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当杀虫剂全都失效

来源:生命奥秘 2017-04-15 14:15

 

害虫、杂草,以及各种农作物疾病对杀虫剂、除草剂的耐药性问题已经让我们无计可施了。不过也许最新的生物科技能够帮上忙。

Broc Zoller每天早上都要做的一件事就是看天气预报。近5年来,像他这样的美国加利福尼亚州农民都在和罕见的大型干旱作斗争。现在,他们又多了一项棘手的问题,那就是雨水过多。Zoller在加利福尼亚州莱克郡的凯尔西维尔种植了酿酒用的葡萄和核桃,同时也把部分土地租给别人用于种梨,但是在2017年的1月,当地的降雨量超过了过去5年降雨量的总和。大量降雨导致土地变得泥泞不堪,从而极大地妨碍了他们修剪树枝的工作,并给喷洒农药带来了不便。就这样,这些工作不得不推迟。如果雨一直这么下下去,等春天到来的时候,温暖的气温和湿漉漉的天气会让真菌和细菌大量繁殖,进而严重危害农作物的生长。因此,Zoller不得不考虑使用几种传统农药了。

但是,他的选择范围非常窄,这主要是因为严重的耐药性问题。火疫病(Fire blight)是一种由细菌引起的农作物病害,会使梨树的树干下垂、溃烂。通常对其使用抗生素会有一定的效果,但是如果使用过度,就很容易产生耐药性。梨黑星病(pear scab)则是一种由真菌引起的农作物病害,它会在梨的表面形成难看的黑斑。因此,在梨的生长期里,需要用到多种抗真菌药物。Zoller的另外一个身份是农业病虫害防治咨询专家,他会在这些药物失效之前偶尔用一次这类药物。据他介绍,耐药性会突然产生,他们只能希望雨早点停,从而得以在细菌产生耐药性之前,再多洒几次药。

耐药性问题是困扰全世界农民的一个大问题。总部位于比利时布鲁塞尔的农业组织——国际农作物生命组织(CropLife International)已经收录了586种对农作物有害的节肢动物(arthropod species)、235种对农作物有害的真菌和252种对农作物有害的杂草。所有这些“榜上有名”者至少对一种杀虫药(或除草剂)耐药。而这些,仅仅只是科学家们已经发现和记录的名单,还有很多已经产生了耐药性的有害细菌是我们目前还不知道的。

数十年来,农药企业只是不断地推出新产品。但是对于很多农作物而言,已经没有农药可用了。据专门关注新兴技术的美国波士顿Lux研究公司(Lux Research in Boston, Massachusetts)的高级分析员Sara Olson介绍,近十年来,新开发抗虫药物的速度已经降到了0。开发新的化学制品非常困难,而且成本昂贵。而且一旦该药物大量投入使用,就会快速形成耐药,除非我们能够非常合理、有计划地使用这些药物。

因此,科学家们开始寻找替代方案,以减少,或者不再使用这些人工合成的化学杀虫药。科研人员们对生物技术,比如微生物(microbes)、遗传工程学(genetic engineering)和生物分子学(biomolecules)等技术尤其感兴趣。即使是最大的那几家化工公司也都在这个领域投入了重金。不过这并不意味着传统的化学杀虫剂走到了尽头,我们选择生物技术只是为了减缓病害对传统杀虫剂产生耐药性的速度。我们有很多方法都能够帮助农民们降低生产成本,保护他们不受杀虫剂的伤害,而且还能够让对化学杀虫药持抵触态度的公众更加放心。

Olson指出,不断出现的耐药性是推动他们继续开发新型生物杀虫剂替代产品的动力。但是最重要的一点不在于选择化学杀虫剂还是生物杀虫剂,而是让我们意识到,在更多技术的帮助下,我们还可以在很多方面做得更好。

微生物杀虫剂

20世纪初,日本的养蚕业经受了一次不明原因的打击。1901年,日本细菌学家Ishiwata Shigetane解开了这个谜题,他在病死的蚕体内发现了一种未知的、源自土壤的细菌。十年之后,德国图林根省的生物学家Ernst Berliner又在面粉蛾的幼虫(flour-moth caterpillars)体内发现了这种细菌,于是将其命名为昆虫杀手——苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt)。

