科学网—最完美的杀虫剂RNAi
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2024-6-29 07:07
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最完美的杀虫剂 RNAi
科罗拉多马铃薯甲虫的破坏性如此之大，以至于东德的宣传曾一度指责美国将这种贪婪的昆虫投放到该国的马铃薯田里。“阻止美国甲虫”——1950年的一个宣传册这样写道。没有证据表明这种五彩斑斓的害虫被用作生物战的一种形式。但德国的马铃薯农民——以及许多其他国家的农民——至今仍在与这种甲虫作斗争。
这种甲虫原产于落基山脉，如今已遍布北半球，每年造成超过50亿美元的农作物损失。它对抵抗药物有着极高的适应性，使其难以控制。从1930年代开始，这种害虫就成为研究化学杀虫剂的早期驱动力。自那以后，它已经对一种又一种化合物产生了免疫力——现在超过50种杀虫剂，代表了所有主要类型的活性成分。
缅因大学的昆虫学家安德烈·阿廖欣谈到2001年，当缅因州的农民注意到一类仍然较新的杀虫剂——新烟碱类——不再能控制这种甲虫时说：“它们就像没事一样地啃食处理过的植物。”他补充说，找到额外的工具“越来越困难”。
一只甲虫和它的幼虫在一个部分被吃掉的叶子上。甲虫的翅膀上有黄色和黑色的垂直条纹，头部呈红橙色带有黑点。幼虫略小，呈红橙色，每侧有一列黑点。
然而，今年，美国农民将有一种新的武器来对抗这种害虫，这种武器以一种与传统杀虫剂完全不同的方式起作用，支持者表示这对人类和环境应该更安全。基于 一种名为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关键基因。 这个基因目标对该害虫及其近亲是独特的，这应该可以防止对传粉者和其他物种的伤害。“你可以……精确地击中你想要杀死的昆虫，”肯塔基大学的昆虫学家苏巴·雷迪·帕利去年在《昆虫科学前沿》杂志上发表的一篇评论中描述了基于RNA的农药的发展过程时说。“没有什么比这更好的了。”
由GreenLight Biosciences公司营销的产品Calantha在今年1月获得了美国环保局（EPA）的批准，经过4年的审查。更多基于RNA的产品正在研发中。GreenLight已申请了一种针对蜜蜂的主要祸害——螨虫的杀虫剂的监管批准，这种螨虫几乎能抵抗所有可用的杀虫剂。其他公司的产品正在进行田间试验。与此同时，各大学的研究人员正在探索使用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。
这项技术也有局限性：它在鳞翅目昆虫上效果不佳，这是一组包括许多害虫在内的昆虫，它们的肠道中有强大的酶可以分解RNA。 而且它也有批评者。在Calantha的监管审查期间，环境团体对可能对非目标物种造成的伤害表示担忧。例如，濒危的亨格福德爬行水甲虫可能会生活在靠近马铃薯田的地方。这些团体呼吁进行更广泛的风险评估。（EPA只要求对几种指示物种进行测试，如蜜蜂和瓢虫。）他们还指出，保持RNA稳定的喷雾配方是否安全尚不清楚，因为成分是保密的。
科罗拉多马铃薯甲虫成虫（上图）和幼虫（下图）已对大多数杀虫剂产生了抗药性。
但许多人希望这项技术能够开启害虫控制的新纪元。“我认为RNAi将会爆发，”拜耳公司的昆虫学家威廉·莫尔说，他长期致力于基于RNA的控制研究。与目前使用的大多数化学品相比，内布拉斯加大学林肯分校的昆虫毒理学家安娜·玛丽亚·韦莱兹补充说，“它更安全。”
RNA农药背后的科学始于几十年前一些令人困惑的实验室结果。在1980年代，研究DNA的研究人员惊讶地发现，如果他们增加某个基因的副本数，可以有效地沉默该基因的表达。在一个实验中，通过基因工程使牵牛花拥有了负责其紫色色调基因的几个副本。生物学家原以为这种改变会加深颜色。结果恰恰相反：一些花朵完全没有了色素。额外的基因如何沉默原始基因是一个谜，但其他研究人员开始怀疑这与RNA有关。
信使RNA（mRNA）——携带基因编码信息到细胞蛋白质制造机器中的遗传物质——通常以单链形式存在。然而，有时一个链会与一个互补伙伴结合。在1990年代，解释基因沉默的一个假设是，添加一个额外的基因不知何故导致了一条互补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并构建蛋白质。
