傳統(tǒng)農(nóng)藥是一把雙刃劍,在給農(nóng)業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),也引發(fā)一些新的問(wèn)題。農(nóng)藥的大量使用帶來(lái)了生態(tài)污染,破壞了自然環(huán)境的整體平衡,不利于環(huán)境的友好發(fā)展,也不符合可持續(xù)發(fā)展要求。同時(shí)農(nóng)藥殘留問(wèn)題也會(huì)給人們的身體健康帶來(lái)危害。而隨著化學(xué)農(nóng)藥的泛濫,害蟲(chóng)的抗藥性持續(xù)加強(qiáng),為達(dá)到良好的殺蟲(chóng)效果就需要不斷地革新。而RNAi技術(shù)給了農(nóng)藥行業(yè)一個(gè)新的啟示,RNA農(nóng)藥的問(wèn)世,也掀起了一場(chǎng)新的革命。

早在上世紀(jì)90年代,科研人員便在轉(zhuǎn)基因作物中發(fā)現(xiàn)了RNA干擾(RNA interference,簡(jiǎn)稱(chēng)″RNAi″)現(xiàn)象,接著在線蟲(chóng)、真菌、昆蟲(chóng)、原生動(dòng)物以及哺乳動(dòng)物中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。直到1998年,安德魯.法厄(Andrew Z. Fire)與克雷格.梅洛(Craig C. Mello)在進(jìn)行反義RNA抑制實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)雙鏈RNA相比正義或者反義RNA顯示出了更強(qiáng)的抑制效果,因此推測(cè)在雙鏈RNA引導(dǎo)的抑制過(guò)程中存在某種擴(kuò)增效應(yīng)并且有某種活性酶參與其中,并且將這種現(xiàn)象命名為RNA干擾。在2006年,兩人由于在秀麗隱桿線蟲(chóng)的RNAi機(jī)制研究中的貢獻(xiàn)而共同獲得諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

RNA干擾本質(zhì)上是指由內(nèi)源或外源的雙鏈RNA(dsRNA)引發(fā)的mRNA 降解,導(dǎo)致特異性阻礙靶標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄或者翻譯來(lái)抑制基因表達(dá),導(dǎo)致與目標(biāo)基因相關(guān)的生理功能缺失,或形成功能缺陷,是一種基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制。而RNA干擾作用是通過(guò)一類(lèi)較為穩(wěn)定的中間介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的,小干擾RNA(siRNA)、小分子(microRNA)都能引起RNA干擾現(xiàn)象發(fā)生?；赗NA干擾機(jī)制,可以對(duì)靶標(biāo)基因功能進(jìn)行分析研究,尤其是在基因敲除、基因編輯平臺(tái)不太成熟的非模式物種中,該技術(shù)極具優(yōu)勢(shì)。

圖1：RNA干擾機(jī)制(圖源：維基百科)

自RNA干擾機(jī)制被發(fā)現(xiàn)以來(lái),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于基因功能、生物醫(yī)藥以及農(nóng)作物病蟲(chóng)害防控等領(lǐng)域。由于RNA干擾誘導(dǎo)基因沉默具有高效性、特異性以及簡(jiǎn)便性這些優(yōu)點(diǎn),近些年該技術(shù)也開(kāi)始用在了新型農(nóng)藥開(kāi)發(fā)中。

新型RNA農(nóng)藥是外源干擾RNA制劑,其本質(zhì)是一段雙鏈RNA分子(dsRNA)通過(guò)一定的途徑進(jìn)入害蟲(chóng)體內(nèi),通過(guò)干擾與害蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程,使害蟲(chóng)相關(guān)基因發(fā)生沉默,阻止蛋白質(zhì)的合成,導(dǎo)致害蟲(chóng)的環(huán)境適應(yīng)能力降低或者死亡,最終達(dá)到控制害蟲(chóng)的目的。

