转基因植物的环境及食品安全性.doc

转基因植物的环境及食品安全性贾士荣摘要本文就国际上转基因植物的环境安全性和食品安全性作了评述, 描述了已积累的科学数据和经验, 并对存在的问题、安全性评估和监控的总趋势作了讨论。关键词转基因植物安全性评估环境食品国际上生物技术的研究与开发已进入商业化阶段。1995年生物技术产品在美国的销售额约 100 亿美元, 预计到 2006 年可达 340 亿美元, 年增长约 12%。在 1995 年的销售额中, 医药生物技术产品占 75%, 农业生物技术产品只占3%。但据预测, 生物技术的第一个浪潮是医药, 第二个浪潮将是农业、环境和海洋生物技术。在农业生物技术中, 转基因植物的研究与开发最为突出。1983 年转基因植物问世, 1986年被批准进入田间试验, 据美国农业部动植物检疫局(APH IS)的数据, 截止 1997 年 1 月 31日, 美国已批准的转基因植物田间试验达 2584例。Calgene公司研制的延熟蕃茄 FLAVRSAVRTM 于 1994 年首例被批准商业化, 此后被批准商业化的转基因植物迅速增加, 截止 1997年1月31日, 美国批准了 17 例(表 1), 加拿大18 例(表2), 澳大利亚4 例, 日本7 例。我国也于今年上半年批准了转基因延熟番茄的商业化。表1美国APHIS, USDA 批准的转基因植物的商业化(1997. 1. 31 前)序号名称研制者批准时间1234567891011121314151617延熟番茄延熟番茄改熟番茄改熟番茄抗虫玉米抗虫玉米抗虫玉米抗虫棉抗甲虫马铃薯抗除草剂玉米抗除草剂玉米抗除草剂玉米抗除草剂棉花抗除草剂棉花抗除草剂大豆抗病毒西葫芦抗病毒番木瓜CalgeneZeneca Plant Sci. &Petoseed Co, Inc.MonsantoAgritope Inc.Ciba SeedsMonsantoNorthrup King Co.MonsantoMonsantoAgrEvoDeKalb Genetics Coop.Plant Genetics Systems Inc.MonsantoDuPontAgr. ProductsAgrEvoA sgrow SeedsCornellU &U. Hawaii19941995. 61995. 91996. 31995. 51995. 81996. 11995. 61996. 51995. 6 1995. 121996. 21995. 71996. 11996. 71996. 61996. 9根据APEC AgriculturalBiotechnologyWorkshop 资料,Canberra,Australia,M arch 327, 1997表2加拿大批准转基因植物的非监控释放(截止1996. 7. 1)序号名称研制者来源批准用途123456789101112131415161718NCN92, 抗除草剂油菜(B. napus)HCN28, 抗除草剂油菜(B. napus)GT73, 抗除草剂油菜(B. napus)GT200, 抗除草剂油菜(B. napus)NS73814711473, 抗除草剂油菜(B. napus)M S1RF1, 油菜(B. napus)新杂种体M S2RF2, 油菜(B. napus)新杂种体高月桂酸油菜(B. napus)GT2402322, 抗除草剂大豆抗除草剂玉米抗除草剂玉米抗除草剂玉米抗除草剂玉米抗除草剂玉米CDC Triffid, 抗除草剂亚麻176,Bt 抗虫玉米Bt 抗虫玉米Bt 抗甲虫马铃薯AgrEvoAgrEvoMonsantoMonsantoPioneer Hi2BredPGSPGSCalgeneMonsantoPionerr Hi2BredBASFAgrEvoZeneca SeedsDeKalbU. SaskatchewanCiba SeedsM ycogenNorthrup KingMonsantorDNArDNArDNArDNA突变体细胞变异rDNArDNArDNArDNA突变体细胞变异体细胞变异rDNA突变rDNArNDArDNArDNArDNA环境食品饲料环境环境食品饲料环境食品饲料环境食品饲料环境食品饲料环境食品饲料环境食品饲料环境食品饲料环境食品饲料环境环境环境环境食品饲料环境饲料环境食品饲料环境食品饲料环境食品饲料根据APEC AgriculturalBiotechnologyWorkshop 资料,Canberra,Australia,M arch 327, 1997从本质上讲, 转基因植物和常规育成的品种是一样的, 两者都是在原有品种的基础上对其部分性状进行修饰, 或增加新性状、或消除原来的不利性状。有意识的杂交育种已有100 多年的历史、历史上并不要求对常规育成的品种作系统的安全性评价, 为什么要对转基因植物进行安全性分析? 