深圳大学理科选修《生物安全与人类生活》课件 第五章 转基因植物生物安全.ppt

第五章转基因植物生物安全 一 人类面临的挑战全球食物 饲料 纤维和燃料安全减轻贫困和饥饿人口1999年 60亿2012年 70亿2050年 90亿目前南半球3 4人口属农村人口 其中大多为农民和无地农业人口农作物食物 饲料和纤维的主要来源每年产量65亿公吨价值约合2 5万亿美元农作物价格已经上涨一倍1966年以来 人均可耕地面积减少了三分之二1966年为0 45公顷2050年为0 15公顷营养不良 贫困8 52亿人口饱受饥饿 营养不良之苦13亿人口挣扎在贫困线上 其中70 是农业人口 世界人口增长趋势图 180410亿192720亿196030亿197540亿198750亿1999 10 1260亿2005 664 77亿 2011年10月31日凌晨前2分钟 全球第70亿名人口象征性成员的丹妮卡 卡马乔在菲律宾降生2013 10 1810 30am 挑战截至2050年 将约15亿公顷耕地生产的食物 饲料和纤维产量提高1倍并持久增长农业发展是实现千年发展目标的关键途径 世界银行 2008年 二 绿色革命和基因革命1 第一次绿色革命19世纪和20世纪先后发生过四次农业革命19世纪90年代农业 机械革命 20世纪初的农业 化学革命 20世纪前半叶 杂交育种革命 20世纪下半叶出现的 第一次绿色革命 最初只是指一种农业技术推广 是20世纪60年代某些西方发达国家将高产谷物品种和农业技术推广到亚洲 非洲和南美洲的部分地区 使其粮食增产 洛克菲勒基金会和福特基金会建立一个帮助发展中国家应用先进农业技术的国际农业研究组织 第一笔投资就是用来研究发展中国家两种最重要的农作物 水稻和小麦 改良品种与化肥 农药 灌溉的扩大利用相结合 亚洲和拉丁美洲从上世纪60年代后期开始 农业产量戏剧性增加 美国国际开发署官员威廉姆首先用 绿色革命 这个词来描述这种农业大发展的现象 在第一次绿色革命中 有两个国际研究机构做出了突出贡献 国际玉米和小麦改良中心以诺贝尔和平奖金获得者N E 勃劳格为首的小麦育种家 利用具有日本 农林10号 矮化基因的品系 与抗锈病的墨西哥小麦进行杂交 育成了三十多个矮秆 半矮秆品种 其中有些品种的株高只有40 50厘米 同时具有抗倒伏 抗锈病 高产的突出优点 国际水稻研究所该所成功地将我国台湾省的 低脚乌尖 品种所具有的矮秆基因 导入高产的印度尼西亚品种 皮泰 中 培养出第一个半矮秆 高产 耐肥 抗倒伏 穗大 粒多的奇迹稻 国际稻8号 品种 此后 又相继培养出 国际稻 系列良种 并在抗病害 适应性等方面有了改进上述品种在发展中国家迅速推广开来 并产生了巨大效益 墨西哥从1960年推广矮秆小麦 3年间达到了占种植面积的35 总产接近200万吨 比1944年提高5倍 并部分出口 高产半矮生的墨西哥小麦品种引入印度之前 印度每年的小麦总产量在1 139万吨 1966年印度从墨西哥引进高产小麦品种 同时增加化肥 灌溉 农机等投入 至1980年促使粮食总产量从7 235万吨增至15 237万吨 由粮食进口国变为出口国 我国的杂交水稻是第一次绿色革命时期的杰出代表 中国1982 1991年10年间农业产量每年增长8 使中国成为世界上最大粮食生产国 阿根廷 孟加拉 中国 巴基斯坦和土耳其等国小麦产量的增长也令人瞩目 第一次绿色革命在为人称道的同时也被人批评 新品种比传统作物需要更多的化肥和灌溉 对水和肥变化的反应也更敏感 由于这个特点 不良的气候 大量能源的消耗和全球性的经济不景气显著减缓了绿色革命前进和步伐 批评者认为以密集型农业 大农场和高质量耕地为重点的绿色革命不仅损害了环境 而且没有为应当受益的贫穷农民带来多少利益 