传统农药是一把双刃剑,在给农业带来巨大经济效益的同时,也引发一些新的问题。农药的大量使用带来了生态污染,破坏了自然环境的整体平衡,不利于环境的友好发展,也不符合可持续发展要求。同时农药残留问题也会给人们的身体健康带来危害。而随着化学农药的泛滥,害虫的抗药性持续加强,为达到良好的杀虫效果就需要不断地革新。而RNAi技术给了农药行业一个新的启示,RNA农药的问世,也掀起了一场新的革命。

早在上世纪90年代,科研人员便在转基因作物中发现了RNA干扰(RNA interference,简称″RNAi″)现象,接着在线虫、真菌、昆虫、原生动物以及哺乳动物中陆续发现这一现象。直到1998年,安德鲁.法厄(Andrew Z. Fire)与克雷格.梅洛(Craig C. Mello)在进行反义RNA抑制实验时发现双链RNA相比正义或者反义RNA显示出了更强的抑制效果,因此推测在双链RNA引导的抑制过程中存在某种扩增效应并且有某种活性酶参与其中,并且将这种现象命名为RNA干扰。在2006年,两人由于在秀丽隐杆线虫的RNAi机制研究中的贡献而共同获得诺贝尔生理及医学奖。

RNA干扰本质上是指由内源或外源的双链RNA(dsRNA)引发的mRNA 降解,导致特异性阻碍靶标基因的转录或者翻译来抑制基因表达,导致与目标基因相关的生理功能缺失,或形成功能缺陷,是一种基因表达调控机制。而RNA干扰作用是通过一类较为稳定的中间介质实现的,小干扰RNA(siRNA)、小分子(microRNA)都能引起RNA干扰现象发生。基于RNA干扰机制,可以对靶标基因功能进行分析研究,尤其是在基因敲除、基因编辑平台不太成熟的非模式物种中,该技术极具优势。

图1：RNA干扰机制(图源：维基百科)

自RNA干扰机制被发现以来,已经被广泛应用于基因功能、生物医药以及农作物病虫害防控等领域。由于RNA干扰诱导基因沉默具有高效性、特异性以及简便性这些优点,近些年该技术也开始用在了新型农药开发中。

新型RNA农药是外源干扰RNA制剂,其本质是一段双链RNA分子(dsRNA)通过一定的途径进入害虫体内,通过干扰与害虫生长发育相关基因的转录和翻译过程,使害虫相关基因发生沉默,阻止蛋白质的合成,导致害虫的环境适应能力降低或者死亡,最终达到控制害虫的目的。

农药的发展和迭代大致经历了三次革命。化学农药的发明,改变了人类和害虫、病菌及杂草的长期抗争处于下风的局面,直接推动全球粮食单位产量几十年间实现倍速增长,所以被称为农药的第一次革命。20世纪90年代转基因作物成功商业化种植,可以称为农药史上的第二次革新。而RNA农药利用了化学农药的喷洒方式和转基因技术防治原理,仅针对害虫而不影响农作物遗传表达,是具有化学农药与转基因作物两种科技优势的结合体。RNA农药具有靶向性强、药效优异、环境及生态安全性高、不改变物种遗传信息、容易解决抗性问题等优点,故被称作农药史上第三次革命。

近年来,RNA干扰技术的新兴,涌现了大量的研究所和企业,投身于RNA干扰技术和新型RNA农药产品的研究中,不断克服应用RNAi面临的挑战,开启了RNA农药研制赛道,也为生物防治提供了新途径。下面就透过近年行业内的热门动态,了解业内领先企业的新技术和新产品,探索行业市场前景。

国际巨头率先行动,RNA农药进军市场

RNAi技术逐步成熟,20余年时间的实践证明,各大农化公司对于RNAi产品的研制经历了快速入场、瓶颈期撤离、技术突破后再次入场及高速发展等几个时期。

近年来,随着RNAi药物研发的蓬勃发展以及相关技术的突破,针对RNA生物农药的研发也进入了快速发展时期。2017年孟山都表达昆虫双链RNA的抗虫转基因玉米获得美国环境保护署批准,一下子给农化行业带来新希望。各大传统农化公司开始投入大量人力物力进行布局和产品开发。同时还吸引了资本市场的关注,涌现了一大批基于RNAi技术进行病虫害防控的新兴公司,极大地加快了RNAi技术在农业领域应用的商业化步伐。

