RNAi杀虫剂上市 更安全靶向农作物害虫

RNA应用越来越受关注。一种对抗破坏农作物害虫的新武器：通过使用RNA制造农药，以前所未有的精确度杀死破坏作物的甲虫，而不伤害其他生物。对于农业大国来说是一个值得重视的研究方向

　　

科罗拉多马铃薯甲虫的破坏性如此之大，以至于前东德的宣传机构曾指责美国将这种贪婪的昆虫投放到该国的马铃薯地里。1950年的一本小册子上写着“Halt amikäfer”——意思是“停止美国甲虫”。没有证据表明这种彩色害虫被用作生物战的一种形式。但是德国和其他许多国家的种植马铃薯的农民至今仍在与这种甲虫作斗争。这种甲虫原产于落基山脉，现在遍布北半球，每年造成超过5亿美元的作物损失。它是抵抗农药的大师，是化学杀虫剂研究的早期推动力，并进化出了对一种又一种化合物——超过50多种杀虫剂，代表了所有主要类型的有效成分——的免疫力。这种甲虫的翅膀上有黄色和黑色的垂直条纹，头上有一个红橙色的黑点。幼虫略小，呈橙红色，两侧有一排黑点。成虫和幼虫均已进化出对大多数杀虫剂的抗性。

然而，今年美国农民将拥有一种对抗害虫的新武器，这种武器的作用方式与传统杀虫剂完全不同，支持者表示，这种武器对人类和环境应该更安全。基于RNA干扰(RNAi)的机制，这种喷雾针对科罗拉多马铃薯甲虫的一个重要基因。该基因靶点对这种害虫及其近亲来说是独一无二的，这应该可以防止对传粉媒介和其他物种的损害。肯塔基大学的昆虫学家Subba Reddy Palli去年在《昆虫科学前沿》上发表了一篇综述，描述了基于RNA的杀虫剂的发展，他说:“你可以……精确地击中你想要杀死的昆虫。”“你找不到比这更好的了。”

这种杀虫剂由GreenLight Biosciences公司以Calantha的名字销售，经过4年的审查，于今年1月获得了美国环境保护署(EPA)的批准。更多基于RNA的产品正在研发中。GreenLight已经向监管部门申请批准一种针对瓦螨的杀虫剂，瓦螨是蜜蜂的主要瘟疫，它可以抵抗几乎所有可用的杀虫剂。其他公司的产品也在进行实地试验。与此同时，多所大学的研究人员正在探索RNA作为对抗亚洲柑橘木虱、树皮甲虫、蚊子和其他物种的工具。

这项技术有其局限性：它在鳞翅目昆虫(一种包括小菜蛾和许多其他害虫在内的昆虫)身上表现不太好，鳞翅目昆虫的肠道中有强大的酶可以分解RNA。

在对Calantha进行监管审查期间，环保组织提出了对非目标物种的潜在危害的担忧。例如，濒临灭绝的亨格福德爬行水甲虫可以生活在马铃薯地附近。这些组织呼吁进行更广泛的风险评估。(环保局只要求对一些指示物种进行测试，比如蜜蜂和瓢虫。)他们还指出，目前尚不清楚喷雾中保持RNA稳定的配方是否安全，因为成分是保密的。

但许多人希望这项技术能开启害虫防治的新时代。“我认为RNAi将会爆发，”拜耳的昆虫学家William Moar说，他长期致力于基于RNA的控制。内布拉斯加大学林肯分校(University of Nebraska-Lincoln)的昆虫毒理学家Ana Maria vsamulez表示，与目前使用的大多数化学物质相比，“它要安全得多。”

RNA杀虫剂背后的机制始于几十年前。信使RNA (mRNA)——将基因编码的信息传递给细胞蛋白质制造机器的遗传物质——通常以单链形式存在。一种假设是，添加一个额外的基因以某种方式导致了一条互补RNA链的产生。如果这条链与原始基因的mRNA配对，它可能会阻止细胞机器附着在它上面构建蛋白质，以此解释基因沉默。