绿色革命的历史既展现了传统植物育种技术和潜力又揭示了其局限性 2 第二次绿色革命 基因革命由于气候变化 环境污染 水资源减少 全球粮食产量增长速度将放慢2025年人口将达85亿 要生产比现在多50 的粮食才能解决因人口增长导致的食物需求问题 尽管第一次绿色革命成功实施 中国 墨西哥 印度等主要发展中国的粮食产量上升了70 但大多数发展中国家仍面临着贫困和食品短缺威胁 第一次绿色革命存在一些障碍和负面影响由于高产品种对化肥 农药 灌溉依赖过度 导致土壤 水系污染 病虫害抗性增强 土壤盐渍化等生态和环境问题 以及生产成本上升的问题 国际农业研究磋商组织提出第二次绿色革命的思路 主要目标帮助第三世界贫困人口脱贫 养活未来人口前提条件环境保护和持续发展主要途径生物技术 基因工程和分子生物学在育种上的应用 和信息技术与常规育种技术相结合代表性技术培育超级木薯 超级水稻 特种玉米 短季抗病马铃薯 抗病小麦 3 两次绿色革命的差异时代背景与目标导向不同第一次革命 社会主流进入工业经济时代 发展中国家仍处于农业经济时代目标 增加食品产量 解决温饱问题第二次革命 信息经济时代和生物经济成长阶段目标 增长产量 提升质量 环境与自然资源可持续利用技术系统不同第一次革命 植物常规育种和杂交育种 与高产品种配套的灌溉系统 化肥和杀虫剂第二次革命 以分子生物学及基因工程为核心的现代生物技术 以及其他配套的有利于环境可持续发展的 绿色 技术 转基因作物种子 知识产权的界定和研发部门不同第一次革命 新品种主要由公共部门投资研制出来 即由政府牵头第二次革命 主要由私营公司 尤其是兼营种子与化学工业的跨国公司研制 转基因种子政策环境和政治气候不同第一次革命 是一种国际农业技术推广 同时还是冷战背景下 以美国为首的西方国际针对苏联和中国为代表的社会主义国家采取的一种笼络发展中国家 构建所谓 新月形包围圈 第二次革命 不存在意识形态领域的影响Really 负面效应不同第一次革命 由于过量使用化肥 除草剂等化学物质而对环境造成的破坏 由于农作物品种单一化而引起的农业种质资源减少及农业生态系统退化 第二次革命 食品安全 生物伦理以及生物多样性等问题 世界上6大生物技术巨头拥有并控制绝大部分转基因作物的技术和市场 孟山都转基因种子的领先生产商 占据了多种农作物种子70 100 的市场份额 旗舰产品Roundup是全球知名的草甘膦除草剂 创始于1901年 当时生产人造甜味剂 糖精 1928年扩展业务 除了制造化肥 还为美国核武器提炼钚元素 也曾制造过发光二极管 越战时是 落叶橘 的主要产家 1974年推出的 农达 除草剂 直今仍保持盈利 1997年推出 抗农达 棉花和 抗螟 玉米 1998年在印度试验一种 终结基因 具有防止烟草 棉花等结籽的能力 对于玉米等必须结种子的作物 则通过基因技术 使其种子在收获后就自动杀掉胚芽 先正达世界第一大植保公司 第三大种子公司拜尔非农业害虫治理 种子和生物技术杜邦石油化工 日用化学品 医药 涂料 农药及聚合物 1997年收购先锋种子国际公司部分股份道氏杀虫剂等农业化学品 转基因植物种子巴斯夫高产农作物 用于动物饲料的营养增强型玉米 用于预防心血管疾病的高Omega 3脂肪酸含量油料农作物 4 基因革命产生的问题基因革命在西方国家被少数私人跨国公司作为赢利的一种手段 感兴趣的只是赚大钱 多数国家政府无法控制基因革命的发展方向 因为政府不掌握相关的技术和专利 基因革命的知识产权问题阻碍其成果向第三世界贫穷国家推广应用 第三世界国家多数缺乏 基因革命 技术转移的前提条件 技术垄断迫使农民不得不更多地依赖种子公司而失去自主权 技术垄断可能造成今后世界亿万人生存的粮食被少数几家大型企业所控制基因技术不可避免地卷入伦理道德 传统观念和宗教信仰等方面的争议 