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RNAi:新一代生物農藥滲透植保界,農業變革已悄然到來

2020-03-25 10:31:29來源:AgroPages (世界農化網)作者:AgroPages (世界農化網)編輯:bianji2
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RNA 干擾(RNA interference,簡稱“RNAi”)是指由內源或外源的雙鏈RNA引發的mRNA 降解,導致特異性阻礙靶標基因表達的現象,普遍存在于生物體中。據悉在上世紀90年代,科研人員陸續發現RNAi基因沉默現象,目前已在昆蟲學研究領域中得到了廣泛的應用。由于RNAi誘導基因沉默具有高效性、特異性以及簡便性這些優點,近些年該技術也用在了新型農藥開發中。

RNAi防治害蟲的原理

RNAi通過干擾與害蟲生長發育相關基因的轉錄和翻譯過程,阻止蛋白質的合成,導致害蟲的環境適應能力降低或死亡。此類防治方法主要通過害蟲取食來內化靶標基因的雙鏈RNA。昆蟲攝入與靶標基因具有高度特異性的雙鏈RNA后,該雙鏈RNA在中腸位置被吸收,若沉默的目標基因并非位于中腸,則沉默信號能通過細胞或組織間傳導,到達被干擾的靶基因部位進行RNAi。

運用RNAi 技術進行害蟲防治所選擇的靶基因大致分為5種:害蟲致死基因,與害蟲抗性和免疫相關的基因(降低害蟲對化學農藥的抗性),與害蟲生長發育有關的基因,與害蟲產卵有關的基因,以及與嗅覺相關的基因(干擾害蟲對作物的識別)。

目前將雙鏈RNA導入昆蟲體內最受歡迎的方式是飼喂法,這種方式操作簡單,易于實現,目前該方法已成功應用于褐飛虱(Nilaparvata lugens)、白蟻(Reticulitermes flavipes)、長紅錐蝽(Rhodnius prolixus)和根螢葉甲(Diabrotica virgifera)等多種害蟲的防治中。飼喂法不需要專門的設備,同時運用該方法對RNAi開展研究也較為便捷。但也有缺點:該方法作用效果慢,并且處在卵和蛹階段的昆蟲因無法取食而不能受用。

RNAi應用于害蟲防治中的優勢

1)由于雙鏈RNA具有高度特異性,此類產品不會影響非靶標生物。
2)RNA生物農藥屬于天然存在于環境或生物體內的物質,因此對非靶標生物的潛在危害比化學農藥低,此類物質也能通過天然途徑降解。
3)可以針對所有種類的有害生物開發此類產品。與Bt技術做對比為例,研究人員發現Bt抗蟲轉基因作物控制刺吸式昆蟲的作用非常有限,因為Bt毒素尚未對此類害蟲產生作用。而利用植物介導的RNAi解決了這一問題。

應用RNAi存在的挑戰和技術突破

利用RNAi技術防治害蟲的商業潛力主要取決于雙鏈RNA傳遞給靶標害蟲的效率,雙鏈RNA是否能穩定存在于昆蟲體內,以及作為殺蟲餌劑的濃度。這些因素均影響雙鏈RNA產品的使用成本。

對許多企業來說,解決RNA易分解的問題是一大難關。噴灑含有與特定基因序列匹配的雙鏈RNA雖然可以使一些害蟲的特定基因關閉,起到治蟲效果,但噴劑中的RNA容易降解,功效不夠持久,需要頻繁使用,因此農民花銷大。

自發現RNAi現象以來,科研人員為推動該技術的應用已實現了巨大進展。據《自然 ? 植物》報道,澳大利亞昆士蘭大學的研究團隊研制出可以延長噴劑保護期的技術。該團隊將RNA與生產成本低廉的黏土納米粒子相結合,潮濕的黏土納米粒子會與空氣中的二氧化碳發生反應并逐漸分解,從而緩慢釋放 RNA以延長其功效,該技術使得煙草植物對辣椒輕微斑駁病毒具有抗病毒能力長達20天之久,創造了前所未有的紀錄。同時,英國劍橋大學長期從事基因沉默技術研究的David Baulcombe也表示,RNA與黏土納米粒子的結合并不會帶來任何安全隱患。

近年來,這一新興行業出現了擁有前沿技術的企業,通過融資與合作不斷深化研發,新技術正不斷克服應用RNAi面臨的挑戰,包括開發出降低產品生產成本的技術等,這些都有利于此類產品應用于生物防治體系中。下面透過近年行業的熱門動態,了解業內領先企業的新技術與新產品。

美國環保署批準首個RNAi產品,標志著此類技術將進入市場


2017年,孟山都采用RNAi技術的抗蟲轉基因SmartStax? PRO首次被美環保署批準作為殺蟲劑使用。公司將特定序列的雙鏈RNA轉入植物體中,通過害蟲取食轉基因作物的途徑進入害蟲體內,然后引發RNA干擾機制,實現精準抗蟲,且不傷及其他生物。孟山都目前將RNAi技術用于根蟲的防治。根蟲常被稱為“十億美元害蟲”,給農戶造成了極大的經濟損失。孟山都在常規Bt蛋白基礎上引入RNAi技術,可有效延緩害蟲抗性的產生。

