傳統農藥是一把雙刃劍,在給農業帶來巨大經濟效益的同時,也引發一些新的問題。農藥的大量使用帶來了生態污染,破壞了自然環境的整體平衡,不利于環境的友好發展,也不符合可持續發展要求。同時農藥殘留問題也會給人們的身體健康帶來危害。而隨著化學農藥的泛濫,害蟲的抗藥性持續加強,為達到良好的殺蟲效果就需要不斷地革新。而RNAi技術給了農藥行業一個新的啟示,RNA農藥的問世,也掀起了一場新的革命。

早在上世紀90年代,科研人員便在轉基因作物中發現了RNA干擾(RNA interference,簡稱″RNAi″)現象,接著在線蟲、真菌、昆蟲、原生動物以及哺乳動物中陸續發現這一現象。直到1998年,安德魯.法厄(Andrew Z. Fire)與克雷格.梅洛(Craig C. Mello)在進行反義RNA抑制實驗時發現雙鏈RNA相比正義或者反義RNA顯示出了更強的抑制效果,因此推測在雙鏈RNA引導的抑制過程中存在某種擴增效應并且有某種活性酶參與其中,并且將這種現象命名為RNA干擾。在2006年,兩人由于在秀麗隱桿線蟲的RNAi機制研究中的貢獻而共同獲得諾貝爾生理及醫學獎。

RNA干擾本質上是指由內源或外源的雙鏈RNA(dsRNA)引發的mRNA 降解,導致特異性阻礙靶標基因的轉錄或者翻譯來抑制基因表達,導致與目標基因相關的生理功能缺失,或形成功能缺陷,是一種基因表達調控機制。而RNA干擾作用是通過一類較為穩定的中間介質實現的,小干擾RNA(siRNA)、小分子(microRNA)都能引起RNA干擾現象發生?；赗NA干擾機制,可以對靶標基因功能進行分析研究,尤其是在基因敲除、基因編輯平臺不太成熟的非模式物種中,該技術極具優勢。

圖1：RNA干擾機制(圖源：維基百科)

自RNA干擾機制被發現以來,已經被廣泛應用于基因功能、生物醫藥以及農作物病蟲害防控等領域。由于RNA干擾誘導基因沉默具有高效性、特異性以及簡便性這些優點,近些年該技術也開始用在了新型農藥開發中。

新型RNA農藥是外源干擾RNA制劑,其本質是一段雙鏈RNA分子(dsRNA)通過一定的途徑進入害蟲體內,通過干擾與害蟲生長發育相關基因的轉錄和翻譯過程,使害蟲相關基因發生沉默,阻止蛋白質的合成,導致害蟲的環境適應能力降低或者死亡,最終達到控制害蟲的目的。

農藥的發展和迭代大致經歷了三次革命?；瘜W農藥的發明,改變了人類和害蟲、病菌及雜草的長期抗爭處于下風的局面,直接推動全球糧食單位產量幾十年間實現倍速增長,所以被稱為農藥的第一次革命。20世紀90年代轉基因作物成功商業化種植,可以稱為農藥史上的第二次革新。而RNA農藥利用了化學農藥的噴灑方式和轉基因技術防治原理,僅針對害蟲而不影響農作物遺傳表達,是具有化學農藥與轉基因作物兩種科技優勢的結合體。RNA農藥具有靶向性強、藥效優異、環境及生態安全性高、不改變物種遺傳信息、容易解決抗性問題等優點,故被稱作農藥史上第三次革命。

近年來,RNA干擾技術的新興,涌現了大量的研究所和企業,投身于RNA干擾技術和新型RNA農藥產品的研究中,不斷克服應用RNAi面臨的挑戰,開啟了RNA農藥研制賽道,也為生物防治提供了新途徑。下面就透過近年行業內的熱門動態,了解業內領先企業的新技術和新產品,探索行業市場前景。

國際巨頭率先行動,RNA農藥進軍市場

RNAi技術逐步成熟,20余年時間的實踐證明,各大農化公司對于RNAi產品的研制經歷了快速入場、瓶頸期撤離、技術突破后再次入場及高速發展等幾個時期。

近年來,隨著RNAi藥物研發的蓬勃發展以及相關技術的突破,針對RNA生物農藥的研發也進入了快速發展時期。2017年孟山都表達昆蟲雙鏈RNA的抗蟲轉基因玉米獲得美國環境保護署批準,一下子給農化行業帶來新希望。各大傳統農化公司開始投入大量人力物力進行布局和產品開發。同時還吸引了資本市場的關注,涌現了一大批基于RNAi技術進行病蟲害防控的新興公司,極大地加快了RNAi技術在農業領域應用的商業化步伐。

