过去的几十年里,传统农药在防治病虫害、提高作物产量方面起到了重要作用,但是其危害也逐渐显现:土壤污染、生态破坏、农药残留等。现在农药的危害甚至超过了它所起到的作用,以致于许多地方开始禁用农药。而且,由于滥用农药,许多害虫都已产生抗药性,农药不再像过去那么有效。
有什么办法可以解决这些矛盾呢?不如试试新型RNA农药。
RNA如何做农药
农药的作用是通过干扰有害动植物的各种生理功能来使其死亡,而RNA是广泛存在于各种生物体内的遗传信息载体,负责传递DNA中储存的遗传信息,引导蛋白质的合成。这两者有什么关系呢?如果RNA也被制成农药,它会如何起作用呢?
将遗传物质用来防治病虫害的做法由来已久,不过以前用到的是DNA。后来,科学家发现RNA可以干扰遗传信息传递,破坏正常遗传流程。1995年,有科学家发现,转入线虫体内的RNA能阻断其基因的表达,进一步研究发现,使线虫基因失效的是小片段的双链RNA,科学家将这一现象命名为“RNA干扰”。
RNA有许多类型,同一种生物会制造多种不同形态不同功能的RNA,不同生物的RNA更是多种多样。对某种生物来说,其他物种的RNA就像病毒一样,会被识别为异物并被核酸酶切割,使其失去功能。但是,如果进入生物体的外来RNA是双链RNA,它被切割后会成为单链的小分子RNA,仍可能保持完整的结构。生物自身的信使RNA——细胞用来将遗传指令转化为蛋白质的分子,会随机与这些小分子RNA结合,当信使RNA的关键点位被小分子RNA占据后,它就无法发挥原有功能——不传递遗传信息,表现出基因失效的现象。
可以想象,如果双链RNA进入害虫体内,干扰其关键生理过程的基因,不就能起到农药的作用了吗?
RNA农药发展快
与传统农药和“DNA农药”相比,“RNA农药”有着突出的优势。
RNA农药具有可以生物降解的优点,微生物会在几天内分解土壤中的RNA,因此RNA农药不会像传统农药那样在环境中积累。此外,RNA不会以任何形式改变宿主的遗传结构,使作物产生基因突变或新的性状,不会因为基因交流而污染自然基因池。既然作物的基因不会发生改变,我们也就不用担心这些作物的安全问题。
近年来,RNA农药的发展十分迅速。起初,由于RNA在环境中不稳定,人们只能使用转基因技术将双链RNA转入作物体内,当害虫食用作物时就可以杀伤害虫。2017年,美国生物公司孟山都将特定序列的双链RNA转入玉米体中,制造了首批使用RNA农药的玉米,通过RNA干扰机制,这批玉米实现了不伤及其他生物的精准抗虫目标。
后来,科学家找到了体外保存RNA的方法,制造出了像传统农药一样可以直接喷洒在植物叶片上的RNA农药。2018年,两家美国生物科技公司合作研究出一种生物分子封装技术,这种类似细胞膜的结构可以将RNA包裹其中。这种RNA农药被喷洒到作物叶片上,当害虫想要啃食作物时,就会首先将RNA农药摄入体内,触发RNA干扰机制,最终导致其死亡。
还有许多公司都在研究RNA农药喷雾剂。一家美国初创生物公司正在开发一种针对小菜蛾的喷雾剂,小菜蛾对卷心菜的危害十分巨大,并且已经对常见的杀虫剂产生了一些抗药性。美国绿光生物科学公司有一种针对马铃薯甲虫的RNA喷雾剂,目前正在接受上市前评估。已列入该公司研制名单中的产品还有一款防治草莓病虫害的喷雾剂,这都是目前市场上紧缺的农药类型。
不仅农作物,连养殖动物也受益于RNA农药,比如蜜蜂。蜜蜂长期被瓦螨所困扰,瓦螨靠附在蜜蜂身上并以蜜蜂为食而生存,这会削弱或杀死宿主,并在蜂巢周围传播病毒,使蜂房里的蜜蜂成片死亡。以前人们仅仅能有限地控制瓦螨的危害,RNA农药的出现提供了新的解决方案,美国绿光生物科学公司将破坏瓦螨的RNA注入蜜蜂体内,当瓦螨再次寄生在蜜蜂身上,它们就会服下这一“穿肠毒药”而纷纷死去。
最近,科学家又发现RNA农药对一些霉菌也有杀伤力。双链RNA在霉菌体内与在昆虫体内有相同的效果,它会干扰控制霉菌细胞分裂的基因,又或者促使霉菌产生对自身有毒的毒素,从而杀死霉菌。
随着技术的不断进步,我们将获得更多功能更强大的RNA农药。不过,这次我们要吸取教训,不能再次重蹈覆辙——如果因为滥用农药而使害虫快速产生抗药性,我们又将再次陷入“无药可用”的泥淖。
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