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【资讯】转基因技术的红与黑上碱蛇床

发布时间:2020-10-18 16:42:13 阅读: 来源:帽子厂家

转基因技术的红与黑(上)

近年来,舆论有关“转基因”的争论甚嚣尘上——利国利民还是祸国殃民,普罗大众莫衷一是。在这里,小编打算分两次跟大家讨论一下转基因技术的利与弊。今天首先说说到底什么是转基因?转基因技术在哪些领域有应用?以及转基因作物种植的现状。

植物基因工程和转基因植物

其实,早在约一万年前,人类便开始了植物驯化和选择的尝试,争取不断获得满足人类需要的植物品种。育种工作本质是对作物的遗传改良,而作物种质资源是获得作物新品种的基础。随着人们对新品种的需求越来越高以及作物种质资源的遗传背景越来越狭窄等原因,研究者迫切需要新的方法来创造新的种质资源和新品种,来满足育种和人们消费的需要。基因工程可以单基因改良作物性状,不仅可以创造新的种质资源,而且可以直接改良已有的品种,成为了常规育种的有力补充,将在一定程度上提升常规育种的水平和效率。

植物基因工程指的是根据人们的需要,利用DNA 重组技术(包括克隆、剪接和转移DNA 等系列技术)将目的基因转化植物,并在植物中整合、表达和稳定遗传,进而改良目标植物性状的过程。通过基因工程所获得的转化外源基因的植物就是转基因植物(transgenic plants)又称为基因工程植物(genetically engineering plants)或遗传改良植物(genetically modified plants)。

植物基因工程和转基因植物

那么,我们到底为什么要用基因工程手段改良植物呢?通过转基因技术,人类可以得到哪些实实在在的好处?

改良农产品品质:农产品品质一直是重要的育种目标,通过常规育种不能或很难获得的的品质性状可以利用基因工程来实现。例如,为了培育功能番茄和提高番茄抗氧化性功能(有研究表明,癌症、衰老,以及其他很多疾病都与过量自由基的产生有关联。因而,抗氧化功能即减少自由基的产生或加速其清除的功能),意大利科学家Butelli 等(2008)将克隆自金鱼草的转录因子基因Delila 和Rosea1 共转化番茄品种Micro-Tom,转基因番茄果实由红色(野生型)变成紫色,花青素累积高达2.83±0.46 mg/g(野生型番茄中低至无法检测到),随后用添加10% 转基因紫番茄粉的饲料喂饲Trp53-/- 小鼠(knockout mice),其寿命由142 天(仅喂饲标准饲料)延长至182 天。

植物抗虫基因工程:目前在植物抗虫方面主要应用的基因是来自苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis)的内毒素蛋白基因。苏云金杆菌是一种微生物杀虫剂,其能产生具有杀虫能力的杀虫晶体蛋白(insecticidal crystal proteins,ICPs), 简称Cry 蛋白, 该蛋白为δ 内毒素蛋白, 已确认的Cry 蛋白包括Cry1~Cry23,每种Cry 蛋白对鳞翅目(Lepidoptera)(蝴蝶和飞蛾)、双翅目(Diptera)(苍蝇和蚊子)、鞘翅目(Coleoptera)(甲壳虫和象鼻虫)和膜翅目(Hymenoptera)(黄蜂和蜜蜂)均有特异毒害作用。植物抗虫基因工程以转Bt 基因的棉花、玉米和油菜等研究最为深入。截止目前所分离的Cry 蛋白仅有很少几种对线虫类有杀虫作用,尚未发现对同翅目的吸汁液的昆虫有毒害作用的Cry 蛋白。活性毒素分子由于可以特异、高亲和性地结合至昆虫中肠的表皮细胞,并将成孔区域的α 螺旋插入膜内,使胶体渗透溶解、细胞死亡,最后导致昆虫死亡。因此,通过在作物中表达苏云金杆菌的Bt 杀虫蛋白基因而提高作物的抗虫性。目前,转Bt 基因的棉花和玉米在全球种植面积已达2.03 千万公顷。