農(nóng)藥的發(fā)展和迭代大致經(jīng)歷了三次革命。化學(xué)農(nóng)藥的發(fā)明,改變了人類(lèi)和害蟲(chóng)、病菌及雜草的長(zhǎng)期抗?fàn)幪幱谙嘛L(fēng)的局面,直接推動(dòng)全球糧食單位產(chǎn)量幾十年間實(shí)現(xiàn)倍速增長(zhǎng),所以被稱(chēng)為農(nóng)藥的第一次革命。20世紀(jì)90年代轉(zhuǎn)基因作物成功商業(yè)化種植,可以稱(chēng)為農(nóng)藥史上的第二次革新。而RNA農(nóng)藥利用了化學(xué)農(nóng)藥的噴灑方式和轉(zhuǎn)基因技術(shù)防治原理,僅針對(duì)害蟲(chóng)而不影響農(nóng)作物遺傳表達(dá),是具有化學(xué)農(nóng)藥與轉(zhuǎn)基因作物兩種科技優(yōu)勢(shì)的結(jié)合體。RNA農(nóng)藥具有靶向性強(qiáng)、藥效優(yōu)異、環(huán)境及生態(tài)安全性高、不改變物種遺傳信息、容易解決抗性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),故被稱(chēng)作農(nóng)藥史上第三次革命。

近年來(lái),RNA干擾技術(shù)的新興,涌現(xiàn)了大量的研究所和企業(yè),投身于RNA干擾技術(shù)和新型RNA農(nóng)藥產(chǎn)品的研究中,不斷克服應(yīng)用RNAi面臨的挑戰(zhàn),開(kāi)啟了RNA農(nóng)藥研制賽道,也為生物防治提供了新途徑。下面就透過(guò)近年行業(yè)內(nèi)的熱門(mén)動(dòng)態(tài),了解業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)的新技術(shù)和新產(chǎn)品,探索行業(yè)市場(chǎng)前景。

國(guó)際巨頭率先行動(dòng),RNA農(nóng)藥進(jìn)軍市場(chǎng)

RNAi技術(shù)逐步成熟,20余年時(shí)間的實(shí)踐證明,各大農(nóng)化公司對(duì)于RNAi產(chǎn)品的研制經(jīng)歷了快速入場(chǎng)、瓶頸期撤離、技術(shù)突破后再次入場(chǎng)及高速發(fā)展等幾個(gè)時(shí)期。

近年來(lái),隨著RNAi藥物研發(fā)的蓬勃發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的突破,針對(duì)RNA生物農(nóng)藥的研發(fā)也進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。2017年孟山都表達(dá)昆蟲(chóng)雙鏈RNA的抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因玉米獲得美國(guó)環(huán)境保護(hù)署批準(zhǔn),一下子給農(nóng)化行業(yè)帶來(lái)新希望。各大傳統(tǒng)農(nóng)化公司開(kāi)始投入大量人力物力進(jìn)行布局和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。同時(shí)還吸引了資本市場(chǎng)的關(guān)注,涌現(xiàn)了一大批基于RNAi技術(shù)進(jìn)行病蟲(chóng)害防控的新興公司,極大地加快了RNAi技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的商業(yè)化步伐。

孟山都研發(fā)的第一代轉(zhuǎn)基因玉米MON87411獲得EPA批準(zhǔn),隨后在多個(gè)國(guó)家獲得種植許可,用于防治玉米根螢葉甲。這是全球首例將RNAi技術(shù)用于生物防治領(lǐng)域,也是首個(gè)在植物中表達(dá)dsRNA的產(chǎn)品。2021年1月21日,拜耳宣布該產(chǎn)品獲得中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的轉(zhuǎn)基因生物安全證書(shū)(進(jìn)口和食品/飼料用途),進(jìn)一步加速了該產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程。同時(shí),拜耳預(yù)計(jì)該產(chǎn)品將在美國(guó)進(jìn)行商業(yè)化種植,2023年在加拿大進(jìn)行推廣,未來(lái)幾年內(nèi),推廣1500萬(wàn)英畝(約600公頃)。

除此之外,孟山都近年研發(fā)的新一代改良的轉(zhuǎn)基因玉米MON95275,具有抗鞘翅目害蟲(chóng)的特性,目前已經(jīng)獲得巴西國(guó)家生物安全技術(shù)委員會(huì) (CTNBio)的批準(zhǔn),正準(zhǔn)備進(jìn)一步商業(yè)化。

