PNAS | 帆上的新风：利用RNA农药解决耐药性问题！

半英寸长的玉米根虫幼虫具有惊人的力量。它以玉米的根系为食，然后化蛹成黑黄甲虫，对植物的叶片造成进一步的伤害。在转基因作物出现之前，转基因作物可以产生杀虫蛋白来对抗根虫，这些昆虫每年给美国农民造成的损失估计为10亿美元。但是，随着玉米根虫等昆虫不断进化出对商品作物一系列性状的抗性，科学家们正在开发一种针对昆虫的蛋白质制造机制的生物技术工具。RNA干扰(RNAi)最早于1990年被发明，它需要使用双链RNA(dsRNA)来阻断信使RNA的功能（Nature Plants | 小RNA的神奇之旅；eLife：卵菌的小RNA通过与植物RNA诱导沉默复合体结合实现致病）。凭借令人印象深刻的特异性，RNAi有可能阻断只在目标害虫中发现的核苷酸序列，而不是在友好昆虫或人类中发现的核苷酸序列。因此，一些科学家热衷于让RNAi成为农业科学的下一个工具（Nature | 植物和真菌通过胞外囊泡交换RNA启发了保护作物的方法！抗击病虫害的新式武器：RNA疫苗；抗击农作物病虫害的新技术）。

随着诸如玉米根虫之类的破坏性农业害虫逐渐对常规农药产生抗药性，研究人员和农民正在寻求基于RNAi的处理方法作为有希望的替代方法。

美国环保署在2017年首次批准了一种RNAi杀虫剂。名为SmartStax Pro的转基因玉米种子，将同时部署转基因杀虫蛋白和RNAi来对抗西部和北部玉米根虫。但转基因作物只是RNAi的众多农业相关应用之一。由于生产dsRNA的成本急剧下降，生物技术公司正在开发dsRNA配方，也可以作为喷雾杀虫剂，使小型农场更负担得起这项技术。

2020年12月，权威期刊PNAS发表了题为Inner Workings: RNA-based pesticides aim to get around resistance problems的文章，总结了RNAi杀虫剂的作用机制和发展历程。

保守派

"综合虫害管理"通过结合许多不同的机制来杀死害虫，农民可以对抗任何特定方法的抗药性演变，同时还可以减少使用可能损害生态系统的传统农药。这种策略的组合可以包括轮作、传统的小分子合成农药和各种生物农药，或环保局归类为"植物结合保护剂"的东西，即经过基因改造以产生自己的农药的植物。它也可能需要设置"避难所"，在特定的田地或相邻的地块中，未处理的作物部分，允许正常的昆虫群体与任何抗性的幸存者繁殖。

过去十年来，商品作物病虫害综合防治的重点之一是一种名为苏云金杆菌(Bt)的土壤细菌。Bt杀虫剂自20世纪20年代在德国首次用于防治面粉蛾以来，已经有一个世纪的历史了。这种细菌对人类和大多数非鳞翅目昆虫（如蜜蜂）无害，也是有机农业的主力军。20世纪90年代末，研究人员从Bt中分离出一批名为Cry毒素的杀虫蛋白，并从2003年开始将其纳入转基因作物中，使其成为抵御玉米根虫或棉花作物中粉红球虫等害虫的有力防线。但不到20年后，"实际抗性"的例子越来越多，这意味着超过50%的目标物种对某种Cry毒素产生了抗性。

转基因作物应该同时建立RNAi和Bt毒素，以大幅减少目标害虫群体中抗性幸存者的数量。由于没有一种昆虫控制方法可以杀死每一种害虫，科学家们将金字塔或堆叠性状放入转基因作物中，希望至少有一种机制可以发挥作用。虽然避免抗药性是开发RNAi农药的重要部分，但该技术也有可能提供一种更环保的处理作物的方式。小分子化合物，如有机磷酸盐、氨基甲酸酯或新烟碱类农药会起到神经毒素的作用。利用RNAi杀虫剂，生物化学家可以制造dsRNA，使负责制造对某一特定昆虫发育至关重要的蛋白质的核苷酸序列沉默。

名为SmartStax Pro的产品的根系配备了可以杀死通常会破坏根系的甲虫幼虫的功能。转基因玉米种子释放杀虫蛋白和信使RNA，杀死幼虫。

未知

昆虫如何进化出对RNAi杀虫剂的抗性，以及这些杀虫剂将如何影响环境，这些大问题仍然存在。科学家已经在实验室实验中证实了这种潜在情况的可能性。作物科学家确实发现了对其他dsRNA性状的交叉抗性。抗性的产生是因为昆虫的肠壁没有吸收dsRNA。叠加杀虫剂性状是杀死潜在抗性幸存者的好方法。但RNAi在现实中的使用将包括所有工具，以防止这种最坏的情况发生，结合尽可能多的不同杀虫剂，以确保不存在抗性幸存者。

后遗症

其他人正在研究dsRNA如何过滤到环境中，如何降解以及这些降解的分子是否仍然对目标生物或非目标生物构成风险。必须提出一种全新的技术来检测环境中的dsRNA颗粒，因为它们比传统农药中的分子大得多。人们最关心的实际上是了解环境中它们发生了什么以及它们如何经历不同的降解过程。DsRNA是重分子，因此不太可能在空气中传播。但是它可能会通过地下水移动。该分子以比Bt毒素等低的浓度保留在环境中。在土壤中对dsRNA进行的初步测试发现，其降解速度比传统农药快。

但是，此类研究可能无法说服转基因怀疑论者。转基因作物的监管和接受前景使RNAi的广泛采用变得非常困难。无论是用来防御病毒、害虫或真菌，该技术都是一个强大的工具（Cell Host & Microbe | 研究揭示JA信号增强水稻的RNA沉默和抗病毒能力！上海植物逆境中心Rosa Lozano-Duran课题组揭示植物病毒干扰RNA沉默的新机制！New Phytologist | 烟草AGO1同源物的靶向失活揭示其在发育和抗病毒防御中的独特作用！）。但是，例如澳大利亚，没有对食品级农作物进行转基因，仅对商品农作物，如棉花或油菜籽进行了转基因。由于批准转基因作物的监管程序缓慢，科研人员希望澳大利亚的首批dsRNA产品成为局部应用。他们一直在研究一种将dsRNA与层状双氢氧化物（LDH）纳米片结合在一起的喷雾剂，以使dsRNA产物在植物表面的吸收更加缓慢和稳定。这种名为BioClay的产品旨在使dsRNA凝集到植物表面的时间更长，从而使有害生物更容易摄取。而且它对于人类食用是安全的，因为过去十年来它已用于生物医学应用。因为并非所有农作物都容易进行基因改造，所以科研人员有兴趣为农民提供可喷雾的选择。至少在澳大利亚监管机构中，局部喷雾剂不会被视为转基因产品。

然而，转基因的区别尚不清楚。产生dsRNA的主要方法之一是对细菌进行基因修饰以产生它。TechAccel等公司使用转基因微生物制造dsRNA。这样做变得越来越负担得起。仅在四年前，dsRNA的生产成本就高达每克1,000美元。但是使用大桶微生物喷出dsRNA的系统将价格降低到每克不到1美元。现在还处于初期阶段，因为他们的产品距离启动监管流程至少还有几年的时间。但对可能出现的环境和粮食生产收益充满希望。

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