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生物技术不止用于治病,防治农业病虫害也有大市场

2021-08-30

现代生物技术是自20世纪中后期兴起后得到了快速发展,并显示出广阔的应用前景,21世纪是生物科学的世纪,已是不争的事实。相关生物核心技术最先应用的领域就是医学领域,例如预防、诊断、药物制造和疾病治疗等,推动生物医药产业成为最活跃、进展最快的产业之一。而在农业领域,人们也寄希望于科技创新转换发展动力,加速挖掘生物技术在农业产业的应用,引领产业发展。

01

农业病虫草害防控产品是个大市场

农业是全球各种的核心业务,农业投入品行业/公司位于农产品-食品产业链的上游,2020 年全球种植链投入品市场规模约2698 亿美元,其中植保、种子、作物营养行业规模分别约为608/463/1627 亿美元,行业市场规模较大且维持稳定增长趋势。中国市场看,2020 年我国种植链投入品市场规模约3918 亿元,植物保护规模约454亿元。

图 2020 年全球种植投入品市场规模约2698 亿美元

图 植保市场规模

数据来源:开源证券研究所

中国是一个病、虫、草等生物灾害频繁爆发、农业生态环境脆弱的农业大国。农作物的病虫草害发生面积逐年上升,已从1980年的20余亿亩次,逐年攀升到了2018年的43.35亿亩次。

预计2021年一类农作物病虫害呈重发态势,全国发生面积14.28亿亩次,同比增加17.5%。以水稻为例,稻瘟病是水稻重要病害之一,严重时减产40%~50%,甚至颗粒无收。近年来,广东稻瘟病年发生面积不少于50万亩,而且出现逐年增加趋势,局部大爆发并不少见,并且,稻瘟病可能发生在省域内的任何年头、任何季节。

图 水稻稻瘟病

目前病虫害防治离不开农药防治,农药是重要的农业生产资料,关系粮食安全、农产品质量安全和生态环境安全,然而我国的农药使用量较大,加之施药方法不够科学,带来严重的病原菌抗药性问题,还导致土壤生态严重恶化

农药产生的污染也在严重威胁着人类的健康,据世界卫生组织的报告,每年全世界有6亿人(几乎每10人就有1人)因食用受污染的食品而患病,并有42万人死亡,造成3300万健康生命受损害。随着环境保护、食品安全等理念深入人心,化学农药面临着越来越严格的监管,政府和市场也呼唤更为安全有效的生物农药。

面对病虫草害防治任务重和农药投入减量的双重压力,人们寄希望于农业生物技术的发展。以生命科学和遗传学理论为基础,以农业应用为目的,运用先进的微生物技术、基因工程技术、RNA技术等现代生物技术,可以为生物安全和绿色防控产品提供解决方案。

02

生物技术将农业病虫害防治带入变革

生物技术是现如今全球范围内快速崛起和发展的战略性产业,为农业病虫害防治带提供了新动力。从20 世纪至今,在农业病虫害防治方面已经历了两次技术革命:化学农药以及转基因作物的发明。

这两次科技革命均大大缓解了农作物受到外界虫、菌、杂草等有害物质的侵扰和影响,提高了农作物的产量和品质。现阶段,人类在基因工程的基础上,又开发出RNA 农药、微生物农药等,有望为农业的可持续发展之路带来又一次技术革命。

三次农业病虫害防治变革的发展历程如下:

19世纪30年代化学农药的发明,改变了人类与害虫、病菌以及杂草的长期抗争处于下风的局面,直接导致全球粮食单位产量在未来的几十年间的飞速增长。化学农药的出现也是一把双刃剑,带来对生产力巨大促进的同时,也带来部分高毒农药的环境污染和残留问题,引起人们的重视乃至抵制。

20世纪90年代转基因作物成功商业化种植,可称得上农业病虫害史的第二次技术革新。转基因技术从性状输入和输出两方面入手,使农作物在基因层面上获得了耐除草剂、抗虫、抗菌等性能,极大程度的解决了杂草对农产品的侵害,便于大规模机械化种植,极大提升了劳动生产率,大豆玉米等产量有较大幅度的提升,为人类蛋白摄入量的提升做出了巨大的贡献。但民众对转基因的质疑仍在持续,转基因的争论仍有待时间给予证明。

RNA农药兴起于近两年,利用RNA干扰技术帮助人类进行作物害虫、病菌以及杂草的杀灭。RNA农药利用了化学农药的喷洒方式和转基因技术防治原理,仅针对害虫而不影响农作物遗传表达,具有化学农药与转基因作物两种科技的优势结合体。虽然RNA农药目前仅在实验阶段,且作用范围仍较小,但它为人类农业可持续发展提供了一条全新的解决途径,定将带来又一次科技革命。

同时,微生物农药作为利用微生物或其代谢产物来防治危害农作物的病虫草害及促进作物生长的一类新型农药,因具有克服化学农药对生态环境的污染和减少在农副产品中农药残留量的优势,也成为了农药发展的新方向

03

生物技术的农业应用

那么生物技术是如何助力病虫害防治变革的呢?代表性的技术如下:

1、微生物技术。微生物农药是利用微生物或其产物来防治植物病虫害的一种农药,通过筛选昆虫病原体或病菌拮抗微生物,用人工培植、收集、提取而成。2010—2020年间,微生物农药行业发展迅猛,近10年登记的微生物农药达到近270个,包括苏云金芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等等。

已知有几种病毒可以感染昆虫,但只有少数病毒可被开发出来用于防治害虫。巴西的大豆、玉米和棉花田受到棉铃虫核型多角体病毒的保护,免受棉铃虫的侵害,面积约130万公顷。2020年4月,澳大利亚农药和兽药管理局(APVMA)对一款防治草地贪夜蛾的生物农药Fawligen颁发紧急使用许可(EUP),Fawligen含有特异性防治草贪的活性成分-核型多角体病毒,由AgBiTech在美国生产。