據(jù)澳新食品標(biāo)準(zhǔn)局(FSANZ)官網(wǎng)顯示,2021年2月9日,批準(zhǔn)美國(guó)陶氏益農(nóng)公司(陶氏化學(xué)公司Dow AgroSciences LLC的全資子公司)的基于RNAi的耐除草劑和抗蟲(chóng)玉米產(chǎn)品DP23211用于食品,該轉(zhuǎn)基因玉米同時(shí)表達(dá)了dsDvSSJ1和IPD072Aa蛋白用于防治玉米根蟲(chóng)。

RNA干擾技術(shù)應(yīng)用于作物病蟲(chóng)害防控逐漸成為一個(gè)熱門(mén)話題。據(jù)Science、Nature、Pest Management Science、Plant Biotechnology Journal等學(xué)術(shù)網(wǎng)站不完全統(tǒng)計(jì),自2017年來(lái),國(guó)際上各大高校及研究所紛紛開(kāi)展基于RNA干擾技術(shù)的轉(zhuǎn)基因作物研究,尤其關(guān)注水稻、玉米、小麥、油菜等主要作物,一定程度上推進(jìn)了RNAi技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖2：2017年至2023年的基于RNAi技術(shù)的轉(zhuǎn)基因作物研究不完全統(tǒng)計(jì)(數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)數(shù)據(jù),35斗整理)

與以往的人們所熟知的轉(zhuǎn)基因作物不同,基于RNA干擾技術(shù)的轉(zhuǎn)基因作物不會(huì)改變植物本身的DNA。RNAi轉(zhuǎn)基因作物是通過(guò)轉(zhuǎn)基因的方法,在植物中導(dǎo)入表達(dá)昆蟲(chóng)干擾RNA的載體,表達(dá)的干擾RNA可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入昆蟲(chóng)體,從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)基因的沉默,達(dá)到抗蟲(chóng)的效果。

但是各大公司和研究所并不滿足于此,除了研究推進(jìn)基于RNAi干擾技術(shù)的抗病轉(zhuǎn)基因作物,開(kāi)始探索用非轉(zhuǎn)基因的方式來(lái)應(yīng)用RNAi技術(shù),通過(guò)外源施用雙鏈RNA(dsRNA),來(lái)提高作物抗病蟲(chóng)害的能力。

而RNA農(nóng)藥的生產(chǎn)并沒(méi)有那么順利,從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的過(guò)程需要經(jīng)過(guò)靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)、dsRNA生產(chǎn)、dsRNA遞送等技術(shù)環(huán)節(jié)。而由于dsRNA極其容易發(fā)生降解,因此,dsRNA的大量生產(chǎn)、穩(wěn)定遞送對(duì)于RNA農(nóng)藥技術(shù)商業(yè)化落地都是至關(guān)重要。

美國(guó)的Greenlight Biosciences公司成立于2008年,致力于人類(lèi)健康和農(nóng)用RNA產(chǎn)品的生產(chǎn)和研發(fā)。該公司突破性的無(wú)細(xì)胞RNA生產(chǎn)平臺(tái)受多項(xiàng)專(zhuān)利保護(hù),可實(shí)現(xiàn)具有成本效益的RNA生產(chǎn)。除此之外,Pebble Labs、Renaissance BioScience、RNAgri(已被收購(gòu))等公司利用微生物解決dsRNA生產(chǎn)問(wèn)題,AgroSpheres、NanoSUR這類(lèi)公司研發(fā)了專(zhuān)有的RNA遞送技術(shù)平臺(tái),加速了RNA農(nóng)藥商業(yè)落地進(jìn)程。

圖3：近幾年致力于dsRNA農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和遞送技術(shù)的國(guó)際公司(數(shù)據(jù)來(lái)源：crunchbase)

據(jù)悉,2019年,拜耳還向美國(guó)EPA提交了新產(chǎn)品BioDirect,該產(chǎn)品是利用RNAi原理,通過(guò)dsRNA進(jìn)行蜜蜂狄斯瓦螨防治,這是向EPA提交的第一份外源應(yīng)用的RNA生物農(nóng)藥活性成分。2021年5月,拜爾將該部分專(zhuān)利授權(quán)給Greenlight Biosciences進(jìn)行dsRNA 的生產(chǎn),新產(chǎn)品預(yù)計(jì)2024年上市。除此之外,Greenlight Biosciences公司在2022年向EPA提交注冊(cè)了一種用于防控科羅拉多馬鈴薯甲蟲(chóng)的dsRNA產(chǎn)品。同時(shí),在植物防治病害方面,該公司也在積極研發(fā)針對(duì)白粉病以及灰霉病的RNAi產(chǎn)品,預(yù)計(jì)2025年能夠作為第一款殺菌劑進(jìn)行批準(zhǔn)上市。