兰德公司 转基因作物的未来 2004年美国著名研究机构 兰德公司出版了 转基因作物的未来 从科学技术 资助来源 运动发生的地域以及相关政策和政治环境四个方面将转基因作物运动与20世纪六七十年代的 绿色革命 进行了对比分析 对转基因作物及其可能引发的基因革命的现状和未来进行了全面评估 1 转基因作物运动面临巨大挑战1 转基因技术尚难在发展中国家推广从技术的角度来讲 第一次绿色革命的成功得益于3个因素的结合 创新的植物育种方法通过选择遗传特性 科学家们实现了稻谷 小麦和玉米的高产 稳产及广泛的适应性 技术结合灌溉系统 化肥 杀虫剂与高产品种种子的结合是提高粮食产量的关键 当高产作物品种的种子在这些要素投入适当的情况下生长时 它们的产量就会大幅提高 受过培训的当地科学家只有当地科学家接受了自行培育作物所必要的培训 他们才能在国外中断指导的情况下推进本国的农业革命 从技术的角度讲 有一些重大障碍妨碍转基因作物在广大发展中国家得到推广和扩散 到目前为止 转基因作物主要是针对发达国家特定地区的农民的需要进行开发的 不能直接适用于广大发展中国家 绝大多数发展中国家的科学家尚没有接受与这些技术相关培训 因而不能生产出他们自己的转基因作物种子 转基因作物在人类健康和环境两方面具有潜在风险 在健康方面 当在作物中引入新型蛋白的基因时 一些人可能对这种蛋白产生过敏反应 在环境方面潜在的风险更为广泛 如转基因作物可能会对非目标物种产生不利影响 与非转基因作物之间或者转基因作物与野生植物物种之间可能交叉授粉 结果不可预知 此外 转基因作物可能还存在大量人们目前未知的风险 2 主要靠私人资本的资助妨碍了转基因技术向发展中国家的扩散报告认为 农业研发的财政支持类型对新技术如何产生和传播影响重大 第一次绿色革命资金的国际来源是政府或非政府等公共组织 动机是公共利益而非商业目的 使得农业技术可以以发展中国家及其农民负担得起的低成本从发达国家向发展中国家转移并在发展中国家内部扩散 生物技术研发却几乎全部出现在发达国家的私营企业中 转基因作物多是私营企业的产品 由此发展中国家利用农业生物技术有两大财政障碍 在生物技术企业这一方 因利益驱使 主要为发达国家的农民服务 缺乏生产适用于发展中国家的转基因作物的激励措施 知识产权问题知识产权除了有利于第一个开发出此技术的公司之外 对其它公共和私营机构的研发都不利 由于这些障碍 许多发展中国家的农民要么无法获得有用的转基因作物 要么由于转基因作物的种子太昂贵而买不起 3 转基因作物运动目前仅局限在少数几个国家绿色革命在拉丁美洲 中国和东南亚 印度和南亚 英国等四个截然不同的广大地区 除了非洲 获得了成功 除英国以外 成功 被定义为产量增加 这种增加能够减少潜在的营养不良 而不涉及环境和社会经济平等方面的担心或其它问题 然而 迄今为止 转基因作物运动只在少数几个地方小有名气 美国 加拿大 阿根廷和中国 这四个国家种植的转基因农作物的面积加起来占了世界转基因作物总面积的99 而且转基因作物运动似乎还不太可能在短时期内扩散到大多数发展中国家 4 转基因作物运动面临的政策与政治环境相当恶劣第一次绿色革命是在一个特殊的背景环境中实现的 其特征是将饥荒 人口过剩和共产党政府在各国的崛起看作是对西方的战略威胁 美国之所以在联邦和慈善的层次上做出大力促进农作物培育的承诺 目的是将其作为冷战努力的一部分来遏制共产主义的蔓延 转基因运动所要面对的政策和政治环境则要恶劣得多 首先 不少国家的政府认为有必要管制转基因作物以防止或减轻潜在的健康和环境威胁 欧盟是持这种谨慎立场的代表者 其次 当前不存在一个让转基因作物在发展中国家成功的强烈的政治动机 共产主义不再是威胁 饥荒似乎更是当地气候 政治和战争等因素的结果再次 更广泛的公众审查 