图 草地贪夜蛾

2、转基因技术。转基因技术是通过外源基因的导入实现物种的遗传改良。整个技术流程主要分为三个步骤:找到目标基因,分析基因序列并进行相关修饰或改造;人工合成或从生物体中提取目标基因;将目的基因导入受体对象的基因序列中,使其表达目标形状,以此来培育出我们需要的物种。

图 2016年转基因棉和常规棉农药施用量对比

资料来源:《转基因作物商业化进程对全球农药市场的影响及趋势》(杨益军),光大证券研究所整理

比如棉花上转入的Bt基因是一种抗虫基因,是将苏云金芽孢杆菌的部分基因转入了受体植物,使得受体植物上能产生毒蛋白,而鳞翅目的幼虫在食用了这种植物后会中毒身亡。抗虫棉与常规棉相比,在生产过程中农药使用量大幅下降,二者差异高达8-20倍,不仅降低了生产成本,还有利于减少喷洒农药,并保护生态环境。可以说,转基因抗虫棉是我国转基因作物商业化应用最成功的品种。

3、RNA干扰技术。RNA干扰(RNAi)是RNA农药的核心作用机制。它是一种天然的细胞免疫过程,用于抑制特定基因的活性。这个过程在1998年被发现,并在全球范围内被广泛研究。发现者Andrew Fire 和Craig Mello在2006年获得诺贝尔生理学或医学奖。

RNA 干扰在细胞中的作用过程主要分为起始、效应和倍增三个阶段。

在起始阶段,外源的dsRNA 通过导入或者转基因等方式进入细胞,并被Dicer 酶切割成siRNA 或miRNA,从而启动RNAi 反应。

在效应阶段,siRNAs 的双链结构被解螺旋,再与RNA 诱导的沉默复合物组装成新的复合物,siRNA/miRNA 双链被解开,然后特异性结合到靶RNA 上,切割RNA。

而在倍增阶段,mRNA 剪切过程中产生的21-23 个核苷酸片段将会作为新的小分子RNA 而继续参与RNAi 过程,从而使干扰作用倍增放大。作为未来最具发展潜质的农作物保护武器,RNA 农药利用RNA 干扰技术,阻止害虫或病菌进行相关蛋白质的翻译及合成,切断其信息传递,在基因层面上杀死害虫和病菌。

此类RNA 喷剂最早是由孟山都公司研发而成,并在《Nature Biotechnology》发表小分子RNA 抗虫性状研究。2015 年底,公司推出RNA 喷剂概念产品(公司称之为BioDirect 技术),并先后证实此产品对蜜蜂的保护作用(杀死蜂螨)以及对玉米虫害的防治(杀死玉米根虫)。

与转基因作物虫害防治机制不同的是,此类RNA 喷剂操作方法与传统化学农药类似,仅仅是让小分子干扰RNA 覆盖在作物叶片表层,击杀食用叶片的害虫,整个技术也只是在基因表达水平上进行调控,不需要对植物基因组织进行修饰。同时,RNA 干扰引起的基因沉默效应通常只会持续几天或者几周,人们可以在特定的时间段进行喷洒,且不会对植物本体造成损害

图 RNA干扰机制图解

资料来源:《RNA干扰原理及应用》,光大证券研究所整理

04

农作物保护的挑战及机遇

在国家的高度重视和支持下,我国农业生物技术研发、推广和产业化应用步伐明显加快,但仍存在短板:

一是我国主要作物病虫草害防治药剂品种与剂型老化、抗药性加剧、替代传统农药和新剂型短缺;二是我国农药企业缺乏自主创新的品种和基于原创性靶标创制的高效低风险小分子农药;三是RNA干扰技术、CRISPR技术/Cas9基因编辑技术等前沿技术在防治病虫草害上的应用还很少。

未来发展的发展策略应围绕于生物技术引领生物农药和化学农药协同发展及创新。我们应结合国际新农药创制研究的趋势和特点,结合以合成生物学、功能基因组学、蛋白组学以及结构生物学、化学生物学、生物信息学为代表的生命科学前沿技术,尤其是以基因编辑为代表的颠覆性技术,在新农药创制研究上实现新的突破。

另外,高性能计算、大数据以及人工智能等新型人工智能、大数据等新兴技术的应用亦有助于降低高昂的原药经济和时间研发成本(如提高化合数据库识别分子的速度)。同时,在发酵工艺上面做更多的创新和优化,确保可以生产出更多质量可靠、标准化、规模化的产品。

目前在作物营养的市场上,已有微生物氮肥企业Pivot Bio利用合成生物学的方法,开发出玉米商用微生物氮肥产品PROVEN。PROVEN是利用合成生物学的方法对γ-变形杆菌(KV137)基因组进行重塑后,使得相关的固氮基因得以表达,作用于玉米根部,使玉米生物量整体增加9%。公司代表性的微生物氮肥技术可消除合成氮的不利影响,据悉,可以在未来十年内避免将近2000亿美元的环境破坏,同时在气候波动的情况下为农民提供稳定的产量和利润。

我们也期待更多的生物技术的创新能在植物保护市场上的带来突破性进展,给人类的粮食增产带来巨大的贡献,同时能够进行粮食生产环境的改良与可持续发展。

港粤资本也关注生物技术在农业领域的应用,希望与该领域优秀的创业团队沟通交流,欢迎联系!BP投递及联系邮箱:Ellie.lin@ifsc-gd.com

本文作者:

林  欣   港粤资本行业分析师
中山大学肿瘤防治中心,分子医学博士

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