孟山都研发的第一代转基因玉米MON87411获得EPA批准,随后在多个国家获得种植许可,用于防治玉米根萤叶甲。这是全球首例将RNAi技术用于生物防治领域,也是首个在植物中表达dsRNA的产品。2021年1月21日,拜耳宣布该产品获得中国农业农村部颁发的转基因生物安全证书(进口和食品/饲料用途),进一步加速了该产品的商业化进程。同时,拜耳预计该产品将在美国进行商业化种植,2023年在加拿大进行推广,未来几年内,推广1500万英亩(约600公顷)。

除此之外,孟山都近年研发的新一代改良的转基因玉米MON95275,具有抗鞘翅目害虫的特性,目前已经获得巴西国家生物安全技术委员会 (CTNBio)的批准,正准备进一步商业化。

据澳新食品标准局(FSANZ)官网显示,2021年2月9日,批准美国陶氏益农公司(陶氏化学公司Dow AgroSciences LLC的全资子公司)的基于RNAi的耐除草剂和抗虫玉米产品DP23211用于食品,该转基因玉米同时表达了dsDvSSJ1和IPD072Aa蛋白用于防治玉米根虫。

RNA干扰技术应用于作物病虫害防控逐渐成为一个热门话题。据Science、Nature、Pest Management Science、Plant Biotechnology Journal等学术网站不完全统计,自2017年来,国际上各大高校及研究所纷纷开展基于RNA干扰技术的转基因作物研究,尤其关注水稻、玉米、小麦、油菜等主要作物,一定程度上推进了RNAi技术在农业领域的应用。

图2：2017年至2023年的基于RNAi技术的转基因作物研究不完全统计(数据来源：公开数据,35斗整理)

与以往的人们所熟知的转基因作物不同,基于RNA干扰技术的转基因作物不会改变植物本身的DNA。RNAi转基因作物是通过转基因的方法,在植物中导入表达昆虫干扰RNA的载体,表达的干扰RNA可以通过食物链进入昆虫体,从而实现相关基因的沉默,达到抗虫的效果。

但是各大公司和研究所并不满足于此,除了研究推进基于RNAi干扰技术的抗病转基因作物,开始探索用非转基因的方式来应用RNAi技术,通过外源施用双链RNA(dsRNA),来提高作物抗病虫害的能力。

而RNA农药的生产并没有那么顺利,从实验室到市场的过程需要经过靶标发现、dsRNA生产、dsRNA递送等技术环节。而由于dsRNA极其容易发生降解,因此,dsRNA的大量生产、稳定递送对于RNA农药技术商业化落地都是至关重要。

美国的Greenlight Biosciences公司成立于2008年,致力于人类健康和农用RNA产品的生产和研发。该公司突破性的无细胞RNA生产平台受多项专利保护,可实现具有成本效益的RNA生产。除此之外,Pebble Labs、Renaissance BioScience、RNAgri(已被收购)等公司利用微生物解决dsRNA生产问题,AgroSpheres、NanoSUR这类公司研发了专有的RNA递送技术平台,加速了RNA农药商业落地进程。

图3：近几年致力于dsRNA农产品生产和递送技术的国际公司(数据来源：crunchbase)

据悉,2019年,拜耳还向美国EPA提交了新产品BioDirect,该产品是利用RNAi原理,通过dsRNA进行蜜蜂狄斯瓦螨防治,这是向EPA提交的第一份外源应用的RNA生物农药活性成分。2021年5月,拜尔将该部分专利授权给Greenlight Biosciences进行dsRNA 的生产,新产品预计2024年上市。除此之外,Greenlight Biosciences公司在2022年向EPA提交注册了一种用于防控科罗拉多马铃薯甲虫的dsRNA产品。同时,在植物防治病害方面,该公司也在积极研发针对白粉病以及灰霉病的RNAi产品,预计2025年能够作为第一款杀菌剂进行批准上市。

此外,还有多家国际公司布局直接喷洒型的RNAi产品。RNAissance Ag LLC在积极开发针对小菜蛾的喷雾式RNA生物农药；先正达公司在进行科罗拉多马铃薯甲虫的RNAi杀虫剂的研制,并且预计在7到10年实现商业化。

国内先行者瞄准RNA农药市场,迅速布局

据相关资料显示,我国在RNA生物农药研发领域的起点比较高,最早在2007年,中国科学院上海生命科学研究院陈晓亚院士团队与孟山都公司同步作出了具有里程碑意义的研究成果。随后大量的研究团队在这一领域进行了各个层面的深入研究,在这十几年里,国内高校及研究所投入其中,取得了大量的研究成果。

