传统农业杀菌剂是把双刃剑,在提升农业经济效益的同时,也会带来潜在的环境污染和健康风险。如何改变这一现状?既能保障粮食安全,又能实现环境友好的RNA杀菌剂应运而生,成为第三次农药革命的核心产品。
近日,上海交通大学农业与生物学院首席研究员唐雪明团队在国际期刊《现代农业化学》在线发表了题为《植物病原菌中喷雾诱导的基因沉默:机制、应用和进展》的综述文章,系统介绍了外源喷雾诱导基因沉默用于植物病原菌防治的研究,对RNA杀菌剂的作用机制、创制方式和应用前景进行了全面梳理,并对其实际应用提出了建设性解决方案。
针对真菌病害的′′靶向药′′
植物病原菌是造成植物病害的主要原因之一。这类微生物专门寄生于植物体内,破坏植物的生长发育,导致经济作物减产甚至死亡。
目前,农业生产中植物病原菌的防治主要依靠化学杀菌剂,但因其使用时间长、范围广等,导致药物残留、抗药性等负面问题频发。RNA杀菌剂具有高度的特异性和环境友好性,有望为防控植物病原菌提供绿色解决方案。
RNA杀菌剂是一种利用RNA干扰技术来抑制或杀死特定病原菌的新型杀菌剂。RNA干扰是一种真核生物体内自然存在的基因沉默机制。该机制通过双链RNA分子特异性结合同源mRNA,导致mRNA被核酸酶降解,从而抑制特定基因的表达。
′′采用RNA干扰的方式进行病原菌防治,是针对真菌病害的‘靶向药’,也是解除作物农药抗药性的‘特效药’。′′唐雪明解释,在RNA杀菌剂中,设计合成的特定双链RNA分子能够与病原菌的mRNA序列互补配对并触发其降解,导致病原菌无法产生某些关键蛋白,进而抑制其生长或导致其死亡。这也是施用RNA杀菌剂不易产生抗性的根本原因。
生物安全性、环境友好性是RNA杀菌剂的突出优势。′′双链RNA分子的设计,仅作用于特定病原菌,对人体及其他非靶标生物无毒害。其生产过程清洁化,而且在土壤和水流中72小时内即可降解。′′唐雪明补充说。
此外,RNA杀菌剂在农田应用后,很容易被降解成植物肥料。这些植物肥料会被作物再次吸收利用,对农作物和环境都极为友好,可谓′′化作春泥更护花′′。
创新成果应用潜力巨大
目前,国内外RNA杀菌剂的防治对象主要有引起枯萎病的镰刀菌、引起灰霉病的葡萄孢菌、引起茎腐病的菌核病菌等。
以烟草花叶病毒为例,它会导致植株畸形病变、矮化,甚至死亡,而且防治较为困难,烟草及其他茄科植物都深受其害。
2021年,唐雪明创立的硅羿科技(上海)有限公司(以下简称′′硅羿科技′′)研发出了烟草花叶病毒RNA核酸干扰素,成为我国第一个进入登记测试阶段的RNA杀菌剂。目前,该RNA杀菌剂田间测试展现出良好的防治效果,能够有效应用于已被病毒侵染的植株,减少生产过程中因烟草花叶病毒感染造成的巨大经济损失。
′′一般而言,开发一种新的化学杀菌剂需要合成十几万个化合物,耗资巨大且历时良久,但病原菌仅2年左右即可对其产生抗性。相比之下,我们团队研发的RNA杀菌剂根据特定基因定制开发,无需对基因进行海量匹配与筛选,历时较短且研发成本更低,植物也不易产生抗性。′′唐雪明团队成员、上海交通大学农业与生物学院副研究员黄艳娜介绍。
除了烟草花叶病毒RNA核酸干扰素外,国内外还研发了诸多种类的RNA杀菌剂。如美国绿光公司研发的防治葡萄灰霉病的RNA杀菌剂和硅羿科技研发的防治核盘菌的RNA杀菌剂,目前正处在田间小试阶段;中国农业大学研发的防治辣椒疫霉的RNA杀菌剂,在室内生测试验中的效果非常显著。
这些创新成果未来在精准农业、绿色防控、节能减排中将发挥巨大作用。
运用新技术应对研发挑战
随着研究的深入和生产成本的降低,RNA杀菌剂有望在农业、园艺以及公共卫生领域得到广泛应用,为病害防治提供新的解决方案,并为全球粮食安全和环境保护作出贡献。
′′虽然RNA杀菌剂的应用前景十分广阔,但国内外基于RNA杀菌剂的研发多处于室内生测试验阶段,仍面临不少挑战。′′唐雪明对此提出了一些建设性的解决方案:如在产品研发过程中,应用生物信息技术和人工智能算法等,可加速产品研发进程;利用合成生物学技术可降低RNA杀菌剂产品的研发和生产成本;创制高效能的递送载体可以帮助RNA杀菌剂更快更好地抑制病原菌繁殖,或进入病原菌体内发挥作用。
当前,RNA杀菌剂的研发和推广正在国家主管部门的指导下有序进行。唐雪明认为,RNA杀菌剂要想进一步推广应用,还需对产品性质、理化性质等方面的评审框架及原则进行更加科学的界定和规范。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.aac.2024.06.001