此外,還有多家國(guó)際公司布局直接噴灑型的RNAi產(chǎn)品。RNAissance Ag LLC在積極開(kāi)發(fā)針對(duì)小菜蛾的噴霧式RNA生物農(nóng)藥；先正達(dá)公司在進(jìn)行科羅拉多馬鈴薯甲蟲(chóng)的RNAi殺蟲(chóng)劑的研制,并且預(yù)計(jì)在7到10年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

國(guó)內(nèi)先行者瞄準(zhǔn)RNA農(nóng)藥市場(chǎng),迅速布局

據(jù)相關(guān)資料顯示,我國(guó)在RNA生物農(nóng)藥研發(fā)領(lǐng)域的起點(diǎn)比較高,最早在2007年,中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院陳曉亞院士團(tuán)隊(duì)與孟山都公司同步作出了具有里程碑意義的研究成果。隨后大量的研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域進(jìn)行了各個(gè)層面的深入研究,在這十幾年里,國(guó)內(nèi)高校及研究所投入其中,取得了大量的研究成果。

如中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心苗雪霞團(tuán)隊(duì)在多物種靶標(biāo)基因庫(kù)構(gòu)建、制劑配方優(yōu)化、規(guī)模化生產(chǎn)體系、以及安全性評(píng)估等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所郭惠珊團(tuán)隊(duì)利用跨界RNAi技術(shù),構(gòu)建了棉花抗黃萎病體系。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所王桂榮團(tuán)隊(duì)針對(duì)棉花害蟲(chóng)綠盲蝽(Apolygus lucorum)構(gòu)建了植物介導(dǎo)的RNAi轉(zhuǎn)基因玉米與大豆系。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的沈杰教授團(tuán)隊(duì)利用新型功能化納米材料,建立了簡(jiǎn)便的昆蟲(chóng)基因干擾新技術(shù)平臺(tái),通過(guò)點(diǎn)滴法/噴霧法應(yīng)用dsRNA+納米載體溶液,突破昆蟲(chóng)體壁屏障,穩(wěn)定高效干擾基因表達(dá)；同校的劉西莉教授團(tuán)隊(duì)在今年3月份發(fā)布的研究論文中,對(duì)基于RNA干擾機(jī)制的殺菌劑研究取得新進(jìn)展。中山大學(xué)張文慶團(tuán)隊(duì)以及山西大學(xué)張建珍團(tuán)隊(duì)針對(duì)褐飛虱和飛蝗的靶標(biāo)基因篩選均取得了較好的研究進(jìn)展。

圖4：近年來(lái)具有代表性的幾項(xiàng)有關(guān)RNA干擾技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)藥研發(fā)的研究(數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)數(shù)據(jù)、35斗整理)

根據(jù)專(zhuān)利檢索,我國(guó)累計(jì)申請(qǐng)關(guān)于RNA干擾技術(shù)應(yīng)用于生物農(nóng)藥的專(zhuān)利超2000條,近十年的申請(qǐng)量年均超100條,申請(qǐng)人主要來(lái)源于各大科研院所和高校。可以看出我國(guó)在RNA農(nóng)藥的研究上依舊熱情不減。

圖4：近十年我國(guó)基于RNA干擾技術(shù)研發(fā)農(nóng)藥的專(zhuān)利申請(qǐng)情況(數(shù)據(jù)來(lái)源：企知道專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù))

但是,我國(guó)在成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)化及商業(yè)化程度上顯著落后于國(guó)際水平,要想突破困境,仍需要有先行者往前邁一步,將RNA農(nóng)藥落地,實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