Bt分泌的蛋白质能够在多种昆虫的肠道上形成穿孔,因此数十年来一直被当作杀虫药使用。科学家们也受到Bt的启发,不断地寻找更强的杀虫微生物。据美国华盛顿大学(Washington University in St. Louis, Missouri)的植物学家及病理学家Roger Beachy介绍,这可不是一个新兴的研究领域,在他上研究生时就已经有了这个研究方向了,那都是45年以前了。

但是杀虫微生物直到现在才走到了杀虫剂舞台的中央。2012年,德国拜耳农业科技公司(Bayer CropScience)为美国加利福尼亚州的生物杀虫公司AgraQuest投入了4.25亿美元。近几年来,包括杜邦(DuPont)、孟山都(Monsanto)和先正达(Syngenta)等公司在内的多家大型跨国公司也都在这方面投入了巨资。

Beachy是开发转基因粮食作物(genetically modified food crops)方面的开拓者,他也早就和美国波士顿附近的初创公司Indigo Agriculture一起,进入了杀虫微生物这个研究领域。Indigo公司的科研人员选择了一些微生物来改善农作物的内在微生物组(endobiomes,即生活在植物组织里的所有微生物,类似于人体的肠道菌群概念)。此外,他们还将这些微生物制在了一种包膜里,用来包裹植物的种子。种子发芽时,新生的幼苗在“破壳而出”时就会被坚硬的种子外壳擦伤,包裹在种子外面的微生物就会趁机进入幼苗里,从而提高幼苗的某种抗病虫害和抗自然灾害能力,比如获得抗旱能力。去年,Indigo公司获得了1亿美金的资金资助。

关于他们用到了哪些微生物,Indigo公司闭口不言。目前美国农民已经在2万公顷的玉米地和8000公顷的小麦地上播种了他们公司的这种细菌包裹种子。不过与全美去年共400万公顷玉米和2100万公顷的小麦种植面积相比,这个数字并不算什么,但这至少说明,大家还是愿意尝试这种新鲜事物的。作为Indigo公司的前首席科学官,目前仍然担任该公司科学顾问委员会主席的Beachy表示,Indigo公司一直都在积极地想办法利用他们的种子包膜技术来解决农作物杀虫剂的耐药性问题,他们的方案是利用这些包膜赋予农作物抗虫的特性。他希望在5年内,公司能推出一系列抗虫转基因农作物产品。

其他一些公司也都在积极地开发微生物杀虫剂。比如美国加利福尼亚州戴维斯市的Marrone生物创新公司(Marrone Bio Innovations in Davis)也在培育微生物,将其与化学制剂一起制成杀虫剂。该公司已经完成了1.8万个微生物基因组的筛查工作,并向市场推出了5款杀虫剂产品。其中一款用到的就是布克氏菌(Burkholderia),这种微生物能够根据自身生长环境的不同,产生多种化学产物。该细菌可用来制造杀虫剂、杀线虫剂和除草剂。

据Marrone生物创新公司的CEO及公司创始人Pamela Marrone介绍,布克氏菌具有一套能够产生多种不同化学产物的遗传系统,这可能是因为该细菌需要依靠这套系统来应对各种不良的生存环境。

从历史经验来看,农民们对于生物杀虫剂一直都持比较谨慎惕的态度,其中有部分原因是因为生物制品与化学制品相比,有一些自己的特点。比如,有些生物制品在太阳下或高温环境中容易降解。而且生物制品往往不如化学制品效果好。但是Marrone指出,用生物制品替换化学制品并不是他们的目的,他们是希望用生物制品来减少化学杀虫剂的用量。微生物杀虫剂不需要做得和化学杀虫剂一样好(虽然有一些的确也一样好),只需要在加入生物杀虫剂之后,比单独使用化学杀虫剂的效果更好就可以了。

利用CRISPR技术来开发杀虫剂

强大的CRISPR–Cas9基因编辑技术又给科研人员提供了一个新的武器。虽然之前的转基因技术也能够直接杀死农作物病虫,或者让转基因农作物拥有抗除草剂等特性,但用这些技术还是很难开发出抗虫的转基因农作物。

其中一个原因就是我们还不了解抗病基因在植物细胞里是如何调控的。据美国康奈尔大学(Cornell University in Ithaca,New York)的植物病理学家Adam Bogdanove介绍,在自然界,抗病基因都是受到严格控制的。如果这些基因过度活跃,就会损伤植物自身。在传统的转基因农作物里,科学家们并不能很好地控制这些基因的位置,或者说将其精确地插入靶位置。可这些抗病基因如果不能正确就位,就无法正常表达。不过有了CRISPR–Cas9基因编辑技术,这一切都不再是问题了。