为了测试这个想法，康奈尔大学的一名研究生苏国将单链RNA注射到秀丽隐杆线虫中——一种长度为毫米的蠕虫，是发育和分子生物学实验室调查的常客。部分实验如预期那样进行：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，苏国发现与蠕虫的mRNA相同的RNA也使基因沉默了。
1998年，卡内基科学研究所的安德鲁·菲尔和马萨诸塞大学医学院的克雷格·梅洛领导的小组取得了突破，他们向秀丽隐杆线虫注射了编码帮助肌肉细胞适当收缩和放松的蛋白质的RNA。当他们增加了一个步骤以确保RNA没有被不需要的遗传物质污染时，他们发现单链RNA没有使基因沉默；只有当两种链作为双链RNA（dsRNA）一起注射时才发生沉默。事实证明，之前令人困惑的结果是由于微小的dsRNA污染所致。2006年，菲尔和梅洛因此项发现获得诺贝尔奖。
后来的工作揭示了这一现象，现在称为RNAi，是因为细胞机械装置的作用，其中包括保护细胞免受需要dsRNA生命周期的病毒感染。一种名为DICER的大型酶在细胞内定位长段dsRNA，然后将其切割成称为短干扰RNA（siRNA）的小片段。这些小片段被一个名为RISC的蛋白质复合体——RNA诱导的沉默复合体——拾起，它在细胞中寻找与其siRNA序列匹配的单链RNA。（dsRNA病毒也需要单链RNAs进行部分复制。）如果RISC找到任何此类RNA，它会触发其破坏。
这些发现让人们希望dsRNA可以作为药物使用。在诺贝尔奖颁奖典礼上发表演讲时，菲尔——那时他在斯坦福大学——沉思道， dsRNA可能有助于关闭与疾病相关的基因，例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用于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，另一个使用秀丽隐杆线虫的实验让科学家们希望RNAi可能有助于处理一个完全不同的问题：害虫控制。莉莎·蒂蒙斯，当时是菲尔的一名博士后研究员，她遗传改造了大肠杆菌，使其产生能够干扰蠕虫肌肉收缩基因的dsRNA。当蠕虫吃掉这些细菌时，它们开始抽搐——这是基因被沉默的明显迹象。直到那一刻，没有人预料到dsRNA可以通过消化道被吸收并进入细胞以沉默基因。“这是非常令人惊讶的事情，”吉森尤斯图斯·李比希大学的植物病理学家卡尔-海因茨·科格尔说。这表明，当摄入正确的dsRNA时，可以杀死害虫。
基于RNA的害虫控制首次去年作为转基因作物上市。美国农民开始种植拜耳公司通过基因工程改造的玉米品种SmartStax Pro，以抵抗西方玉米根虫。该植物产生的dsRNA干扰了DvSnf7的表达，这是一个对蛋白质跨越细胞膜运动至关重要的根虫基因。根据2017年的一项研究，在严重感染的田间试验中，与传统玉米相比，这种植物根部受到的损伤减少了95%。该品种于那年获得环保局（EPA）的批准，但由于拜耳还寻求在美国进口玉米的国家获得批准，直到2023年才进入美国市场。
许多人希望新品种能够降低玉米根虫的影响，后者已对其他控制形式产生了抗药性。“我们绝对需要新的作用方式，”莫尔说。这种方法的好处很多：通过遗传工程使植物产生dsRNA，农民无需喷洒，农药随时准备就绪，而且只有食用作物的昆虫才会暴露其中。
然而，创建一个转基因作物并获得批准可能需要十多年时间，成本高达2亿美元以上。欧洲提出了特别的挑战，因为那里的监管障碍更高，消费者接受度更低。因此，一些公司正在开发dsRNA作为喷雾剂，这是一种更快、更便宜的过程。喷雾剂也可能更加灵活，因为它可以被授权用于任何经常有害虫出没的作物上。
科罗拉多马铃薯甲虫是一个很好的目标，因为这些贪婪的家伙不仅损害马铃薯，还损害番茄、茄子和甜椒。研究还表明，用dsRNA喂食害虫可以有效沉默目标基因。
在探索甲虫的各种基因后，GreenLight的肯·纳尔瓦和他的团队选择了PSMB5，它编码清除受损蛋白质的细胞机器的一部分。当它被沉默时，细胞会积累非功能性蛋白质并死亡。根据2021年的一项研究，实验室和温室测试中的PSMB5 dsRNA在6天内杀死了90%的幼虫。
为了测试这种农药是否会伤害其他昆虫，GreenLight的罗恩·弗拉纳根及其同事检查了生物信息学数据库，以查看马铃薯甲虫中的PSMB5与其他昆虫中的版本有多大差异。四种密切相关的甲虫有一些序列匹配。但对那些物种的毒性测试显示，只有两种受到农药影响，且都是农业害虫。对关系较远的昆虫——蜜蜂、绿色草蛉、瓢虫等进行的测试显示没有不良影响。