为了验证这个想法，康奈尔大学的研究生Su Guo将单链RNA注射到秀丽隐杆线虫中。当注射的RNA与胚胎发育重要基因的mRNA互补时，该基因被沉默。然而，令人困惑的是，郭发现与蠕虫mRNA相同的RNA也使该基因沉默。1998年，卡内基科学研究所的Andrew Fire和麻省大学陈氏医学院的Craig Mello发现单链RNA并没有使基因沉默，只有当两种链作为双链RNA (dsRNA)一起注射时，沉默才会发生。事实证明，之前令人困惑的结果是由于dsRNA的微小污染。2006年，Fire和Mello因这一发现获得了诺贝尔奖。后来的研究表明，这种现在被称为RNAi的现象之所以发生，是因为细胞机制的作用之一是保护细胞免受病毒的感染，而病毒的生命周期需要dsRNA。一种被称为DICER的大型酶定位细胞内的dsRNA长片段，然后将它们切割成短干扰RNA (siRNA)片段。这些短片段被一种叫做RISC的蛋白质复合物(RNA诱导沉默复合物)拾取，这种复合物在细胞中搜索与siRNA序列匹配的单链RNA。(dsRNA病毒也需要单链rna进行部分复制。)如果RISC发现任何这样的RNA，它就会触发它的破坏。

这些发现给dsRNA用作药物带来了希望。在诺贝尔奖颁奖典礼上的一次演讲中，当时还在斯坦福大学(Stanford university)的Fire考虑dsRNA可能有助于关闭与疾病相关的基因，比如那些对癌症患者的肿瘤生长至关重要的基因。一些基于RNAi的药物已经获得批准;例如，Inclisiran治疗高胆固醇和动脉粥样硬化。但进展缓慢，部分原因是人类血液中的酶会分解dsRNA。

与此同时，另一项关于秀丽隐杆线虫的实验给科学家们带来了希望，即RNAi可能有助于解决另一个完全不同的问题：害虫控制。Lisa Timmons当时是一名与Fire一起工作的博士后，她对大肠杆菌进行了基因改造，以产生干扰蠕虫肌肉收缩基因的dsRNA。当蠕虫吃了细菌后，它们开始抽搐——这是基因被沉默的迹象。在此之前，没有人预料到dsRNA可以通过消化道被吸收并进入细胞以使基因沉默。“这是非常惊人的事情，”研究表明，食用特定的dsRNA可以杀死害虫。

基于RNA的害虫控制技术去年作为一种转基因作物首次进入市场。美国农民开始种植一种名为SmartStax Pro的玉米品种，这是拜耳通过基因工程改造的一种玉米品种，可以抵御西方玉米根虫。这种植物产生的dsRNA会破坏DvSnf7的表达，DvSnf7是一种根虫基因，对蛋白质跨细胞膜的运动至关重要。根据2017年的一项研究，在严重虫害的田间试验中，与传统玉米相比，玉米根虫幼虫对植物根系的损害减少了95%。该品种当年获得了美国环保署的批准，但直到2023年才进入美国市场，因为拜耳还在寻求从美国进口玉米的国家的批准。许多人希望这种新品种能减轻抗性玉米根虫的影响。这种新方法的好处是很多的:通过基因工程使植物产生dsRNA，农民不需要喷洒农药，农药总是准备好的，只有吃作物的昆虫才会暴露。

然而，创造一种转基因作物并使其获得批准可能需要十多年的时间，耗资超过2亿美元。欧洲面临着特别的挑战，因为监管障碍更高，消费者接受度更低。因此，一些公司正在开发dsRNA喷雾，这是一种更快、更便宜的方法。喷雾剂也可能更通用，因为它可以被授权用于任何害虫频繁出现的作物。

科罗拉多马铃薯甲虫是一个很好的目标，因为这种贪婪的生物不仅破坏马铃薯，还破坏番茄、茄子和甜椒。研究还表明，给害虫喂食dsRNA可以有效地沉默目标基因。Calantha针对的是害虫及其近亲中发现的一种基因。喷洒时，杀虫剂会被甲虫幼虫吃掉，并通过激活一种叫做RNA干扰的过程杀死它们。杀虫剂喷雾中的双链RNA (dsRNA)进入昆虫肠道细胞后，细胞机制阻止目标基因被翻译成蛋白质。

在探索了甲虫的各种基因后，GreenLight的Ken Narva和他的团队确定了PSMB5，它编码部分细胞机制以去除受损蛋白质。当它沉默时，细胞会积累无功能的蛋白质并死亡。根据2021年的一项研究，PSMB5的dsRNA在实验室和温室试验中都很有效，在6天内杀死了90%的幼虫。

为了测试杀虫剂是否会伤害其他昆虫，GreenLight的Ron Flannagan和他的同事们检查了生物信息学数据库，看看马铃薯甲虫体内的PSMB5与其他昆虫体内的PSMB5有多少不同。四种近亲甲虫有一些序列匹配。但对这些物种的毒性测试表明，只有两种受到杀虫剂的影响，而且都是农业害虫。对近亲昆虫——蜜蜂、绿草蛉、瓢虫和其他昆虫——的测试没有显示出不良影响。与GreenLight合作开发Calantha的Alyokhin说，这些结果令人鼓舞。但是，“我们不应该仅仅因为它是RNAi就认为它永远不会产生非目标效应。”

