玉米转基因育种技术环节思考VIP

寸 阁 种 号 题 论 述 玉米转基因育种技术环节思考 滕 海涛 刘 亚 陈 伟 ( 北京市农林科学 院玉米研究中心 ， 1 0 0 0 9 7 ) 摘 要 ： 转基 因技 术 自产 生 以来 因为 生 物 安全 而被 关 注 本 文 对转基 因的育种过程的 回交转 育、 选择 、 标记 辅助选择 、 资 源保 护 、 生物安全 、 育种者 责任 、 法律规 定和未 来发展 方向等各个 环 节进行 了分析 、 概括和总结 希望育种者能够在进行 转基 因过程 中明确 自身责任 按 照法规行事 提 高育种技 巧 ， 更好 更安全地 利 用 转 基 因 为 生 产服 务 关键 词： 转基 因； 玉米； 育种 ； 生物安全 ； 标记辅助选择 ； 责任 基 因工程技术是 2 0世纪 7 0年代发展起来的新兴 生物技术， 目前已成为全球市场竞争的重点领域 作物育 种是基 冈工 程技 术最 重要 的应 用 领域 并且 已经 取 得 了 显著进展， 产生 了巨大的经济效益 和社会 效益 玉米 作为 世界上重要 的作 物之一 转基 因玉米也 得到 了大力 培育 和推广 目前转 基 因玉米 栽培 面积是世 界上仅 次于 大豆 的第二大作物 自 1 9 8 3年世界上第 1 株转基因作物产 生 以来 作物安全性 问题 一直备受争议 ，2 0 0 8年 7月 9 H 国务院常务会议正式审议通过了转基因生物新品种 培育科技重大专项 以提高农业转基因生物研究和产业 化整体水平 为 中国农 业可持 续发展 提供科 技支 撑 是 国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) ) 确 定 的未来 1 5年 力争 取得 突破 的 1 6个 重大 科技 专项 之 一 ，玉米是列入项 目计划的重要作物之一 我国转基因 的发展 迎来了历史性 的发展 机遇 关 于 国际玉 米转 基 因的研 究进 展 、 市场 推广 、 最终 加 工 、食 用产 品风 险控 制研 究等 方 面 已经有 诸多 概括 和 论述 _ l 不 再 复 述 ， 但 玉 米 育 种 过 程 中 的 风 险技 术 控制方 面的论述较少。笔者就曾经进行过的转基因玉 米 育 种过 程 4 , 5 l 和有关 研 究 文献 对 转 基 因玉 米育 种 过 程可能需要注意的风险性和安全性环节试图进行概括 总结 ， 希 望对 于育 种者 能够 起 到借 鉴和 提醒 作用 1 转基 因技 术与生物安全 自从世界范围内转基因产 品商品化 实施开始 转 基因植物产品导致的环境生态安全问题 H益引起人们 的广 泛关 注 生物 科技 的发 展 给人类 生 活带 来 了丰 富 的和多样化的产品同时 对生态环境可能造成 了威胁 生物安全是伴随着转基因技术的产生而产生的一种忧 虑意识 ， 有资料表明 转基 因玉米花粉对帝王蝶的生存 造 成威 胁 转基 因更 严 重 的不 良后果 虽然 还没 有在 近 2 0年里得到证实 但是并不等于说转基因技术就不存 在风险。 因此必须对转基因生物 的研究 、 开发和释放等 进行 科学 合 理 的管制 ， 才 能有 效控 制这 些潜 在 的 隐患 。 目前世界各国都对转基因技术应用 以及转基 因生物体 的商 品化 活 动进行 法 律规 范 2 我 国的转基 因管理政策 农业部 2 0 0 1年规定了 农业转基 因生物安全管理 规定 ， 2 0 0 2年颁布了 农业转基因生物安全评价管理 办法 、 农 业 转基 因生 物进 口安 全管 理 办法 、 农 业转 基 因生物标识管理办法 。 安全评价管理办法 规定 ： 利 用基 因工程技 术 改变 基 因组构 成 用 于农业 生 产或 者农产 品加工的植物 、 动物 、 微生物及其产品均需进行 安 全评 价 。