非政府组织的关注 舆论的监督和科学的新进展已经引起了对转基因作物对环境和健康威胁的新的关注 这些对各国政府都施加了强大的压力 2 第一次绿色革命的重大缺陷给转基因革命带来机遇随着发展中世界的人口数量持续上升 人均耕地不断减少 第一次绿色革命的效用正在达到一个自然的极限 虽然第一次绿色革命在很大程度上延缓了饥荒在广大发展中世界的蔓延 但发展中世界仍有相当多的人处于营养不良状况 由于第一次绿色革命的目标不是弥补社会经济差距 而是提高粮食产量 因此绿色革命在很多地方加剧了贫富分化和性别不平等等社会问题 绿色革命在许多情况下造成了环境破坏 3 转基因运动欲成为新的农业革命必须解决的问题农业生物技术必须让发展中国家的农民购买得起 公共部门需要对转基因技术研究进行更大的投资 无论是捐赠国还是接受国都要对转基因革命采取坚定的支持政策 使公共利益和资助达到能够维持农业革命的水平 发展中国家的决策者们必须制定法规标准 这些标准既要考虑用转基因作物制成的食物的风险 也要考虑其利益 各利益相关者都表现出推动转基因作物运动的意愿 转基因作物的利益分配问题例1 美国在1992 1995年期间 棉铃虫杀虫剂喷洒次数平均为4 6次 1999 2001年种植Bt转基因棉花后 降到0 8次 按有效成分计算 2002年杀虫剂使用量大约减少了100万公斤 由于Bt棉减少了用药成本 提高了产量 棉农的年净收入增加1 05亿美元 出售种子的生物技术公司获利8000万美元 由于棉花增产 销售价格下降 消费者节省4500万美元 因此导致的其它国家棉农损失1500万美元 例2 2001年阿根廷和美国种植转基因大豆分别获利3亿美元和1 45亿美元生物技术公司从种子获利4 21亿美元由于大豆价格降低 消费者获益6 52亿美元未使用转基因品种的大豆种植农民 因价格下降2 亏损2 91亿美元其它 转基因香草的开发将影响非洲马达加斯加一带10万香草种植户的生计 目前70 的咖啡豆都是人工采摘的 使咖啡豆同步成熟的转基因咖啡树直接影响非洲以采摘为生的大批劳力 1994 2000 美国Arizona 针对靶标害虫棉铃虫的杀虫剂施用每年3次 0 1次1997 2000 Alabama 几乎增加1倍1996年 美国南部20000英亩Bt棉失去对棉铃虫的控制 有人认为害虫可能产生Bt抗性 但孟山都公司认为 这是由于当年气温较高 导致棉铃虫大发生 并建议棉农喷洒杀虫剂以减少损失 一般说来控制靶标害虫的杀虫剂由于转基因的引入 其用量会大量减少 但非靶标害虫的杀虫剂不会减少 甚至增加 1992 2000年美国棉田杀虫剂施用总量 磅 公顷 三 全球转基因植物研究发展现状 1983年 转基因烟草问世1986年 抗虫和抗除草剂的转基因棉花进入田间试验 全世界批准进入田间试验的转基因植物共有5项 1992年 全世界批准进入田间试验的转基因植物共有675项1987 1999年 美国共批准了4779项基因工程农作物进入大田试验 其中1998年批准1077项1994年 第一个转基因植物产品 延熟保鲜的转基因番茄 FlavrSavr 得到美国农业部和FDA的批准上市1995年 全球转基因农作物种植面积120万公顷 市场销售额0 75亿美元1996年 284万公顷1997年 1255万公顷1998年 2780万公顷 转基因大豆1450万公顷 销售额约12 15亿美元1999年 3990万公顷 2000年 约4400万公顷 销售额约30亿美元 世界农药市场从90亿美元萎缩至60亿美元2001年 约5300万公顷2002年 约5900万公顷2003年 约6800万公顷2004年 约8100万公顷2005年 约9000万公顷2006年 约10200万公顷2007年 约11400万公顷2008年 