此前35斗采訪過(guò)的硅羿科技便是其中一位先行者,是中國(guó)第一批RNA生物農(nóng)藥高技術(shù)企業(yè),構(gòu)建了100余種病蟲(chóng)害的關(guān)鍵靶基因庫(kù),建立了從研發(fā)到生產(chǎn)的一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)。2021年通過(guò)全國(guó)農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)審核獲得了中國(guó)首次頒發(fā)的四張RNA生物農(nóng)藥--″核酸干擾素″命名函,公司研發(fā)的國(guó)際上第一個(gè)煙草花葉病毒核酸干擾素已正式進(jìn)入國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)田間測(cè)試。公司目前建立了殺菌劑、殺蟲(chóng)劑、除草劑等產(chǎn)品管線,新型RNA生物農(nóng)藥的研發(fā)為我國(guó)綠色發(fā)展的目標(biāo)提供了技術(shù)支撐。

上海植生優(yōu)谷生物技術(shù)有限公司也是加入該賽道的新成員,背靠科研團(tuán)隊(duì),是一家利用RNAi技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害防控開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的高科技公司。公司依托中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心苗雪霞研究團(tuán)隊(duì)的科研成果,圍繞RNA干擾技術(shù),建立了從靶標(biāo)篩選、遞送系統(tǒng)、成本控制到中試生產(chǎn)等RNA生物農(nóng)藥全鏈條研發(fā)體系。目前,公司基于棉蚜及黃曲條跳甲開(kāi)發(fā)的RNA生物農(nóng)藥,經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,田間生物測(cè)定,環(huán)境安全評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié),正在進(jìn)入藥證申報(bào)環(huán)節(jié)。

另外,香港的小默生物公司,也在專(zhuān)注于研發(fā)基于RNAi技術(shù)的產(chǎn)品。該公司開(kāi)發(fā)了一套具有″個(gè)性化″的 RNAi 高通量篩選技術(shù),擁有獨(dú)立的利用細(xì)菌生物工程生產(chǎn) siRNA平臺(tái)。小默生物的產(chǎn)品管線主要分為生物農(nóng)藥和醫(yī)藥兩大類(lèi),其中生物農(nóng)藥主要包括基于 RNAi 的殺蟲(chóng)劑和殺真菌劑,而殺真菌劑是進(jìn)展最快的管線。發(fā)展成中國(guó)的 GreenLight,成為生物科技中的″小米″也是小墨生物的未來(lái)目標(biāo)。

圖5：國(guó)內(nèi)三家RNA農(nóng)藥公司的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品(數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)數(shù)據(jù)、35斗整理)

RNAi農(nóng)藥具有靶向性高、靶點(diǎn)豐富、易降解、不易產(chǎn)生抗性等眾多優(yōu)勢(shì),現(xiàn)在及未來(lái)都會(huì)是環(huán)境友好型的生物農(nóng)藥發(fā)展研究的熱點(diǎn)。據(jù)Mordor Intelligence的研究數(shù)據(jù)顯示,RNAi產(chǎn)品市場(chǎng)在預(yù)測(cè)期內(nèi) (2022-2027)復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)10.12%,美國(guó)是RNAi產(chǎn)品的最大市場(chǎng),而亞洲則是增長(zhǎng)速度最快的地區(qū)。

但就目前而言,高效RNAi靶標(biāo)基因的篩選、dsRNA的生產(chǎn)成本,RNA生物農(nóng)藥的遞送效率、RNA生物農(nóng)藥在進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)殘留量的檢測(cè)等仍是RNA農(nóng)藥應(yīng)用之前亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。除了技術(shù)層面的問(wèn)題之外,相關(guān)政策的制訂及應(yīng)用許可也是需要進(jìn)一步推進(jìn)的。隨著科研機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)以及投資機(jī)構(gòu)對(duì)該領(lǐng)域的進(jìn)一步深耕,相信這些問(wèn)題能夠迎刃而解,RNA生物農(nóng)藥的全面落地指日可待,新型農(nóng)藥的春天也會(huì)來(lái)臨。

參考資料：

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2.《農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)》.RNAi在農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害防控中的應(yīng)用研究進(jìn)展

3.汪芳.RNA干擾技術(shù)在害蟲(chóng)防治中的應(yīng)用及其安全性

4.李海超.RNA生物農(nóng)藥的商業(yè)化現(xiàn)狀及存在問(wèn)題 l RNA生物農(nóng)藥商品化進(jìn)展