主要 包括 ： 转 基 因动植 物 ( 含种 子 、 种畜禽 、 水产苗种) 和微生物 ； 转基因动植物、 微生物产品； 转基 因农 产 品 的直接 加工 品 ： 含 有 转基 因动 植物 、 微 生物或 者其产品成 分的种子 、 农 药 、 兽药 、 肥料和添加剂等产 品 转基 因玉 米育 种处 于 实验 室 阶段 和 中试 的过 渡 阶 段 应 该 取得 国家农业 行 政管 理机 关 的评估 和授 权后 才能够进行相应的育种研究 其中就要求对于每个阶 段 ( 育种) 的防护措施做出说 明 总体来讲 我国的农业 转基因政策是相对 比较宽松 的国家鼓励农业转基因 的研发 推广 但 是也 注 意加 强监 管 3转基 因玉米育种 中的技术环 节控 制 3 1 转 基 因隔 离 的 必 要性转 基 因 的 目的是 为 了生 产应用 在将基因转移到 目标受体 的时候就要充分考 虑对今后的玉米育种可能产生的实际影响 由于当前 试验条件的限制 将 目标基 因在实验室内分别转移到 各个玉米材料上还 尚不可行 但是 由于基 因转化过程 中愈伤组织和绿苗的诱导率会因为玉米品种的基因型 效应而导致成株玉米 的效率会有很大的区别 由于玉 米材料大体上可以分为不超过 1 O个左右的主要类群 只要分别在各个类群 中选取适 当的 目标材料就可 以 了然后通过常规育种技术就可以迅速将基因转移到 其他需要 的目标材料上 这样对于玉米类群干扰较少 不至 于影 响到 基 于杂种 优 势群 育种 方法 专 题 论 述 呻 阁舯业 转基因玉米育种和常规玉米育种 的最大不同点是 必须确保转基因成分仅仅在育种范围内转移 不得污 染 目标育种 以外 的环境和其他材料 尤其是对于一些 特殊的转基 因性状来说更为重要 例如抗除草剂转基 因品种有可能存在着抗性基因向杂草或者微生物等进 行转移的风险 转基 因玉米育种需要和常规玉米育种 进行有效的隔离和防护才能达到这种特殊的要求 3 2 花 粉 隔离 玉米花粉 是植株 体唯一 可以进行 离体 随机 移动 的成分 并且 对 可 以 自由移 动 的空 间和时 间具 有很大的范围 由于花粉本身是遗传物质的载体和有 性生殖的活动介质 对于玉米花粉的有效控制绝对必 要。雄穗散粉前最好实行严格 的套袋 ， 以免花粉外溢 ； 完成授粉任务之后 最好将雄穗进行统一收集和销毁 一 般转基因的受体( 转育材料) 是常规玉米 在育种材 料间的隔离方面 常规玉米育种和转基因玉米育种的界限 必须明确区分， 做出明确的标记 ， 在杂交组合测配时 转基 因组合必须单独收获， 做出明显而不易损毁的标记。 与甜糯玉米等食用玉米品种的隔离 目前鲜食玉米 得到大规模的推广 育种单位一般甜糯玉米和常规玉米 同种植在相同的育种区内 常规玉米的花粉如果传染和 污染到甜糯玉米甚至转移到后代当中 将会在食用玉米 中出现转基因成分 尤其需要注意的是鲜食玉米是当前 重要的休闲食品 可能会产生健康风险 幸运的是如果 常规花粉感染到甜糯玉米花粉 在当代就可以明显通过 收获的干燥成熟的子粒鉴别出来 育种者必须把好这一 关 防止转基因成分渗入食用玉米当中。 各个世代的转基因子粒材料及各种收获材料必须 注意彻 底安 全 收获和 销毁 ， 不 能随 意遗漏 。 转基 因育种 秸秆 最好是 烧毁 不 能作 为青贮 饲料 直接 饲 喂家畜 ： 收 获材料不能混入商品玉米 以免再次通过加工过程进 入养殖程序 ： 晾晒时必须注意和常规玉米材料隔离 ， 不 能随便抛弃 不能混收 3 3基因转育将 目标基因转育到适 当的受体才 能 发挥作用 育种中选育适当的受体十分关键 。需要转 育的受体和供体之间的遗传距离和类群上要具有选择 性 为将来的组合测配和高产杂种优势模式打下基础 ， 一 般可以选择亲缘关系较近的材料作为 目标受体 。 