这是因为常规有性杂交仅限于种内或近缘种间, 而转基因植物中的外源基因可来自植物、动物和微生物, 人们对可能出现的新组合、新性状会不会影响人类健康和生物环境还缺乏知识和经验, 按目前的科学水平还不可能完全精确地预测一个外源基因在新的遗传背景中会产生什么样的相互作用。但从理论上讲, 植物基因工程中所转的基因是已知的有明确功能的基因, 它与远缘有性杂交中的高度随机过程相比, 其转基因后果应当可以更精确地预测, 在应用上也应更加安全。安全性评价的总原则是: 1 .促进而不是限制植物基因工程的发展, 同时保障人类健康和生态环境。2. 考虑到基因、转基因植物种类及环境的多样性, 应采取个案分析的原则(case2by2case)。3. 逐步完善的原则(step2by2step)。4.在积累数据和经验的基础上, 使监控管理趋向宽松化和简单化的原则。根据国际上近十年间转基因植物田间试验所积累的科学数据及经验, 本文就环境安全性和食品安全性两方面综述如下:1环境安全性环境安全性分析包括生存竞争性、生殖隔离距离(通过花粉传播引起的转基因漂流)、与近缘野生种的可交配性及对非靶生物的影响3等 。11生存竞争性111生长势: 转基因水稻、马铃薯、杨树、甜瓜、亚麻、芦笋等的田间试验结果表明, 转基因植株(以下简称TP)的生长势与非转基因植株差别不大, 一般情况下TP 的生长比非转基因植株差3。1 .1 .2种子活力及越冬能力: 转基因棉花、油菜、烟草、水稻、番茄、马铃薯等的种子活力及越冬性均没有提高3 。1.1.3抗病及抗逆能力: 除抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆的转基因植物外, 不可能提高其生存竞争性。一旦离开特定的选择压, 生存竞争性就不再增加, 甚至会丧失3 。1.2生殖隔离距离生殖隔离是田间试验中为防止基因漂流至临近作物中的一项重要措施, 所需的隔离距离随作物的生殖特性、传粉方式及环境条件而定。由于转基因植物中通常都含有标记基因, 如抗生素抗性标记、除草剂抗性标记等, 因此是迄今研究花粉传播距离最有效的一种方法, 积累了不少数据和经验3,详见表3。值得指出的是，在转基因作物周围设置缓冲作物带 (bufferarea, 即表 3 中的ba), 对减少花粉传播距离有明显的作用,Monsanto 公司对油菜TP所得的数据表明,10米缓冲作物带的作用相当于400米的隔离区3 。1.3 与近缘野生种的可交配性TP 与近缘野生种的可交配性视物种及地理环境而定, 在自然条件下, 可交配性一般很小。例如, 迄今还没有发现马铃薯与其近缘野生种龙葵(S olanum nigrum )及欧白英(S. dulca2m ara)发生杂交; 栽培的陆地棉(Gossyp ium hir21 sutum )、海南岛(G. barbadense) 也不能与近缘野生种G. thurberi、G. tom entosum 杂交; 在距烟草 TP 200 米处生长的近缘野生种S. nigrumR及S. dulcam ara 植株上, 未检测到Kan 种子。在 油 菜 上, 因 芸 苔 属 中 包 括 B rassicacampestris、B. oleracea、B. nigra、B. napus、B.juncea 和B. carinata 等, 它们之间发生杂交的情 况 很 复 杂, 但 尚 未 发 现 基 因 可 从 B.campestris、B. napus 或B. juncea 转移到最重3要的杂草野白芥S. arvensis 中 。1.4对非靶生物的影响1.4.1对土壤微生物区系的影响: 转基因矮牵牛、马铃薯、棉花、水稻、番茄与非转基因对照相比, 对土壤微生物的种类和数量没有影响。但Hoffmann 等发现转基因油菜中的基因可转至黑曲霉(A spergillus niger)中, 转移机制尚不清楚3 。表3生殖隔离距离作物种距离(m)传粉率(%)作者番茄油菜(虫媒)烟草(自交)马铃薯棉花(虫媒)水稻(自交)黄瓜白三叶草(虫媒)甜瓜(虫媒)矮牵牛甜菜(风大豆1.8-2.9APH IS 批准10m4613736680047 ba70 ba12 ba100 ba225 ba10m ba=400m214.531020欧洲:5m隔离1 ba10 ba20 ba1510205010005(温室、风扇)几米5050(10m ba)50(20m ba)10243296112建议: 100m100.5- 8310 b2a种子生产要高度自交, 0.0052.11.10.60.10.0003400.700.0010.0402.00.170区+ 15m0.40.060.000111.20.610.160.090.03042.730.07500.020.02000.0102.601000m只需采Monsanto(美)Downey 等(加)Casper 等(德)Scheffler 等(英法Monsanto(美)Paul&Dunwell(英)Tynan 等(新西兰)Dale 等(英)测控区 Fitt等(澳) 张长青等(中)A jisake 等(日)Tada 等(日)Hokanso等(日) Woodfield 等(新西兰)Tabei(日)A shikari等(日)取物理隔离措施1.4.2对有益和有害昆虫的影响: 研究表明, 转Bt 基因或几丁质酶基因的油菜对密蜂的传粉及觅食偏爱没有影响; 抗TMV 的转基因番茄对采花类昆虫无影响; 抗水稻条纹病毒的水稻TP 也对昆虫无影响3 。