但不少公司應用RNAi并不涉及轉基因技術,因此這一新技術也受到了廣大反轉人士的歡迎。

GreenLight Biosciences獨有技術降低生產成本

美國GreenLight Biosciences的GreenWorX技術是公司獨有的無細胞生物程序,借此可較快生產出成本效益好的高品質RNA產品,從而克服了業內此類產品生產成本高,生產耗時長,且產品品質難以保障這些問題。其具有針對性的RNA不通過改變動植物的基因發揮治蟲功效。產品噴灑到作物葉面上,昆蟲食用葉片后,RNA將會在其體內影響進食,最終導致昆蟲死亡。

GreenLight Biosciences首席商務官Mick Messman表示,“我們的生產體系可以加快新產品進入市場的步伐。由于耗時與化學農藥相比大大縮短,其成本也就有所降低。一旦昆蟲的基因組被確定下來,開發產品不過是設計針對這一基因組的RNA序列。”

公司的雙鏈RNA噴劑可用于害蟲、雜草和有害真菌的防治。其首個產品適用于防治科羅拉多馬鈴薯甲蟲,將在2020年申請登記,預計會在2022年獲得正式登記。

TechAccel的投資與戰略合作之路

美國TechAccel是農業技術公司,也是風險投資公司。2017年,公司向全球最大的獨立植物科學研究所Donald Danforth Plant Science Center進行投資,用于支持該研究所正在進行的RNAi技術,該技術將用來防治小菜蛾(Diamondback moth)。投資將使研究所能夠測試新的輸送方式,使該技術能夠在各種作物上使用。

2019年,TechAccel對生物技術公司GreenLight Biosciences進行投資,有助于TechAccel推動RNAi技術的應用。據TechAccel首席科學官Fabbri介紹,幾年前每克RNA的售價還高達1萬美元,田間應用成本太高,而現在GreenLight使每克的價錢低至不到1美元,讓RNA作為農藥應用成為可能。不久后,TechAccel還投資成立了RNAissance Ag公司,借助獨有RNAi技術開發害蟲防治噴劑,其研發與Donald Danforth植物科學研究所開展合作。

AgroSpheres生物分子封裝技術為產品增效


2018年,美國AgroSpheres與TechAccel公司展開合作,共同研究RNA作為生物農藥的輸送方式。該研究利用了AgroSpheres獨有的生物分子封裝技術。此次合作有助于TechAccel在發酵生產雙鏈RNA后,將封裝的這些生物分子應用于靶標作物,借此防治鱗翅目害蟲。同年,AgroSpheres也與GreenLight Biosciences開展合作,將其封裝技術用于GreenLight雙鏈RNA的輸送上。

 
AgroSpheres生物分子封裝技術:1)封裝入生物活性分子,2)保護活性物質不受惡劣環境(包括RNA降解酶)的影響,3)使活性物質持久釋放,4)膜上鑲嵌蛋白質使活性物質黏附于植物葉片或昆蟲上,確保農藥觸及靶標同時減少非靶標的接觸。

Renaissance BioScience提交酵母生產RNAi專利申請

領先生物工程公司Renaissance BioScience于2019年向美國專利商標局(PTO)提交了采用酵母技術生產和輸送RNA生物活性成分的專利申請。使用酵母技術的益處甚多。酵母生產、輸送的RNAi活性物質在環境中相對不易降解。此外,酵母可以很容易地通過營養供應進行管理,許多昆蟲、牲畜、養殖物種以及人類也食用酵母。另外,利用酵母進行生產容易且便宜,而且這是一種無處不在、安全且被人熟知的微生物。

Renaissance BioScience的首席科學官Matthew Dahabieh博士介紹道:“專利申請是我們研發酵母生產RNAi技術的一個重要里程碑事件。盡管仍有許多工作要做,但這已是RNAi技術在生物防治和生物治療藥物領域激動人心的成就。”
 
拜耳RNAi產品已遞交登記申請

2019年,拜耳向美國環保署提交了新產品BioDirect,以雙鏈RNA進行登記,用于防治瓦螨??對世界養蜂業威脅最大的有害生物。這是向美國環保署提交的第一份該行業外源應用的RNA生物農藥活性成分。

RNAi前景

目前的研究顯示,通過葉面噴施、樹干注藥和灌溉方式施用RNAi產品是可行的,其他施用方式,如包衣,還需要進一步研究。

未來RNA制劑技術不斷改進也將會提高RNAi的功效和田間穩定性,可借此替代化學農藥,或與化學農藥聯合使用,以減少農業對有害合成農藥的依賴。

伴隨科研進展,有害生物的基因序列不斷被發現,人們對RNAi的作用機理有越來越多的認識,以及RNAi生產成本及功效進一步改善,此類特異性高,環境友好的新型生物農藥,將在害蟲防治領域發揮越來越重要的作用。Mordor Intelligence的研究數據顯示,到2024年以前,該RNAi產品市場年復合增長率將達10.12%,美國是RNAi產品的最大市場,而亞洲則是增長速度最快的地區。

農科院植物保護研究所邱德文副所長曾表示,未來生物農藥的發展趨勢將包括RNA干擾技術、土壤健康修復技術和植物免疫誘導技術等熱點研發領域。其中RNA干擾技術是目前國際前沿技術,國外已相繼推出具備該技術的產品,而國內雖有上海生命科學院、中山大學和南京大學等機構在做相關研究,但尚未將研究成果轉化為產品。

孟山都公司亞洲及非洲區首席執行官Jagresh Rana認為,包括RNAi在內的顛覆性新技術正向農業領域不斷滲透,農業的下一次變革,已經悄然到來。
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