回交转育或者选择世代可以通过人工施加选择压 力的办法进行 目标植株的鉴定 如抗虫转基因( B T ) 选育 可 以适 当时期人工 接种玉米 螟 ：对抗 除草剂 转基 因 ， 可 以利用除草剂作为选择压力 从而选择出目标的植株继 续根据育种 目标实施选择过程 选择目标植株的过程必 须结合综合 的植株遗传性状进行全生育期的观测和记 录。 这样选择的效率和可靠性将得到极大的提高 3 4 转 基 因 的 遗传 特 点 与 育 种 技 术 的选 择转基 因 能 否在 转育 过程 中保持 稳定 和正 常表 达 是 玉米 育种 取得成功的关键 ， 需要研究者重视育种阶段的研究 转 育和选择的过程将发生剧烈的遗传重组过程 可能会 影响到玉米 自然形成的遗传平衡和生理环境等 杂交 F 转基因材 料染 色体分离组合时可能会导致转基 因 区段的配对紊乱 转基 因和受体基因组的融合表现需 要及时得到验证 转基 因在大多数转化体后代中呈简 单的显性孟德尔遗传 ： 在转育的早代 ， 部分家系中转化 体 比例偏低 有的发生转基 因丢失 但到高代系以后均 趋于正常的孟德尔遗传方式 在群体中固定下来E 6 3 滕 海涛等 也指出在抗 B T基 因转育的早代转育 的抗虫 性材料约占到总材料的 1 0 左右 说明在早代 的抗虫 性选 择 中选 择 压 力 不 易 过 大 通 过 基 因 枪介 导 法将 MD MV 一 基 因导人玉米 自交系。获得 了可育转基因 植株转基因一代和二代表现出对 MD MV ( 矮花叶病 毒) 一定的抗性 遗传力较大 7 l 。对于不同类型的转基 因需 要根 据其遗 传 特点采 取不 同的选择 技术 3 5分 子标 记 辅 助 育 种 转 基 因 的 回交 转 育 和 选 择 世 代 选 择 目标植 株 可 以人 为施 加 选 择 压 力 的办 法 进 行 然而有些性状如营养性状和品质性状 可能通过实 验室室 内检测 才能够确定 需要进 行鉴定试验的样本会 比较大 这时候可以考虑选择分子标记或者其他的生物 标记进 行辅助选 择 根据转 基 因的启 动子 、 终止 子和基 因本身序列的特点 ( 更重要) 构建出特异性选择标记和 引物F 8 分 子标 记 的辅助选 择的优越性就 发挥 出来 了 对 进行筛 选将是非 常有效 的途 径 。对 于成熟 的育种企业 ， 分 子标 记技术是 必备 的检测技术 手段 。 在检测 效率和育 种效率的提升方面将发挥独特的作用。需要注意的是 ， 分子鉴定可以作为选育鉴定转基因序列存在与否的高 效技术手段 田间鉴定是可靠的技术手段 结合两者进 行转育植株的选择和鉴定， 能够取得较好的可靠效果。 3 6品 比和 区试在 进 行 转 基 因 品种 比较 试 验 和 区 域试 验 中 ， 应该 注意 分 区试 验 与非转 基 因品 比 、 区域试 验隔离试验 以确保互不干扰。 不同类 型的转基 因品种 间如何实施 品比和区试 可能还需要行业的充分讨论 。 3 7转基因品种与品种保护 我 国植物新 品种保护 制度对于转基因植物品种 申请保护没有特殊的规定和 限制 如 果转基 因性 状没 有列 入 到玉米 新 品种 的测 试 指南当中那么育种者可以提出测试附加性状作为品 种的特异性状 但是育种者要对转基因材料进行明确 的和负责任的说明 不能掩盖或者误 导转基因的准确 寸瞳 种韭 专 题 论 述 属性 ， 否则将不利于授权 。对于育种者而言 ， 保护品种 权可 以从基 因专利 9 和 品种保护两个方面着手 ， 针对 基因和品种分别实施保护 如果该环节涉及到其他单 位 的 品种或 者 自交 系或者 目的基 因 的 需 要注 意考 虑 其 他单 位 的权利 3 8 种质 交 流种质 交 流是 玉米 育 种 中经 常发 生 的 。 对于转基 因的育种材料相信各个单位会非常重视 不 会轻易转让转基因的材料 协议转让是最保险的做法 。 