抗除草剂基因工程:杂草因与作物竞争生存空间、营养和光而表现出顽强的生命力,导致作物减产或品质下降,是全球粮食安全的重大隐患。草甘膦是(glyphosate)一种广谱性除草剂,它通过抑制5- 烯醇丙酮酰莽草酸-3- 磷酸合成酶(5-enolpyruvyl shikimate-3-phosphate synthase,EPSPS)而干扰芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等)合成而使植物致死。1985 年,Comai 等将鼠伤寒沙门氏杆菌中对草甘膦敏感性低的的EPSP 合成酶基因(aroA 基因)转移到烟草上首次获得了抗草甘膦的转基因作物。1996 年,转自农杆菌CP4 菌株EPSPS 酶的抗草甘膦转基因大豆Roundup Ready 由美国孟山都(Monsanto)公司开发并正式投入商业生产,由此拉开了抗除草剂转基因作物培育的序幕。科学家们还分离了吸水链霉菌的Bar 基因,该基因编码草丁膦乙酰转移酶,该酶通过乙酰化可以使草丁膦失去活性而产生抗草丁膦活性,目前已获得了包括马铃薯、大豆、小麦、水稻、油菜、棉花等多种转Bar 基因的抓基因作物。还有一些其他基因如从土壤细菌臭鼻杆菌(Klebsiella ozaenae)中分离出降解溴苯腈的腈水解酶bxn 基因,转化烟草后使烟草获得了溴苯腈抗性等等。

改进逆境适应性:植物常常会遇到不良环境(如干旱、高温、低温、贫瘠、涝害和重金属等)的影响,称为非生物胁迫(abiotic stress),也称为非生物逆境。据不完全统计,非生物逆境在很大程度上影响着作物的产量,全球约70% 作物产量降低是由非生物逆境直接引起的。植物不能躲避不良环境,所以植物必须发展一套抵御不良环境的机制来适应逆境。通过基因工程可以改造植物的抗逆机制,增强植物对不良环境的适应性和抵抗能力。

目前用来改造植物的抗逆性主要有两类基因,一种是直接参与抗逆的功能基因,如具有保护细胞作用、清除自由基的SOD 酶,改变生物膜流动性的脂肪酸去饱和酶等等;另外一种是在抗逆反应过程中起调节作用的蛋白质因子,如直接调控一系列抗冷基因表达的抗冷转录因子CBF 基因,在信号传导途径起传到信号的蛋白激酶基因如CBL(钙调磷酸酶B 亚基)基因等等。

叶片衰老是植物逃避干旱的一种策略,干旱逆境下敏感植物的冠层迅速下降、叶片加速衰老与细胞致死和作物减产有关,因而干旱胁迫下抑制叶片衰老是提高植物抗旱能力的一种有效策略。Rivero等(2007)将细胞分裂素(叶片衰老抑制剂)合成关键酶基因IPT 导入烟草并进行15 天凋萎干旱逆境处理,转基因烟草叶片并未发生衰老,光合作用仍维持在较低水平,浇水后叶片完全恢复了膨胀状态,并表现出最大光合能力和重新生长,而非转基因烟草却不能恢复正常生长状态。其他一些基因如CBF 基因、AtNF-YB1 基因以及START 转录因子家族蛋白HDG11 基因,在一定程度上也可以提高作物的抗旱性。

植物抗病基因工程:病原微生物(真菌、细菌、病毒、线虫、原生动物)作为另一类的生物逆境始终威胁着作物产量和存活。病原微生物因导致植物组织损伤、叶片和根数量减少、抑制种子生长或微管组织被阻塞而萎蔫,有时甚至症状不明显而影响作物产量形成;有时还会降低次生代谢物生产能力、产前或产后产品损伤。1845 年,马铃薯晚疫病(Phytophthora infestans)使马铃薯大面积减产所引起的爱尔兰大饥荒,有100 万人逃离家园和100 万人饿死,爱尔兰人口锐减1/4。1943 年水稻褐斑病(Pseudomonas syringae)导致的大饥荒,使400 万孟加拉人饿死或营养不良,导致第二次世界大战期间英国腹背受敌。病毒病是难防治的病害,每年均会对农作物造成大量损失。以马铃薯为例,每年X 病毒(PVX)造成产量损失可达10%,Y 病毒(PVY)造成的损失可达80%。而且有些病毒缺乏抗原材料,使得常规育种异常艰难。

1988 年,Monsanto 公司获得了表达TMV外壳蛋白的转基因番茄植株,和对照相比具有很强的抗病毒能力。该公司还于1990 年将PVX 和PVY外壳蛋白基因同时导入马铃薯品种Russet Burbank,并获得了一个抗PVX 和PVY 的转基因株系。现已获得多种植物的转病毒外壳蛋白基因的植株,包括双子叶植物中的烟草、马铃薯、番茄、欧洲李和杏及单子叶植物中的水稻等。

提高农作物产量:用基因工程手段提高作物产量是一个复杂的生物学系统工程,因为作物产量本身是数量性状,而且作物因产品器官(根、茎、叶、花、果实和种子)差异,其产量构成要素也不同,同时还受环境、生命周期和生物产量的影响。产量是一个很难通过基因工程改造的性状,但是随着对产量构成机制的不断阐明,将会通过基因工程方法在一定程度上改善作物的产量。