Bogdanove正在尝试借助CRISPR 技术对水稻进行改造,使其具有抗条斑病(leaf streak )和凋萎病(blight)的特性。这两种疾病都是严重危害水稻生产的细菌 性疾病。Bogdanove的合作伙伴——美国科罗拉多大学(Colorado State University in Fort Collins )的植物病理学家Jan Leach 正在对CRISPR 技术和传统的基因编辑技术进行实验,并对植物的免疫系统进行靶向改造,希望通过这种方式培育出抗多种病害,而不仅仅只是抗一种病害的品种。

科研人员们除了对水稻进行改造之外,也在利用CRISPR 技术对其它农作物进行基因改造,重点针对的就是之前很难利用传统转基因技术进行改造的品种。比如美国罗格斯大学(Rutgers University )的科研人员就正在利用CRISPR 技术对酿酒葡萄进行改造,以避免其染上霜霉病(downy mildew)。美国还有一个科研小组正在对土豆进行基因改造,希望培育出抗多种假单胞菌(Pseudomonas)和黄单胞杆菌(Xanthomonas )的马铃薯新品种。中国北京的科研人员们也培育出了抗白粉病(powdery- mildew)的小麦新品种。

培育新型小麦是一项非常困难的工作,因为这种植物含有3套几乎一模一样的基因组。因此,中国北京的科研人员们必须改造3个抗性基因。据该课题组的成员、中国科学院遗传与发育生物学研究所(Chinese Academy of Sciences’ Institute of Genetics and Developmental Biology )的植物生物学家高彩霞介绍,有了CRISPR技术,她们现在可以同时敲除好几个不同的基因。

企业界的科研人员们同样深受震撼。比如去年9月,孟山都公司(Monsanto Company)就与美国博大研究院(Broad Institute in Cambridge, Massachusetts )签署了一份非排他性协议,让他们在今年2月获得了一项有争议的CRISPR技术专利。据孟山都公司生物技术副总裁Tom Adams 介绍,他们正在研究如何更好地利用CRISPR技术来开发抗病农作物新品种和耐旱农作物新品种。

CRISPR技术同样也可以用于杀虫剂领域,以提高杀虫剂的用量。据 Adams 介绍,利用基因编辑技术可以培育出抗除草剂的新品种,这类似于孟山都公司现有的、耐草甘膦(glyphosate)除草剂的转基因农作物。但是这些产品仍然颇具争议,因为有了这些转基因农作物,农民们就会大量使用草甘膦除草剂,甚至对这种模式产生依赖。

基因干扰技术

在CRISPR技术出现之前,科研人员们对另外一项遗传改造技术寄予了厚望,那就是RNA干扰技术(RNA interference, RNAi )。这是一种利用双链RNA分子高效关闭特定基因表达的技术。

大多数时候,使用这种RNA干扰技术很容易对某些病害进行干扰。据美国农业部(US Department of Agriculture )资助机构、美国国家食品与农业研究院(National Institute of Food and Agriculture)的院长Sonny Ramaswamy 介绍,只要有了精确的遗传序列信息,他们就可以设计出相应的干扰RNA分子,从而对其进行“精确打击”。Ramaswamy 等人也资助了好多项RNA干扰研究工作。

开展RNA干扰实验,最关键的就是如何让干扰RNA分子在恰当的时候,进入其靶点位置,完成干扰任务。比如,干扰RNA分子需要遍布植物全身各处,才能够发挥抗虫功效。虽然利用遗传工程学技术可以实现这一点,但是成本非常高,而且该技术也和转基因作物一样,面临同样的监管,以及来自公众的同样的质疑。另外,如果害虫对干扰RNA分子也产生了耐药性,那就得重新再培育一个全新的抗病品种了。

不论是科研界的科研人员,还是企业界的科研人员,都在思考如何更好地利用RNA干扰分子,使其直接作用于植物的叶子或者根部等容易遭受病害的部位。中国上海生命科学研究院植物生理及生态学研究所(Institute of Plant Physiology and Ecology at the Shanghai Institutes for Biological Sciences in China )的植物昆虫相互作用研究专家苗雪霞认为,这才是更加方便,更加灵活的转基因策略。

