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农药快讯:2020年第12期
  文章:19篇

RNAi:新一代生物农药渗透植保界,农业变革已悄然到来

作者:世界农化网 王悦 更新时间:2020-03-25 点击量:5802

    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。

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