约12500万公顷2009年 约13400万公顷 2010年 14800万公顷 产值约105亿美元2011年 16000万公顷2012年 17030万公顷 1996 2012全球转基因作物种植面积的发展状况 2012年全球主要转基因作物的应用比例 百万公顷 自1996年以来 发达国家把转基因作为抢占未来科技制高点和增强农业国际竞争力的战略重点 发展中国家也积极跟进 并呈现以下态势 品种培育速度加快目前全球转基因生物新品种已从抗虫和抗除草剂等第一代产品 向改善营养品质和提高产量的第二代产品 以及工业 医药和生物反应器等第三代产品转变 多基因聚合的复合性状正成为转基因技术研究与应用的重点 产业化应用规模迅速扩大截至2009年底 种植面积由1996年的2550万亩发展到20亿亩 增长79倍 生态和经济效益十分显著从1996年至2011年 增加价值982亿美元的农作物产量 节省4 73亿公斤的杀虫剂 2011年 1年减少231亿公斤CO2排放 相当于从公路上移走大约1020万辆汽车 节省1 087亿公顷土地 保护了生物多样性 改善了超过1500万小型农户即超过5000万人口的生计 转基因研究的目标服务对象面向农民 目标是让工作更轻松 产量更高 利益更大 1996年孟山都推出第一个畅销品种 抗农达 大豆品种 可耐受草甘膦 农民只需1种除草剂就能除掉大多数杂草 同时还不损伤庄稼 发展中国家的研究大部分是关注营养增强的问题 最著名的例子就是黄金大米 其独特黄色来自添加的 胡萝卜素 即维生素A的前体 借以弥补很多东亚国家饮食中所缺乏的维生素A 目前已在菲律宾开展田间实验 针对食品加工商 如传统的李子很难加工 给李子去核时 往往会留下坚硬而尖利的碎片 美国农业研究局阿巴拉契亚水果研究工作站的分子植物生物学家克里斯 达迪克开展了一项研究 利用一种基本无核的常规育种李子 通过基因工程手段改造成完全无核的水果 面向最终消费者而设计的转基因食品 先锋之一是 北极苹果 特点是切开或啃咬后不会很快变成褐色 插入的基因来自某些多酚氧化酶 造成变色的生化反应中关键的一种酶 水平较低的苹果品种 2012年全球生物技术 转基因作物商业化发展态势2012年 转基因作物在全球范围内的种植面积达1 703亿公顷 年增长率为6 相比2011年的1 6亿公顷 增长了1030万公顷 2012年 苏丹首次种植转基因棉花 古巴首次种植转基因玉米 因为马铃薯 Amflora 停止销售 德国和瑞典未能继续种植该种马铃薯 因为规定限制 波兰终止种植转基因玉米 2012年28个种植转基因作物的国家中 20个为发展中国家 8个为发达国家 2011年种植转基因作物的国家中 19个为发展中国家 10个为发达国家 1730万农民在2012年种植了转基因作物 比2011年增加了60万 值得注意的是 超过90 即1500万农民 均为发展中国家的小型 资源匮乏型农户 美国仍然为全球转基因作物第一生产国 种植面积达6950万公顷 全部转基因作物的平均采用率约为90 在中国 720万小型 资源匮乏型农户种植了400万公顷的转基因棉花 人均种植0 5公顷 采用率达到80 2012年全球仅转基因作物种子价值约为150亿美元 已批准上市的转基因作物种类 四 转基因植物的种类1 抗除草剂转基因植物最先进入田间生产的转基因植物 也是目前栽培面积最大的一类转基因农作物 如抗草甘膦的大豆 油菜 甜菜 玉米 抗溴苯腈的烟草 棉花等2 抗虫转基因植物Bt杀虫蛋白基因转Bt基因的抗虫棉花 玉米和马铃薯已进入商品化生产动物产生的昆虫毒素基因蝎昆虫毒素 蜘蛛毒素植物来源的各种抗虫基因豇豆蛋白酶抑制剂 CpTI 马铃薯蛋白酶抑制剂 PinII 的抗虫效果较好 豌豆外源凝集素 P lec 雪花莲凝集素 GNA 