转基因的供给方和接收方应对转基因的权利范围期限 和责任义务进行明确的界定 ， 所有权 、 使用权和利益分 享权要提前划分清楚 3 9育种者责任 育种者必须具有高度的责任 感和 科学道德 不能为了育种而育种 不能为了一己之利而 不顾 及转 基 因技术 可 能带来 的负面 影响 转 基 因玉米 育种势在必行 ， 但是不能随意。要胸怀对生物环境 、 对 人体健康负责的高度责任感 在育种各个环节对转基 因可能造成的生物扩散和生物安全保持高度警惕。 3 1 0转基 因释 放 需 要取得 的官 方许 可有 研究 者认 为 在 转基 因育 种之 前就 应对 转基 因的生 物风 险 、 健康 风险、 环境风 险等进行评估 ， 笔者认 为在育种之前 。 尚 无成型的转基因产 品无法对转基因产品进行评估 而 品种释放之后再进行评估反而是风险最大的 对于基 因转育 和育 种 阶段 进 行风 险评 估 可能是 比较 适宜 的策 略 每个 田间育种和风险评估同时进行是恰当的 也是 我国转基因风险控制的主要政策基础 自交系转育 、 杂 交组配、 组合筛选、 品种审定 、 生产试验 ， 随着转基因育 种过 程 中的环 境接 触 面积 的增 大 风险 评估 的严 格程 度就要越高 评估的指标将会不断增多 农业部转基 因生物安全和知识产权处是管理和发 放转基 因释放证 书 的官方 单 位 育种 企业 只有 取得 了 生物安 全证 书和 释放 证 书后 才有 资格 进行 大 面积 的 示 范和推 广 活动 并且 对 于推广 有具 体 的规定 对于 获 得转基因品种释放许可的品种最好实现 区域化种植和 隔离 种植 在 转基 因品种 和非转 基 因 品种 间应 该 设立 自然 的缓 冲 隔离 带 3 1 1 转基因玉米 育种发展方 向 玉米 的高产育种是 长期 的发展方向鉴定和筛选出与高产有关 的基 因并 研究其结构功能 将有助于更大程度产生出高产玉米 品种 将多种特色的转基 因成分进行有效组装 将产生 出超 级 的具有 多种 转 基 因成 分 的玉 米优 良 自交系 和 品 种F I O 甚至于将来随着科技的进步人类完全可以根据需 要 自由组装出所需要 的玉米品种 摆在遗传学家和育种 家面前的事业任重道远。推进转基因玉米的产业化， 加 强转基 因的表达性研究 新基 因的克隆和鉴定 设立玉 米 基 因组项 目 、 加强 安 全性评 估 1 】 ， 标记 基 因 的选择 安 全性 l 1 2 等 是转基 因玉米将来需要 十分 注意 的方 面 参 考 文 献 1 荆绍凌 ， 孙志超 李淑华 转基 因技术 在玉米种质改 良中的应用 中国 种 业 。 2 0 0 9 8 ： l 1 l 3 2 陈化榜 美 国转 基因玉米 的生产概况 和发展 趋势 玉米科学 ， 2 0 0 8 ， 1 6 ( 3) ： 1 - 3 3 洪德峰 ， 张学舜 ， 刘 俊恒 ， 等 花 粉管通道法 在玉米转基 因 中的应 用 中国种业 2 0 0 9 4 ： 1 1 1 3 4 赵久然 ， 郭景伦 ， 滕 海涛 ， 等 玉米转基因研究进展 玉米 科学 ， 2 0 0 0， 8 ( 3 )： 1 4-1 7 5 滕海涛 ， 赵久然 ， 郭景伦 ， 等 抗虫转 基 因玉米研 究初报 玉米 科学 ， 2 0 0 2， 1 0 ( 2 ) ： 1 4 1 6 6 王守才 ， 王 国英 ， 丁群星 ， 等 转基因在玉米中的遗传分离与整合特性 的研究 遗传学报 1 9 9 9 2 6 ( 3 ) ： 2 5 4 2 6 1 7 1 周晓梅 ， 贾炜珑 ， 赵 云云 转 MDMV C P基因玉米植株的再生 植物研 究 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 4 ) ： 4 6 1 4 6 4 8 曹际娟 ， 陈明生 ， 卢行安 ， 等 P C R检测转 基因玉米及其 粗加工食 品 玉米科学 ， 2 0 0 1 ， 9 ( 2) ： 8 7 9 1 9 李永明 ， 潘灿君 论基 因技术的专利保护