2024年1月，经过四年的深入审查，美国环境保护署（EPA）批准了新型生物杀虫剂Calantha的注册[
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2]。Calantha由位于美国马萨诸塞州梅德福的GreenLight Biosciences公司研发，是首个上市的基于RNA干扰（RNAi）技术的杀虫剂。
“我们对这一进展感到非常兴奋，因为它终于为RNAi杀虫剂打开了大门。”美国田纳西州诺克斯维尔田纳西大学昆虫学和植物病理学教授Juan Luis Jurat-Fuentes说道。杀虫剂通常对多种昆虫物种和其他生物具有毒性，而Calantha则不同，它专门针对科罗拉多马铃薯甲虫（
Leptinotarsa decemlineata）这一极具破坏性的害虫。这种害虫可使作物减产高达80%，每年造成的损失估计超过5亿美元[
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4]。
RNAi作为基因活性调节机制的基本概念，最早是在1998年2月发表于《自然》杂志的一篇论文中提出的[
5]。该研究被公认为一项突破性发现，论文的第一作者和资深作者Andrew Fire和Craig Mello因此荣获2006年诺贝尔生理学或医学奖[
6]。他们目前分别在斯坦福大学（美国加利福尼亚州帕洛阿尔托）和马萨诸塞大学陈曾熙医学院（美国马萨诸塞州伍斯特）担任教授。他们的研究表明，通过细胞摄取双链RNA（dsRNA）可抑制基因表达。
其工作原理如下：从最简单的层面来看，DNA中编码的基因被细胞转录机制转录为信使RNA（mRNA），mRNA与核糖体结合，通过翻译过程生成蛋白质——这些蛋白质既是细胞的结构基础，也是其发挥功能的关键物质。然而，当dsRNA被细胞摄取时，会诱导一个过程，该过程会降解细胞内的mRNA。dsRNA首先被核糖核酸酶Dicer识别，并被切割成小片段RNA。这些RNA片段随后被RNA诱导沉默复合物（RISC）结合，RISC在细胞中寻找匹配的mRNA序列并将其破坏，从而有效抑制由该mRNA编码的蛋白质的合成，并可能破坏细胞的基本过程。
研究人员推测，该机制最初是作为一种抵御dsRNA病毒的防御系统而进化出来的[
7]。该研究提出的一个观点是，如果昆虫细胞吸收了正确的dsRNA，就能杀死农业害虫[
8]。通过引入与编码关键生存蛋白的mRNA互补的dsRNA，昆虫细胞会找到并破坏该mRNA。“其原理是，细胞会认为这是病毒，并试图降解所有看起来像病毒的东西。”Jurat-Fuentes说，“这本质上是诱导细胞自杀。”
科罗拉多马铃薯甲虫（
图1）因对大多数现有杀虫剂具有抗药性而臭名昭著，因此成为了基于RNAi技术的商业级杀虫剂的理想目标对象。“这种甲虫已经对几乎所有专为控制它而生产的杀虫剂产生了抗药性——使用几年后，这些杀虫剂就不再有效了。”美国肯塔基州列克星敦肯塔基大学昆虫学教授Subba Reddy Palli说，“这些甲虫最近对新烟碱类杀虫剂产生了抗药性。现在正是推出一种通过不同靶点和作用机制起作用的新产品的绝佳时机。”
这种甲虫会啃食茄科作物（如马铃薯、番茄、茄子、甜椒等），造成大面积损害。该害虫遍布北半球，对50多种主要类型的化学杀虫剂具有抗药性[
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9]。要控制这种害虫，农民需要在每个季节多次施用杀虫剂，并尝试通过交替使用具有不同作用机制的害虫防治方法，以尽量减少损害。“农民迫切需要一种以不同方式起作用的方法。”Jurat-Fuentes说，“RNAi是一种全新的作用机制。要找到一种与我们已有的所有生物农药都完全不同的生物农药并非易事。”
Calantha的dsRNA成分名为Ledprona，它靶向一种由
PSMB5基因编码的必需蛋白——蛋白酶体亚基β5型[
10]。该蛋白是细胞废物清除系统的重要组成部分，负责清除那些被细胞标记为需销毁的、无用和有毒蛋白。若缺乏蛋白酶体亚基β5型蛋白，废物清除机制将无法正常运作，毒素会在两到三天内积聚并杀死细胞和昆虫[
11]。
重要的是，Ledprona的dsRNA序列与科罗拉多马铃薯甲虫体内的蛋白酶体亚基β5型蛋白互补，这意味着它对其他昆虫物种几乎没有脱靶效应。“凭借这种特异性，你可以杀死你想杀死的物种，但同时不会影响近亲或非目标物种。”Jurat-Fuentes说，“我们能设计出这种程度的特异性，真是令人惊叹。目前没有其他杀虫剂能做到这一点。这使Calantha具有出色的安全性。”GreenLight Biosciences公司的研究表明，Calantha仅影响另外两种甲虫，而它们也是农业害虫。蚯蚓和传粉者（如蜜蜂和蝴蝶）以及其他有益昆虫（如草蛉和瓢虫）则不受影响[
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2]。
