前发表的。这种方法最具挑战性的部分是使昆虫能够有效地摄取dsRNA。生产和交付dsRNA的两种选择已经被证明。第一个是来自作物基因组的dsRNA的转基因表达，称为宿主诱导基因沉默（HIGS，图1A）。在这种方法中，以作物为食的昆虫将消耗dsRNA。在第二种方法中，使用异种表达系统产生高浓度的dsRNA，纯化后，作为叶面喷剂应用于虫害作物。这种方法被称为喷雾诱导基因沉默（SIGS，图1B）。在这两种方法中，在目标物种中，目标基因将被沉默（图1C）。然而，RNA的固有不稳定性虽然确保了dsRNA不会在环境中持续存在，但在严酷的环境条件下是有问题的，限制了SIGS方法的机会。此外，虽然一些害虫迅速吸收dsRNA导致高死亡率，但在其他物种中，低dsRNA吸收和核酸酶降解导致效率低下的结果。这些方法的成功还取决于昆虫赖以为生的组织中是否积累了足够数量的双链RNA。正在进行的研究通过开发新型喷雾配方来解决dsRNA的稳定性和吸收问题，其中许多使用的是纳米材料。最后，虽然序列可用性的快速增加提高了设计特定物种的dsRNA的能力，但人们仍然担心对非目标生物体的不利影响，以及昆虫如何进化出耐药性的重大问题。这些关注为监管部门和公众对这些办法的审议提供了信息，并可能有助于推迟或限制它们在一些世界区域的部署。

图 1  RNA干扰（RNAi）介导的害虫防治方法

3  控制昆虫种群的遗传方法

　　遗传昆虫控制方法的使用可以追溯到20世纪上半叶，当时通过释放经辐射消毒的初级螺旋虫取得了令人印象深刻的结果。在这种被称为不育昆虫技术（SIT）的方法中，不育的雄性与野生种群竞争与雌性交配，而雌性则无法产生可存活的后代。然而，SIT可能是困难的，因为受辐射的雄鱼的健康状况通常会受到影响。此外，它还带来了操作上的挑战，包括需要在放生前将雄虫分开，以避免雌虫对作物造成损害，以及大量非不育昆虫可能无意中从饲养设施放生的风险。为了解决这些问题，提出了释放具有显性致死特征昆虫（RIDL）的策略。这通常包括饲养和释放昆虫携带可抑制显性致死转基因的。为了使这些种群的繁殖成为可能，采用了性别特异性的条件显性致死率。这使得雌性昆虫在释放前通过撤销抑制因子被选择性地消灭。最近，基因驱动被提出用于促进将理想性状引入野生种群。基因驱动使高于孟德尔遗传率的等位基因传播到种群中。这种方法可用于任何一种种群（图2A和D）。基因驱动的成功应用是在一种高度入侵的作物害虫——果蝇身上开发了一种母性效应显性胚胎阻滞（Media）。这包括在含media的胚胎发育过程中表达的miRNA（毒素），它阻止了胚胎发育所必需的蛋白质的合成，以及在含media的胚胎中表达的目标基因的miRNA抗性副本（解毒剂）（图2C）。随着靶向诱变的分子工具变得可用，人们提出了几种不同的构建和部署合成基因驱动的策略。CRISPR基因驱动已经在D. melanogaster以及两种疟蚊（疟疾寄生虫的载体）中进行了测试，抑制了A. gambiae的繁殖，并阻止了A. stephensi的寄生虫发育。昆虫与微生物的共生关系也可用于抑制害虫种群和基因驱动。遗传方法在害虫防治中的应用众说纷纭。虽然使用辐照昆虫的SIT项目之前几乎没有遇到阻力，但释放转基因昆虫却遭到了批评。人们对基因驱动的固有普遍性和潜在不可逆性提出了担忧，提出了比例问题。已经发现了对使用基因驱动的支持，当用于控制非本地害虫物种时，或者如果它们包含限制驱动传播的机制，则会更高。因此，有可能是自限性基因驱动系统的发展，例如under dominance或菊花链驱动器）（图2E和F）可以提供更广泛的部署选项这些技术在未来，特别是针对侵入性和非害虫。

图 2  昆虫种群遗传控制策略

4  生物制造害虫防治产品

　　生物制造技术是一种新兴技术，在不产生或很少化学废物的情况下，为大规模生产复杂分子提供了潜力。直接或叶面应用生物制造的分子，无论是从它们的生产生物体中提纯或半生物合成的，可能会比基因工程作物遇到更少的监管障碍。迄今为止，最重要的进展是利用微生物作为基础，为健康和工业生产生物天然产品，包括已知的驱虫剂诺卡酮和西布利烯醇。然而，植物也被设想为生物生产杀虫化合物的平台。例如，广泛使用的除虫菊酯类杀虫剂的单萜酰基部分——除虫菊酯酸的生物合成途径已经转移到本生烟草。更令人兴奋的是，生物生产也被认为是制造包括昆虫性信息素在内的新型昆虫控制化学物质的潜在解决方案。这些具有高度物种特异性的农药为广谱农药提供了一个有吸引力的替代品。此外，信息素通常是挥发性的，并以微小的量排放到环境中而不是应用于作物本身。虽然有几种信息素很容易通过化学合成产生，并且已经进入市场，但许多其他昆虫性信息素的化学合成仍然具有挑战性或昂贵，主要是由于其复杂的分子结构和对多个立体选择步骤的要求。即使在化学合成成为可能的情况下，生物制造也可能代表着一种更可持续的生产方法，它需要可再生的原料，产生很少或不生危险废物。

5  生物防治的治理

　　生物虫害防治方法现在是综合虫害防治战略的一个重要组成部分。自然捕食者、寄生蜂、竞争者和病原体都被用来控制昆虫侵扰。尽管有许多实验努力和进展，除了少数重组Bt菌株，基因工程生物防治剂尚未广泛商业化。然而，将新兴的遗传和基因组方法应用于生物防治剂可能成为开发有效生物防治策略的一个组成部分。包括真菌、细菌、病毒和线虫在内的昆虫病原制剂占市场上生物防治制剂的大多数。生物技术为改造这些物种以提高它们的功效提供了机会。

　　近年来，广谱农药对生态环境的影响逐渐引起人们的关注，导致禁令和对虫害控制替代方法的兴趣日益增长。有证据表明，抗虫作物的种植已经大大减少了杀虫剂的使用。此外，即使在没有出现抗性种群的地方，抗虫转基因作物的广泛种植也产生了不可预见的后果，使最初目标物种以外的害虫大量繁殖，加重了害虫管理的困难。由于广谱化学物质的局限性，信息素和RNAi这两种具有极好的物种特异性的方法可能越来越有价值。尽管信息素已经使用了几十年，但用于农业害虫控制的产品一直局限于那些能够以低成本进行化学合成的产品。合成生物学和代谢工程的最新进展正在迅速扩大复杂分子的多样性，为信息素的规模化生产提供了新的机会。最近出现的信息素生物技术公司，如Bio Phero和Provivi，就是一个例证。

　　随着许多国家制定发展生物经济的战略，生物制造的创新将增加商业规模生产的可行性看起来将增加。此外，合成生物学在植物代谢工程中的应用为新的部署策略提供了机会，如活体生物分配器。然而，虽然生物技术可能为虫害控制的新方法提供多种选择，但许多产品将需要监管系统，而对于某些产品和在某些地区，监管系统可能还没有到位。此外，它们需要种植者和消费者的支持。      （来源：植物生物技术Pbj）

农药快讯, 2021 (12): 6-8.