如中国科学院分子植物科学卓越创新中心苗雪霞团队在多物种靶标基因库构建、制剂配方优化、规模化生产体系、以及安全性评估等领域进行了大量的研究。中国科学院微生物研究所郭惠珊团队利用跨界RNAi技术,构建了棉花抗黄萎病体系。中国农业科学院植物保护研究所王桂荣团队针对棉花害虫绿盲蝽(Apolygus lucorum)构建了植物介导的RNAi转基因玉米与大豆系。中国农业大学的沈杰教授团队利用新型功能化纳米材料,建立了简便的昆虫基因干扰新技术平台,通过点滴法/喷雾法应用dsRNA+纳米载体溶液,突破昆虫体壁屏障,稳定高效干扰基因表达；同校的刘西莉教授团队在今年3月份发布的研究论文中,对基于RNA干扰机制的杀菌剂研究取得新进展。中山大学张文庆团队以及山西大学张建珍团队针对褐飞虱和飞蝗的靶标基因筛选均取得了较好的研究进展。

图4：近年来具有代表性的几项有关RNA干扰技术应用于农药研发的研究(数据来源：公开数据、35斗整理)

根据专利检索,我国累计申请关于RNA干扰技术应用于生物农药的专利超2000条,近十年的申请量年均超100条,申请人主要来源于各大科研院所和高校。可以看出我国在RNA农药的研究上依旧热情不减。

图4：近十年我国基于RNA干扰技术研发农药的专利申请情况(数据来源：企知道专利数据库)

但是,我国在成果转化、产业化及商业化程度上显著落后于国际水平,要想突破困境,仍需要有先行者往前迈一步,将RNA农药落地,实现商业化。

此前35斗采访过的硅羿科技便是其中一位先行者,是中国第一批RNA生物农药高技术企业,构建了100余种病虫害的关键靶基因库,建立了从研发到生产的一系列具有自主知识产权的关键技术和产业化平台。2021年通过全国农药标准化委员会审核获得了中国首次颁发的四张RNA生物农药--″核酸干扰素″命名函,公司研发的国际上第一个烟草花叶病毒核酸干扰素已正式进入国家权威机构田间测试。公司目前建立了杀菌剂、杀虫剂、除草剂等产品管线,新型RNA生物农药的研发为我国绿色发展的目标提供了技术支撑。

上海植生优谷生物技术有限公司也是加入该赛道的新成员,背靠科研团队,是一家利用RNAi技术进行农业病虫害防控开发及应用的高科技公司。公司依托中国科学院分子植物科学卓越创新中心苗雪霞研究团队的科研成果,围绕RNA干扰技术,建立了从靶标筛选、递送系统、成本控制到中试生产等RNA生物农药全链条研发体系。目前,公司基于棉蚜及黄曲条跳甲开发的RNA生物农药,经过了实验室测定,田间生物测定,环境安全评价等环节,正在进入药证申报环节。

另外,香港的小默生物公司,也在专注于研发基于RNAi技术的产品。该公司开发了一套具有″个性化″的 RNAi 高通量筛选技术,拥有独立的利用细菌生物工程生产 siRNA平台。小默生物的产品管线主要分为生物农药和医药两大类,其中生物农药主要包括基于 RNAi 的杀虫剂和杀真菌剂,而杀真菌剂是进展最快的管线。发展成中国的 GreenLight,成为生物科技中的″小米″也是小墨生物的未来目标。

图5：国内三家RNA农药公司的相关技术和产品(数据来源：公开数据、35斗整理)

RNAi农药具有靶向性高、靶点丰富、易降解、不易产生抗性等众多优势,现在及未来都会是环境友好型的生物农药发展研究的热点。据Mordor Intelligence的研究数据显示,RNAi产品市场在预测期内 (2022-2027)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。

但就目前而言,高效RNAi靶标基因的筛选、dsRNA的生产成本,RNA生物农药的递送效率、RNA生物农药在进行环境风险评估时残留量的检测等仍是RNA农药应用之前亟需解决的关键问题。除了技术层面的问题之外,相关政策的制订及应用许可也是需要进一步推进的。随着科研机构、相关企业以及投资机构对该领域的进一步深耕,相信这些问题能够迎刃而解,RNA生物农药的全面落地指日可待,新型农药的春天也会来临。

参考资料：

1.关若冰,李海超.《RNA生物农药的商业化现状及存在问题》

2.《农药学学报》.RNAi在农业病虫害防控中的应用研究进展

3.汪芳.RNA干扰技术在害虫防治中的应用及其安全性

4.李海超.RNA生物农药的商业化现状及存在问题 l RNA生物农药商品化进展