孟山都研發的第一代轉基因玉米MON87411獲得EPA批準,隨后在多個國家獲得種植許可,用于防治玉米根螢葉甲。這是全球首例將RNAi技術用于生物防治領域,也是首個在植物中表達dsRNA的產品。2021年1月21日,拜耳宣布該產品獲得中國農業農村部頒發的轉基因生物安全證書(進口和食品/飼料用途),進一步加速了該產品的商業化進程。同時,拜耳預計該產品將在美國進行商業化種植,2023年在加拿大進行推廣,未來幾年內,推廣1500萬英畝(約600公頃)。

除此之外,孟山都近年研發的新一代改良的轉基因玉米MON95275,具有抗鞘翅目害蟲的特性,目前已經獲得巴西國家生物安全技術委員會 (CTNBio)的批準,正準備進一步商業化。

據澳新食品標準局(FSANZ)官網顯示,2021年2月9日,批準美國陶氏益農公司(陶氏化學公司Dow AgroSciences LLC的全資子公司)的基于RNAi的耐除草劑和抗蟲玉米產品DP23211用于食品,該轉基因玉米同時表達了dsDvSSJ1和IPD072Aa蛋白用于防治玉米根蟲。

RNA干擾技術應用于作物病蟲害防控逐漸成為一個熱門話題。據Science、Nature、Pest Management Science、Plant Biotechnology Journal等學術網站不完全統計,自2017年來,國際上各大高校及研究所紛紛開展基于RNA干擾技術的轉基因作物研究,尤其關注水稻、玉米、小麥、油菜等主要作物,一定程度上推進了RNAi技術在農業領域的應用。

圖2：2017年至2023年的基于RNAi技術的轉基因作物研究不完全統計(數據來源：公開數據,35斗整理)

與以往的人們所熟知的轉基因作物不同,基于RNA干擾技術的轉基因作物不會改變植物本身的DNA。RNAi轉基因作物是通過轉基因的方法,在植物中導入表達昆蟲干擾RNA的載體,表達的干擾RNA可以通過食物鏈進入昆蟲體,從而實現相關基因的沉默,達到抗蟲的效果。

但是各大公司和研究所并不滿足于此,除了研究推進基于RNAi干擾技術的抗病轉基因作物,開始探索用非轉基因的方式來應用RNAi技術,通過外源施用雙鏈RNA(dsRNA),來提高作物抗病蟲害的能力。

而RNA農藥的生產并沒有那么順利,從實驗室到市場的過程需要經過靶標發現、dsRNA生產、dsRNA遞送等技術環節。而由于dsRNA極其容易發生降解,因此,dsRNA的大量生產、穩定遞送對于RNA農藥技術商業化落地都是至關重要。

美國的Greenlight Biosciences公司成立于2008年,致力于人類健康和農用RNA產品的生產和研發。該公司突破性的無細胞RNA生產平臺受多項專利保護,可實現具有成本效益的RNA生產。除此之外,Pebble Labs、Renaissance BioScience、RNAgri(已被收購)等公司利用微生物解決dsRNA生產問題,AgroSpheres、NanoSUR這類公司研發了專有的RNA遞送技術平臺,加速了RNA農藥商業落地進程。

圖3：近幾年致力于dsRNA農產品生產和遞送技術的國際公司(數據來源：crunchbase)

據悉,2019年,拜耳還向美國EPA提交了新產品BioDirect,該產品是利用RNAi原理,通過dsRNA進行蜜蜂狄斯瓦螨防治,這是向EPA提交的第一份外源應用的RNA生物農藥活性成分。2021年5月,拜爾將該部分專利授權給Greenlight Biosciences進行dsRNA 的生產,新產品預計2024年上市。除此之外,Greenlight Biosciences公司在2022年向EPA提交注冊了一種用于防控科羅拉多馬鈴薯甲蟲的dsRNA產品。同時,在植物防治病害方面,該公司也在積極研發針對白粉病以及灰霉病的RNAi產品,預計2025年能夠作為第一款殺菌劑進行批準上市。

此外,還有多家國際公司布局直接噴灑型的RNAi產品。RNAissance Ag LLC在積極開發針對小菜蛾的噴霧式RNA生物農藥；先正達公司在進行科羅拉多馬鈴薯甲蟲的RNAi殺蟲劑的研制,并且預計在7到10年實現商業化。

國內先行者瞄準RNA農藥市場,迅速布局

據相關資料顯示,我國在RNA生物農藥研發領域的起點比較高,最早在2007年,中國科學院上海生命科學研究院陳曉亞院士團隊與孟山都公司同步作出了具有里程碑意義的研究成果。隨后大量的研究團隊在這一領域進行了各個層面的深入研究,在這十幾年里,國內高校及研究所投入其中,取得了大量的研究成果。

