在分子水平让杂草「自相残杀」，初创基于RNAi开发下一代除草剂

杂草是农业生产中一大杀手，不仅对农作物具有直接威胁，还极易产生强大的抗药性。其对农业的威胁是多方面的，譬如与农作物或者其他人们需要的植物竞争生存空间和光照、土壤、水分养分等资源；成为植物病原体、害虫的宿主或载体等。其生命力之顽强也可谓春风吹又生 —— 生长迅速、繁殖迅速，极易成为入侵植物，打破本地原有的生态平衡。

过去七十年以来，人们主要依靠除草剂控制杂草。但除草剂的广泛使用带来强大而广泛的选择压力，导致数百种杂草对除草剂产生抗药性。为了对抗抗性，需施用更大剂量的除草剂或者对作物进行基因改造。但不少除草剂具有致癌风险，“产生抗性 — 增加用量” 无疑是恶性循环。

图 | 草甘膦抗性机制（来源：Todd Gaines 论文 [1]）

杂草的进化适应力推动了除草剂和抗除草剂作物的发展和抗性管理策略的升级迭代。

近日，来自美国科罗拉多州立大学杂草研究实验室的 Todd Gaines 副教授正在与生物技术公司 AUM LifeTech 合作，研究 RNAi 在杂草控制上的应用和方法。

Todd Gaines 在杂草控制方面有着丰富的理论研究。他的实验室专注于研究由于人类管理（特别是除草剂和除草剂抗性进化）导致的杂草物种进化轨迹的变化，并开发基因组学和生物信息学资源以研究杂草物种和作物的除草剂抗性特征。

图 | Todd Gaines（来源：学校官网）

双方的合作缘于在一次农业生物技术会议上，AUM LifeTech 的创始人兼首席执行官 Veenu Aishwarya 与 Todd Gaines 相遇。AUM LifeTech 是一家总部位于费城的生物技术公司，在基因沉默和调控领域拥有革命性的核酸平台，利用 RNAi 寻求治疗基因相关疾病的方法。而 Aishwarya 嗅到了 RNAi 在农业中应用的潜力，希望在这个方向上扩展公司。他与 Gaines 的合作为期两年，由国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）资助。

RNA 干扰（RNA interference，RNAi）是一种在上世纪九十年代就被科学家们陆续发现存在于植物、线虫、昆虫乃至脊椎动物中的一种现象。

真核生物中，与靶标基因对应的双链 RNA（double-stranded RNA，dsRNA）进入细胞后会被核酸内切酶 Dicer 切割为 21-23bp 的干扰小 RNA（small interfering RNA，siRNA），然后 siRNA 与一种由多个分子组成的 RNA 诱导沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC）结合，在 ATP 提供能量的情况下，siRNA 中的反义链（反义 RNA，即 antisense RNA，asRNA）找到与其碱基互补的 mRNA 序列并由 RISC 中的 Argonaute 蛋白质进行切割，使 mRNA 降解，并最终起到降低靶标基因表达的作用。

图 | RNAi 机制（来源：ResearchGate）

由于 RNAi 现象在真核生物中普遍存在，且 RNAi 技术简便高效、特异性强，对天敌等有益生物风险小，不改变物种的基因组，在自然环境中易降解，因此无毒、残留时间短，对生态系统相对安全。在研究基因功能、植物病虫害防止、益虫保护、人类医药研发和疾病治疗中有巨大应用潜力。

根据公开消息，依托 AUM LifeTech 的技术平台，Todd Gaines 将开发反义 RNA 为分子工具，将其导入杂草植物的细胞，asRNA  靶向细胞内原有的单链 RNA，从而形成 dsRNA，开启上文所述的 RNA 干扰过程。靶向单链 RNA 通常对应着杂草生长繁殖必须环节的基因，因此，“干扰” 掉这个基因的功能，杂草就无法正常生存或繁殖。

该团队的实验对象是长芒苋（Amaranthus palmeri），这是一种除了具备强大生长、传播力，还对几乎所有除草剂都已产生抗药性的杂草。除了开发 RNA 分子工具，还有一个重要的技术是如何将外源 RNA 导入杂草的细胞，这一步是 RNAi 效率和稳定性的关键。为此该团队优化了基于纳米颗粒的、耐储存的喷雾形式的递送系统。

图 | 长芒苋（来源：维基百科）

然而，没有任何科学技术在解决实际问题上是完美的，缅因大学的 Andrei Alyokhin 教授曾公开发文探讨过 RNAi 在害虫管理上的问题：

首先，某些昆虫群对 RNAi 没有特别的反应。例如毛毛虫，以及蚜虫、叶蝉、鳞片、粉虱和它们的近亲都相当顽固。目前还不知道为什么会发生这种情况，科学家猜测这可能与它们在进入细胞之前，在肠道中消化 dsRNA 的能力有关。

其次，虽然 dsRNA 似乎对非目标生物通常是安全的，但这种安全性不应被视为理所当然，有些基因在不同物种之间相似甚至相同。因此，意外靶向这些基因可能会产生意想不到的后果。

最后，杀虫剂抗性可能是 dsRNA 的问题，就像其他活性成分的问题一样。将会出现能够以某种方式破坏或避免 dsRNA 分子的突变体，这些突变体将生存、繁殖。一旦某种类型的 dsRNA 对特定的甲虫失败，其余的也会失败。

那么对于杂草，或许可以同样质疑，RNAi 是否存在潜在弊端：理论上专一的靶向性是否会有漏洞？非靶向基因会不会意外 “躺枪” 而产生意想不到的后果？魔高一尺道高一丈的抗性或许依然会应运而生？杂草的危害取决于人们的价值诉求和具体生态环境，并非所有 “杂草” 都需消灭，有许多有益的物种是维系生态平衡所不可或缺的；一旦 RNAi 蔓延造成基因污染，无疑是得不偿失.......

目标 RNA 分子的大规模、低成本合成也至关重要。2020 年 RNAGri 有能力以 1 美元 /g 的成本生产成吨的 dsRNA，Greenlight 的 GreenWorX™ 系统可以进一步将 dsRNA 合成成本降低到 < 0.5 美元 /g。但该技术的最终落地还要配合相关法律法规的批准与完善。

参考资料：

[1] https://pubmed.ncbi.nlm./32430396/

[2] https://link./article/10.1007/s10340-020-01238-2#Fig1

[3] https://www./news-releases/945789

[4] https://agsci./agbio/people-button/faculty/todd-gaines/

[5] https:///

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