2015年,苗专家的课题组就利用RNA干扰技术对水稻和玉米的根部进行了改造,并且成功地抵御了害虫的侵害。但是灌溉系统却成了另外一个难题,富含微生物和各种酶的土壤会快速降解RNA干扰分子,因此很难让这些抗病药物抵达农作物,发挥作用。因此,目前她们正在研究如何采用喷洒方式来给药。

包括孟山都、先正达(Syngenta)等公司在内的诸多大型企业也都对RNA干扰技术非常感兴趣。据孟山都公司介绍,他们的第一批RNA干扰产品将于2020年代中期上市。这包括一款抗蜜蜂病害——狄斯瓦螨(Varroa destructor)的产品和一款抗加拿大油菜(canola)病害——跳甲虫(flea beetles)的产品。据先正达公司专门负责RNA干扰产品监管及产品安全策略事物的StevenWall 介绍,他们公司也将在2020年代初期推出第一款RNA干扰产品——抗马铃薯甲虫(Leptinotarsadecemlineata)产品。

不过RNA干扰技术也面临一些问题。比如该技术似乎只对甲虫等特定的病虫害比较有效,而对于飞蛾(moth)及其幼虫的作用就很差,不过目前我们还不是非常清楚具体原因。而且甲虫这类对RNA干扰技术比较敏感的病虫也很快会发展出耐药性。Wall指出,大自然总是会找到应对的办法的。因此,即便使用喷洒式的RNA干扰产品,我们也应该像使用农药一样,一定要慎重,不能滥用。

还有一些科研人员认为,虽然与广谱的杀虫剂相比,RNA干扰技术可能更加具有针对性,但它同样会产生附带损害(collateral damage)。比如也会在杀死害虫的同时误伤携带有类似基因的益虫。2013年,人们曾经就此问题发表过一篇综述。美国农业部的科学家们就指出,虽然RNA干扰技术在农作物保护方面非常有潜力,但是在使用这项技术的时候,也需要考虑风险收益比,要权衡可能带来的收益与对环境可能带来的影响。

传统种植模式的作用

就在我们不断开发各种新技术、新产品的同时,传统的杀虫剂产品线正在不断地萎缩,耐药性问题正变得越来越严重,农民们也需要更多的帮助。虽然每一种农作物,每一个农田的问题都不一样,但是最终只有一种杀虫剂可供选择。据Zoller 介绍,其实你正在帮助害虫对最后仅剩的那一种杀虫剂产生耐药性。而且正因为你也意识到了这一点,所以你会在这种杀虫剂失效之前,拼命地多用一点。到头来,你将无药可用。

Zoller 正在测试他的生物杀虫剂,虽然这也不是长久之计。他们每年都在做这些测试,因为他们还抱有希望。其中有一些产品在第一年效果很好,可是到了第二年,就明显不行了,虽然它们和传统农药联用很不错。

至于使用遗传工程学技术,Zoller 认为农民们会比较谨慎,这主要还是因为大家对转基因农作物的担忧。不过也有一些农民比较乐观。美国马铃薯培育公司DiMare 的副总裁Tony DiMare 认为CRISPR技术一定是未来的潮流。这项技术对于环境、害虫和病害控制而言,都非常重要。

但是仅靠技术的进步是不能挽救农业的。农民们还是需要依靠传统的农业操作模式和土地管理办法。比如植物轮作就可以帮助我们打破害虫的生命周期。如果我们不采用轮作的方式,每年都种植同一种农作物,那么就会让某种害虫大量繁殖。密集种植可以让杂草没有太多机会接受日照。恰当的剪枝则有利于空气和阳光的流通,帮助植株干燥,避免霉菌繁殖等。

在美国加利福尼亚州梨子园被一个个铲掉的时候,农民们又种上了当地原有的品种,比如野生的燕麦(wild oats)、黑麦草(rye grass)和牵牛花(morning glory )。这些植物都为害虫的天敌提供了良好的生存环境。Zoller 表示,有必要使用各种手段(包括最新的科技和最传统的种植模式),来共同保护农作物和他们的收成。

对任何一种农作物而言,害虫防治都是重中之重。我们当然期盼最新的科技,但是老的方法也不能丢弃,手段是越多越好。(生物谷Bioon.com)

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