如中國科學院分子植物科學卓越創新中心苗雪霞團隊在多物種靶標基因庫構建、制劑配方優化、規?；a體系、以及安全性評估等領域進行了大量的研究。中國科學院微生物研究所郭惠珊團隊利用跨界RNAi技術,構建了棉花抗黃萎病體系。中國農業科學院植物保護研究所王桂榮團隊針對棉花害蟲綠盲蝽(Apolygus lucorum)構建了植物介導的RNAi轉基因玉米與大豆系。中國農業大學的沈杰教授團隊利用新型功能化納米材料,建立了簡便的昆蟲基因干擾新技術平臺,通過點滴法/噴霧法應用dsRNA+納米載體溶液,突破昆蟲體壁屏障,穩定高效干擾基因表達；同校的劉西莉教授團隊在今年3月份發布的研究論文中,對基于RNA干擾機制的殺菌劑研究取得新進展。中山大學張文慶團隊以及山西大學張建珍團隊針對褐飛虱和飛蝗的靶標基因篩選均取得了較好的研究進展。

圖4：近年來具有代表性的幾項有關RNA干擾技術應用于農藥研發的研究(數據來源：公開數據、35斗整理)

根據專利檢索,我國累計申請關于RNA干擾技術應用于生物農藥的專利超2000條,近十年的申請量年均超100條,申請人主要來源于各大科研院所和高校?？梢钥闯鑫覈赗NA農藥的研究上依舊熱情不減。

圖4：近十年我國基于RNA干擾技術研發農藥的專利申請情況(數據來源：企知道專利數據庫)

但是,我國在成果轉化、產業化及商業化程度上顯著落后于國際水平,要想突破困境,仍需要有先行者往前邁一步,將RNA農藥落地,實現商業化。

此前35斗采訪過的硅羿科技便是其中一位先行者,是中國第一批RNA生物農藥高技術企業,構建了100余種病蟲害的關鍵靶基因庫,建立了從研發到生產的一系列具有自主知識產權的關鍵技術和產業化平臺。2021年通過全國農藥標準化委員會審核獲得了中國首次頒發的四張RNA生物農藥--″核酸干擾素″命名函,公司研發的國際上第一個煙草花葉病毒核酸干擾素已正式進入國家權威機構田間測試。公司目前建立了殺菌劑、殺蟲劑、除草劑等產品管線,新型RNA生物農藥的研發為我國綠色發展的目標提供了技術支撐。

上海植生優谷生物技術有限公司也是加入該賽道的新成員,背靠科研團隊,是一家利用RNAi技術進行農業病蟲害防控開發及應用的高科技公司。公司依托中國科學院分子植物科學卓越創新中心苗雪霞研究團隊的科研成果,圍繞RNA干擾技術,建立了從靶標篩選、遞送系統、成本控制到中試生產等RNA生物農藥全鏈條研發體系。目前,公司基于棉蚜及黃曲條跳甲開發的RNA生物農藥,經過了實驗室測定,田間生物測定,環境安全評價等環節,正在進入藥證申報環節。

另外,香港的小默生物公司,也在專注于研發基于RNAi技術的產品。該公司開發了一套具有″個性化″的 RNAi 高通量篩選技術,擁有獨立的利用細菌生物工程生產 siRNA平臺。小默生物的產品管線主要分為生物農藥和醫藥兩大類,其中生物農藥主要包括基于 RNAi 的殺蟲劑和殺真菌劑,而殺真菌劑是進展最快的管線。發展成中國的 GreenLight,成為生物科技中的″小米″也是小墨生物的未來目標。

圖5：國內三家RNA農藥公司的相關技術和產品(數據來源：公開數據、35斗整理)

RNAi農藥具有靶向性高、靶點豐富、易降解、不易產生抗性等眾多優勢,現在及未來都會是環境友好型的生物農藥發展研究的熱點。據Mordor Intelligence的研究數據顯示,RNAi產品市場在預測期內 (2022-2027)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。

但就目前而言,高效RNAi靶標基因的篩選、dsRNA的生產成本,RNA生物農藥的遞送效率、RNA生物農藥在進行環境風險評估時殘留量的檢測等仍是RNA農藥應用之前亟需解決的關鍵問題。除了技術層面的問題之外,相關政策的制訂及應用許可也是需要進一步推進的。隨著科研機構、相關企業以及投資機構對該領域的進一步深耕,相信這些問題能夠迎刃而解,RNA生物農藥的全面落地指日可待,新型農藥的春天也會來臨。

參考資料：

1.關若冰,李海超.《RNA生物農藥的商業化現狀及存在問題》

2.《農藥學學報》.RNAi在農業病蟲害防控中的應用研究進展

3.汪芳.RNA干擾技術在害蟲防治中的應用及其安全性

4.李海超.RNA生物農藥的商業化現狀及存在問題 l RNA生物農藥商品化進展