1.4.3转基因植物残渣对后季作物的影响: 与非转基因作物相比没有明显区别3 。1.5 病毒发生异源重组或异源包装的可能性 自然界中存在着植物病毒之间的异源重组。病毒的异源包装或称转移包装, 可改变病毒的寄主范围。转基因植物表达的病毒外壳蛋白(CP) , 在体外试验中, 可包装入侵的另一种病毒的核酸, 产生一种新病毒。如表达苜蓿花叶病毒AMV2CP的转基因植物, 在黄瓜花叶病毒(CMV ) 严重感染后, 有转移包装的证据。表达李痘病毒PPV 2CP 的转基因植物, 若以西芦黄化花叶病毒(ZYMV ) 超感染, 则ZYMV 可由非蚜传转变为蚜传病毒。转马铃薯Y 病毒PV YN 株系CP的马铃薯, 其表达的CP 也可异源包装PV YO 株系的核酸, 但马铃薯卷叶病毒PLRV 的CP 则无包装PV S、PVX、PVY 核酸的证据。迄今在田间试验中尚未发现病毒的异源包装, 在转基因甜瓜及甜菜的田间试验中, 均未发现不同病毒CP 与核酸之间的异源包装。据推测, 即使在转基因植物中发生病毒的异源包装, 该病毒在再次入侵非转基因寄主时,也会因无法形成CP 而消亡。但小规模田间试验中所得到的一些否定性结论, 并不意味着在长期大规模生产应用中不会发生。在长期生产中, 病毒异源重组和异源包装的真正危险究竟有多大? 这仍是今后安全性评价中应当考虑的重点问题之一。2食品安全性目前普遍公认的食品安全性分析的原则是O ECD 1993 年提出的“实质等同性”原则, 即生物技术产生的食品及食品成份是否与目前市场上销售的食品具有实质等同性。WHO、FAO两次召开专家咨询会议, 提出了咨询报告, 详见参考文献1, 4, 5, 7, 8, 9 。实质等同性分析主要包括表型性状, 关键营养成份及抗营养因子, 有无毒性物质及有无过敏性蛋白等, 详见贾士荣(1997) 1 。这里仅补充一些过敏性的新资料。过敏蛋白具有对T 2细胞和B2细胞的识别区, 产生专一性的IgE (免疫球蛋白E) 抗体。因此过敏原含有两类抗原决定簇, 即T 2细胞抗原决定簇和B2细胞抗原决定簇。抗原决定簇一般为小于16 个氨基酸残基的短肽。最近对某些植物过敏蛋白的分子基础进行了研究, 已鉴定出黑麦草花粉主要过敏原Lolp5 的T2细胞和B2细胞抗原决定簇。T2细胞抗原决定簇为两段12肽, 处于分子中的105116 aa 及193204aa, 它在具抗原的细胞表面起作用, 参与T 2细胞识别。B2细胞抗原决定簇为7 段短肽, 多数位于分子的C 端, 与B2细胞表面结合, 产生IgE6 , 其序列如下: 在下列情况下转基因植物食品可能产生过敏性; (1) 所转基因编码已知的过敏蛋白。 (2) 基因源含过敏蛋白。如N ebraska 大学食品科技系证明, 表达巴西坚果2S 清蛋白的大豆有过敏性, 这是迄今已知转基因植物未被批准商业化的例子。 (3) 转入蛋白与已知过敏蛋白的氨基酸序列在免疫学上有明显的同源性。可从Gen2Bank、EMBL、P IR、Swiss Prot 数据库中查找序列同源性。至少要有8 个连续的氨基酸相同。(4) 转入的蛋白属某类蛋白的成员, 而这类蛋白家族中的有些成员是过敏蛋白。如P rofil2in s (肌动蛋白抑制蛋白) 为一类小分子量蛋白,分子量112 115 kD, 在脊椎动物、无脊椎动物、植物及真菌中普遍存在, 不同植物的Prof il2in s 有相对保守的氨基酸序列, 已知花粉、蔬菜、水果中的Profil2ins 为交叉反应过敏原。食品安全性中的另一个重要问题是标记基因的安全性评价。目前认为植物食品中标记基因的DNA , 水平转移至肠道微生物的可能性极小, nptII 基因及编码EPSPS 的草甘膦抗性标记基因已被批准在商业化的转基因植物中安全使用。详细可参阅贾士荣(1997) 2 。