一些研究人员质疑dsRNA能否以足够低的成本和足够的数量生产出来，从而实现实用。GreenLight表示，解决方案就在纽约州罗切斯特市的一家柯达前工厂里。该公司于2021年在那里开设了一家工厂，以扩大dsRNA的生产规模。在里面，工人们管理着大型的生物反应器，在那里，大肠杆菌的培养基大量产出包含了Calantha中dsRNA的指令的质粒DNA环，以及合成它的酶。一旦纯化，质粒和酶就会被输送到其他容器中，在那里进行生化反应产生dsRNA。然后将RNA与专用溶液中的化学物质混合，这有助于RNA附着在叶子上。

该工厂每年可生产2吨dsRNA，预计到2025年底，这一数字将提高到20吨。它可以以每克不到1美元的价格生产出dsRNA，这使得GreenLight能够以与顶级商业农药相当的价格出售其新农药。田纳西大学诺克斯维尔分校(UTK)的昆虫学家Juan Luis Jurat-Fuentes研究RNAi近十年，他说“最激动人心的时刻”是当他听说GreenLight可以批量生产廉价的dsRNA时。“那时我觉得这是可行的。”

既然杀死甲虫的dsRNA喷雾剂已经上市销售，一个关键的问题是害虫还需要多久才能开发出使这种武器失效的方法。“这些虫子太疯狂了，”Vacimlez说。“有时候，他们会让我们大吃一惊。”研究人员已经知道，至少在实验室里，一些害虫可以进化出避开dsRNA的方法。2018年，Moar及其同事发表了一篇论文，表明西部玉米根虫进化到不再从肠道中吸收dsRNA。在这样做的过程中，昆虫有效地对任何dsRNA方法产生了抗性，这一结果“发人深思”，因为没有简单的解决办法。

UTK的博士生Swati Mishra在科罗拉多马铃薯甲虫身上发现了类似的现象。在不断将幼虫暴露于dsRNA的实验室环境中，昆虫在11代内显著减少了对遗传物质的吸收。很难预测，在田间，甲虫暴露在没有那么多dsRNA的环境中，需要多长时间才能进化出抗药性。

为了减少出现抗药性的风险，环境保护署要求种植转基因玉米的农民为害虫种植避难所。这些未受保护的玉米地增加了根虫种群保持易受dsRNA影响的基因的几率。种植马铃薯的农民在种植卡兰塔时不会面临同样的要求，因为它不是转基因作物。Flannagan说，GreenLight意识到了风险，并将鼓励农民交替喷洒dsRNA和其他杀虫剂。“我们正在努力确保RNA作为工具包的一部分得到管理。”

Walther农场的农学家Karl Ritchie说，这种甲虫对所有可用杀虫剂产生抗药性，困扰着整个行业。Walther农场种植了3000多公顷的土豆，并参与了Calantha的试验。为了防止抗药性，他正在与邻近的农民协调农药的使用：他们一年喷洒同一种农药，第二年喷洒另一种。

与此同时，研究人员希望将RNA杀虫剂的使用范围扩大到鳞翅目，其中包括玉米螟虫和秋粘虫等主要害虫。许多害虫已经进化出了对化学杀虫剂的抗性。“用RNA控制鳞翅目是一种理想方法，”莫尔说。“但还未能实现商业化。”一些公司正在尝试，其中一些研究旨在包装dsRNA，使其能够抵御鳞翅目动物的消化系统和免疫系统。“这是目前RNAi最热门的领域之一，”Jurat-Fuentes说。AgroSpheres公司对细菌进行了基因工程改造，使其既能制造dsRNA，又能从细菌的细胞壁中提取微小的保护壳。据2022年报道，一项田间试验的结果表明，白菜上的小菜蛾控制是“商业上可接受的”。另一家公司Trillium Ag开发了一套不同的方案。每条小RNA链都被更短的分子包围着，这些分子被称为适体，它们作为由蛋白质或脂质构成的覆盖物的锚点。该公司目前正在测试其对秋粘虫和其他两种害虫的效果。

专家说，一般来说，很难知道保护技术的效果如何，因为大多数公司几乎没有公布结果。但研究人员对这些非常规杀虫剂的未来持谨慎乐观态度。“随着我们了解的越来越多，我们会找到克服这些障碍的方法。它会发生的。”