目前产量改良主要集中在改善光合作用方面。例如,蔗糖是光合作用中首先形成的游离糖,磷酸蔗糖合成酶是催化合成该糖的关键酶,Micallef 等获得了过量表达磷酸蔗糖合成酶基因的番茄植株,与对照相比,转基因植株果实产量提高了约20%。在我国,通过理想株型(ideal plant architecture,IPA)提高水稻(Oryza sativa)产量研究居于世界前列。

植物生物反应器与产品开发:生物反应器(bioreactor)是利用生物体细胞、组织、器官或个体所具有的生物功能,生产目标产物(如蛋白质或化合物)的表达系统。植物基因工程生物反应器是利用植物基因工程技术将植物改造成生产目标产物如蛋白质或化合物的生物反应器。植物作为反应器除了全株/ 器官外,也有报道用叶绿体、油体等细胞器作为反应器。植物全株/ 器官作为表达系统生产生物制剂是植物学、遗传学、分子生物学、基因工程和医学等多学科的完美结合。目前,植物生物反应器主要应用在以下4 个方面:①生产药用蛋白;②表达抗体;③生产某些疫苗;④生产大量的药用次生代谢产物。

美国学者Hiatt 等(1989)用烟草表达免疫球蛋白γ 链和κ 链,通过杂交成功获得表达具有生物活性抗体的转基因烟草,也开辟了人类利用基因工程手段在植物体中表达药用蛋白的新纪元。目前,全球用植物系统成功地表达了数以百计的植物重组蛋白,植物生物反应器作为具有重大科学意义和应用价值的新兴产业已引起各国科学家、生物技术公司和政府的关注。例如,Zhang 等(2007)利用番茄表达了人凝血因子IX;Chen 等(2009)用番茄成功地表达了胸腺素α1;Cui 等(2011)在生菜叶片中成功地表达了胸腺素α1,并获得无选择标记的转基因生菜;Cui 等(2012)在转基因烟草中成功地表达了靶向肝癌的双功能抗体(肝癌单克隆抗体HAb25 一个单链可变区片段和牛蛙细胞毒性核糖核酸酶)复合体,等等。

植物基因工程产品种植现状

1983 年世界第一例转基因植物(烟草)问世,1994 年第一个转基因作物产品——延熟番茄Flavr Savr ( 也称为 CGN-89564-2; 发音为"flavor saver")获得美国食品与药物管理局(FDA)批准进入市场,1996 年转基因作物(抗虫和抗除草剂棉花)进入田间试验开启了转基因作物商业化种植时代。

国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)在北京发布的《2016年全球生物技术/转基因作物商业化发展态势》报告显示,2016年全球转基因作物种植面积达1.851亿公顷(截至2015年末,我国耕地面积约1.3亿公顷,且呈逐年缩减趋势),创历史新高。报告显示,转基因作物种植面积自1996年以来增长了110倍,累计达到21亿公顷(比两个中国还大)。2016年,全球共有26个国家种植了转基因作物,其中19个为发展中国家,7个为发达国家。发展中国家的转基因作物种植面积占全球转基因作物总种植面积的54%,发达国家则占46%。

报告还显示,四大主要转基因作物大豆、玉米、棉花和油菜中,转基因大豆的种植面积最大,为9140万公顷,占全球转基因作物总种植面积的一半。种植面积占到全球91%的五大转基因作物种植国家中,3个为发展中国家(巴西、阿根廷和印度),2个为发达国家(美国和加拿大)。中国排在第8位,种植的转基因作物有棉花、木瓜、白杨。

该组织还预计,随着越来越多的转基因作物品种获得批准并完成商业化,未来转基因作物的应用率将继续攀升。

不争的事实是,迄今为止转基因作物已经在世界范围得到了广泛应用。而社会上针对转基因的质疑也同样激烈。目前尚没有科学证据表明转基因作物影响消费者健康,相反,转基因作物却使杀虫剂用量减少,降低了空气、水体和土壤污染,也使大量微生物和昆虫免遭灭杀。但是关于其安全问题也要给予充分的重视,转基因食品可能带来哪些安全隐患?如何保证转基因作物安全、健康地造福于人类,小编下回再继续扒~

【本文摘自】

《基因工程原理与技术》

基因工程是生物技术、生物工程等专业的核心课程之一。本教材以基因工程的原理和技术为主线,重点介绍和分析了基因工程的基本理论、技术、方法及应用,兼顾该学科的新进展。考虑到本科生的课程学习容量,采用“纸质教材+数字课程”的出版形式进行课程的构建和教材编写,具有很强的实用性、针对性和可读性。全书共16章,从原理发现到技术基础、应用扩展、安全风险,基本涵盖了基因工程学科的主要内容。本书可为高等学校生物技术、生物工程类专业本科教学使用,也可供从事基因工程及相关学科教学、科研的工作人员和研究生参考。

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