表4黑麦草花粉主要过敏原Lol p5 的T-细胞和B-细胞抗原决定簇MAVQKVTVALFLAVALVAGPAASYAADAGYDYPTAAAATPATPAAAGGKATTDEQKLLEDVNAGFKAAVAAAANAPPADKFKIFEAAFSESSKGLLATSAAKAPGLIPKLDTAYDVAYKAAEGATPEAKYDAFVTALTEALRVIAGALEVHAVKPATEVPAAKIPTGELQIVDKIDAAFKIAATAANAAPTNDKFTVFGELQIVDKIDACTGGAYETYKFIPSLEAAALPVIAEVKIAVFEAALTKAITAMTQAQKAGKPAAAAATGAATVATGAATAAAGAATAAAGGYKA-25306090120150180210240269 黑体表示T 细胞抗原决定簇 下划线表示B2细胞抗原决定簇 3问题和展望 综上所述, 国际上对转基因植物的安全性评价已积累了比较丰富的科学数据和经验, 但在转基因植物商业化中还有一些问题仍有待解决。 3.1转基因植物大规模生产中可能遇到的新问题。如: 3.1.1 抗除草剂基因的长期效应。同一种作物分别转入多种抗除草剂基因, 又在同一释放区种植, 则通过相互传粉, 产生抗多种除草剂的杂种后代, 它们残留在田间的种子萌发后会不会成为下季作物的杂草? 这种多抗性后代会不会与近缘杂草杂交而使杂草具有多种除草剂抗性, 从而使多种除草剂丧失应用价值? 3.1.2抗病抗虫转基因作物可持续应用的时间。不同作物中转入同一抗虫或抗病基因,会不会加大对某一种害虫或病原体的选择压,使害虫或病原体加速突变产生抗性? 类似以上的问题在商业化中如何解决? 怎样对长期效应进行后监控?由谁来进行后监控? 3.2公众对转基因植物及其产品的接受性。受历史、文化、伦理、种族和宗教等因素的影响, 在一段时间内很难改变一部分公众的接受性, 因此必须大力加强宣传教育。 3. 3标签问题。转基因产品销售时是否需要加标签?这也是各国正在讨论和争论的问题。一般倾向于认为, 若转基因产品与目前市售的产品具有实质等同性, 则不需再加特殊的标签,若转基因产品中含有对一部分人群有过敏性反应的蛋白, 则需加标签, 以使购买者作出选择。 目前转基因植物安全性评价和监控的总趋势, 是向宽松化和简单化的方向发展。美国农部A PH IS 的资料表明, 99% 的田间试验说明监控体对植物、非靶生物和环境均无有害的影响, 只有1% 的田间试验报告有异常表现, 在所有试验中都未产生任何已知的、不可控的监控体扩散。因此A PH IS 已发布修改和简化遗传工程体及其产品的管理条例, 大多数田间试验由许可证制转为备案制, 并进一步扩大备案制和非监控的范围, 简化报告制度3 。 我国农业部于1996 年7 月颁布了农业生我国农业部于1996 年7 月颁布了农业生物基因工程安全管理实施办法, 1997 年3 月底前受理了国内外26 项安全性评估申请, 其中以转基因植物居绝大多数, 26 项中批准了22项可进行中间试验、或环境释放、或商品化生产, 转基因延熟番茄已被批准进入商业化。由此可见, 转基因植物在我国的商业化前景光明。参考文献 1 贾士荣1 生物技术与食品安全性生物技术通报(1997) 1:49 2 贾士荣1 转基因食品中标记基因的安全性评价 中国农业科学 (1997) 30(2):115 3 贾士荣, 吕群燕, 张长青. 转基因植物的安全性评价生物工程丛书之七:生物工程的安全问题(朱守一主编)。化工出版社(待出版) 4 FAO Report of the FAO Technical Consultation on Food Allergies. Food and Agriculture Organization,Rome. 1995 5 FAO/WHO Biotechnology and food safety. Report of Second Joint FAO/WHO Consultation. Rome, 1996 6 Hill DJ , Ho s king CS, How den M E, Knox RB (1977)Transgenic foods and food allergy. In:Commercial2isation of Trans genic Crops:Risk, Benefit and Trade Considerations (eds. McLean GD,Waterhouse PM , E2vans G, Gibbs MJ ). Australian Government Publish2ing Service, pp. 399408 7 OECD (Organization for Economic Corperation and Development) Safety evaluation of foods produced by modern biotechnology: Concepts and principles.OECD, Paris, 1991 8 WHO Application of the principles of substantial e2quivalence to the safety evaluati