这些结果令人鼓舞，阿利欣说，他与GreenLight合作开发了Calatha。但他说，“我们不应该假设仅仅因为是RNAi就不会有非目标效应。”
随着技术的发展，一些研究人员质疑dsRNA是否能够以足够低的成本和足够的数量生产出来，以实用化。GreenLight表示，解决方案位于纽约罗切斯特的一座前柯达工厂内。该公司于2021年在那里开设了一家工厂，以扩大其dsRNA的生产规模。在工厂内部，工人们照料着大型生物反应器，其中大肠杆菌培养液不断产生宝贵的试剂：含有Calatha中dsRNA指令的称为质粒的DNA环，以及将合成它的酶。一旦纯化，质粒和酶被输送到其他罐中，在那里发生生化反应产生dsRNA。然后，这种RNA与一种专有的化学溶液混合，该溶液有助于它粘附在叶片上。
这家工厂每年可以生产2吨dsRNA，首席执行官安德烈·扎鲁尔预计这一数字到2025年底将增加到20吨。而且它可以以每克不到1美元的成本生产这种dsRNA，使GreenLight能够以与顶级商用农药相媲美的价格销售其新农药。
田纳西大学诺克斯维尔分校（UTK）的昆虫学家胡安·路易斯·朱拉特-富恩特斯，他研究RNAi近十年，他说“最激动人心的时刻”是当他听说GreenLight可以大批量廉价制造dsRNA时。“那时我觉得这是可行的。”
现在，杀虫dsRNA喷雾已经上市，一个关键问题是害虫多久会发展出使这种武器失效的方法。“这些虫子太疯狂了，”贝莱兹说。“有时，它们真的让我们感到惊讶。”
研究人员已经知道，至少是在实验室里，一些害虫可以进化出逃避dsRNA的方法。2018年，莫尔及其同事发表了一篇论文，显示西方玉米根虫进化出了停止从肠道吸收dsRNA的能力。通过这样做，昆虫有效地对任何dsRNA方法产生了抗性，莫尔称这一结果“令人警醒”，因为没有简单的解决办法。
田纳西大学诺克斯维尔分校的博士生斯瓦蒂·米什拉正在发现科罗拉多马铃薯甲虫出现了类似的现象。在一个不断将幼虫暴露于dsRNA的实验室环境中，昆虫在11代内大幅减少了对遗传物质的吸收。在田间条件下，甲虫可能需要多长时间才能进化出抗性，这是一个很难预测的问题，因为它们没有暴露于那么多的dsRNA。
为了降低抗性出现的风险，美国环保局要求种植SmartStax Pro——这种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块增加了根虫种群维持对dsRNA敏感的基因的可能性。马铃薯农民在使用Calantha时没有面临相同的要求，因为它不是转基因作物。弗兰纳根说，GreenLight意识到了这种风险，并将鼓励农民交替使用dsRNA和其他农药。“我们正试图确保将RNA作为工具箱的一部分来管理。”
沃尔瑟农场的农艺师卡尔·里奇说，甲虫对所有可用农药产生抗性的前景，正如1990年代发生的那样，仍然困扰着这个行业。沃尔瑟农场在3000多公顷的土地上种植马铃薯，并参与了Calantha的试验。“每个人都很紧张。”然而，现在，里奇感激他手头有另一种农药可以使用。为了帮助防止抗性，他正在与邻近的农民协调农药的使用；他们所有人将在一年中喷洒同一种农药，下一年则换用其他东西。
与此同时，研究人员希望将RNA农药的使用扩展到鳞翅目昆虫，包括主要的蛾类害虫，如玉米螟和草地贪夜蛾。许多已经对化学杀虫剂产生了抗性——但到目前为止，它们似乎对dsRNA不敏感。“用RNA控制鳞翅目昆虫有点像圣杯，”莫尔说。“但到目前为止还没有人能够使其在商业上可行。”
各公司正在尝试，其中一些研究旨在包装dsRNA以在鳞翅目昆虫的消化和免疫系统中存活下来。“这是目前RNAi领域最热门的领域之一，”朱拉特-富恩特斯说。
AgroSpheres公司已通过基因工程改造细菌来制造dsRNA和来自其细胞壁的微小保护壳。根据2022年报告的一项田间试验结果显示，对甘蓝上的小菜蛾的控制达到了“商业上可接受”的水平。另一家公司Trillium Ag开发了一种不同的包装。每个短的RNA链都被更短的分子——称为适体——包围，这些适体作为蛋白质或脂质覆盖物的锚点。该公司目前正在测试其在草地贪夜蛾和其他两种害虫上的有效性。
一般来说，很难知道这些保护技术的效果如何，专家表示，因为大多数公司发布的结果很少。但对Palli来说，他对这些非传统农药的未来持谨慎乐观态度。“随着我们了解得越来越多，我们将找到克服这些障碍的方法。这一定会发生。”
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