以每公顷约10 g的浓度施用，仅需5 cm
3的Calantha便能治理好一个与美式足球场面积（约90 m × 50 m）相当的区域[
3]。使用标准施用设备进行的广泛试验已证实该产品的有效性和易用性[
4]，表明其在对抗科罗拉多马铃薯甲虫方面与现有的化学杀虫剂效果相当[
1]。关于价格，GreenLight公司的一位发言人表示，Calantha的“价格与其他优质的科罗拉多马铃薯甲虫防治产品相比具有竞争力”。
GreenLight公司声称，使用其创新的无细胞RNA生产平台，能够以预计每克低于1美元的成本生产Calantha中的dsRNA [
12]。与涉及体外转录和发酵的传统RNA合成不同，该公司的平台是非转基因的——不涉及将基因插入细菌、酵母或其他生物体中来生产RNA。这意味着其RNA产品规避了适用于转基因生物的监管问题，同时意味着生产时间从数周缩短至数小时，并且易于扩大规模。该公司位于美国纽约州罗切斯特的1600 m
2设施目前每年能够生产500 kg的RNA [
12]。每种特定的RNA产品只需要一个新的DNA模板。该过程将来自聚合RNA底物（如酵母）的RNA分解成核苷构建单元，然后使用DNA模板和专有酶将这些构建单元重建为所需的特定RNA产品。“人们曾非常担心这项技术在成本上永远无法与化学农药或其他生物农药竞争。”Jurat-Fuentes说，“但如今dsRNA的生产技术已取得了长足进步，达到了成本效益良好的水平。”
不过，这种方法也存在一些缺点。使用Calantha的时机至关重要。农民必须在科罗拉多马铃薯甲虫卵孵化阶段大约进行到一半时对作物进行喷洒[
4]。Calantha不会损害马铃薯甲虫的卵或蛹期。为了达到最佳效果，马铃薯甲虫必须在第一或第二龄幼虫阶段（
图2）尚未成熟时摄入dsRNA。摄入dsRNA的幼虫会变黑，停止进食和发育，最终枯萎死亡[
1]。与能快速杀死昆虫的化学农药不同，Calantha需要更长的时间才能杀死马铃薯甲虫。“化学农药见效迅速，几乎能立竿见影，使用数小时后就能杀死害虫。”Jurat-Fuentes说，“而RNAi需要几天时间才能杀死害虫。”尽管Calantha也可能会杀死更成熟的幼虫和成虫，但它们在死亡前仍可能严重啃食作物叶片[
10]。该产品在喷洒到作物叶片后通常会在三天内迅速降解。Palli说：“如果今天喷洒之后下雨了，杀虫剂可能会被雨水冲掉，从而无法发挥应有的效果。如果天气非常晴朗，紫外线还可能会导致杀虫剂降解。”
然而，Calantha最大的潜在弊端与其他杀虫剂一样，也是抗药性问题。在2021年发表的一项研究中，Jurat-Fuentes及其团队在实验室中对连续几代的科罗拉多马铃薯甲虫进行了高浓度dsRNA的暴露处理[
13]。令人惊讶的是，这些昆虫在十代之内就产生了抗药性，机制是它们的细胞不再吸收dsRNA。另一组研究人员在2018年的一项关于西方玉米根虫对dsRNA抗药性的研究中报道了类似的发现[
14]。这些结果表明，一旦产生这种抗药性，这些昆虫将会对所有基于RNAi的杀虫剂产生抗药性。“无论你用dsRNA靶向哪个基因，昆虫都会对其产生抗药性。” Jurat-Fuentes说。“就RNAi而言，似乎一旦昆虫产生抗药性，那就意味着结束了。除非你能克服吸收减少的问题，否则你就不能再使用这项技术了。”
幸运的是，Jurat-Fuentes及其同事在2023年发表的进一步研究表明，对RNAi具有抗药性的甲虫仍然对其他化学和生物农药敏感[
15]。农民们早就清楚，不同产品的敏感性各不相同。为了应对抗药性问题，他们通常采用农药轮用作为农业生产中的最佳实践。而对于科罗拉多马铃薯甲虫，Calantha的加入对于这种轮用方式来说是一个有益的补充。“如果你使用作用机制不同的杀虫剂来对付它们，那么这种昆虫通常需要至少进化出两种不同的突变才能对两种杀虫剂同时产生抗药性。”Jurat-Fuentes说，“如果你轮换使用不同的杀虫剂，就可以延长它们的有效作用期限。”
尽管关于抗药性的问题仍存在诸多疑问，但其他基于RNAi的杀虫剂和农业产品正在研发中。GreenLight Biosciences公司目前正在研发针对草地贪夜蛾以及其他鳞翅目害虫（飞蛾和蝴蝶）、瓦螨（会危害蜜蜂）[
3]和蓟马的杀虫剂[
16]。学术研究人员已对该技术进行了测试，将其作为控制亚洲柑橘木虱、小蠹虫、蚊子和其他各种害虫的工具[
9]。其他一些积极寻求将RNAi技术应用于作物保护的公司包括巴斯夫（德国路德维希港）、拜耳公司（德国勒沃库森）、科迪华公司（美国印第安纳州印第安纳波利斯）和先正达公司（瑞士巴塞尔）[
17]。“GreenLight Biosciences和其他公司已经在考虑利用RNAi来控制杂草、植物病害和许多其他害虫。”Jurat-Fuentes说，“RNAi产品潜力巨大——我们只是刚刚起步。”
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