半夏外源凝集素 PTA 等能特异识别并可逆结合糖类复合物 由中国农科院生物工程中心开发的Bt棉对棉铃虫有显著的抗性 与对照相比减少农药用量80 并减少用工150个 hm2 以上两者可使每公顷节省1500元 Bt转基因棉种深受棉农的欢迎 由中国农科院生物工程中心开发的Bt棉对棉铃虫有显著的抗性与对照相比减少农药用量80 并减少用工150个 hm2 以上两者可使每公顷节省1500元 当被昆虫吞食到消化道时 与昆虫肠道周围细胞壁膜糖蛋白结合 影响营养物质的吸收 同时在消化道内诱发病灶 使昆虫得病甚至死亡 3 抗病转基因植物抗病毒转基因植物衣壳蛋白基因 病毒复制酶基因 病毒核内蛋白酶基因 病毒卫星RNA 来自植物的抗病毒基因抗真菌转基因植物植物或细菌的几丁质酶基因和 1 3 葡聚糖酶基因 对抗植物真菌病原 核糖体灭活蛋白基因 RIP 来自植物 对控制病原真菌有效 植物抗毒素 PA 基因 病程相关蛋白 PRP 基因 钝化病原物致病酶的蛋白质基因 抗菌肽基因等防卫基因抗细菌转基因植物杀菌肽基因 溶菌酶基因 来自病原菌自身的抗菌基因 植物抗细菌基因 4 抗环境胁迫的转基因植物温度胁迫 低温 高温 水分胁迫 干旱 涝害 化学物胁迫 盐碱 重金属 有机污染物 5 植物发育调节基因工程控制果实成熟的转基因植物通过控制乙烯合成的关键酶 ACC合成酶 来延长瓜果的保险期 已鉴定2个番茄ACC基因 LE ACC2和LE ACC4 用LE ACC2反向插入载体后转化番茄 其果实的乙烯合成量降低99 5 此外 控制乙烯形成酶 EFE 与植物细胞壁成分降解有关的酶 也能达到延长保险期的效果 雄性不育基因工程通过花粉或花药特异表达启动子使细胞毒素基因在花粉或花药中表达 促使绒毡层细胞消融或花粉自融 达到雄性不育 或者利用反义RNA抑制花粉发育所必须的基因表达来达到雄性不育 改良品质的转基因工程淀粉 油分 蛋白质 色素有些植物的光合效率高 有些效率低 原因是前者具有对二氧化碳亲和性较高的酶系 其中重要的是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 PEPC 具有PEPC酶的植物学术上称为 C4植物 属于C4类型的作物很少 有玉米 高粱 甘蔗等 另一类植物不具备PEPC酶系 其固定二氧化碳依赖1 5 二磷酸核酮糖羧化酶 加氧酶 光合作用效率较低 称为 C3植物 多数主要的作物都属于C3类型的植物 如水稻 小麦 大豆 马铃薯和棉花等迄今仍未能将C4品质转移到C3作物 对Rubisco的改造也未能奏效 6 医药领域的转基因植物食用疫苗 生产药用蛋白 白玫瑰染制的 蓝色妖姬 忽悠了人们很多年玫瑰花不含生成蓝色翠雀素所需的控制黄酮类化合物3 5 氢氧化酶基因 所以 蓝玫瑰一度被认为不可能存在 英语bluerose有 不可能 之意 日本三得利公司耗资30亿日元 他们从1990年就开始开发蓝玫瑰 从蓝三叶草中提取蓝色素基因 将蓝花基因植入玫瑰花 培植出蓝玫瑰 2008年10月31日 东京国际花卉博览会上 真正的蓝玫瑰终展芳容 背景资料1 蓝玫瑰 背景资料2 BT基因即苏云金芽胞杆菌 Bt 基因 人类利用Bt菌杀灭害虫有100多年历史 也有抗药性大量出现 Bt与其它芽胞杆菌相比 不仅能形成芽胞 还产生杀虫蛋白组成的晶体 Bt毒素主要分为内毒素和外毒素 外毒素指细菌在生命活动过程中排出体外的代谢物 包括 外毒素 外毒素 外毒素 不稳定外毒素和水溶性外毒素等 内毒素又称 内毒素 晶体毒素或杀虫晶体蛋白 伴胞晶体由一种或几种杀虫晶体蛋白组成 在Bt对昆虫的致死过程中起主要作用 杀虫晶体蛋白对鳞翅目 双翅目 鞘翅目 膜翅目 同翅目 直翅目 食毛目等多种昆虫以及线虫 蜡类和原生动物具有特异性的杀灭活性 作用机理 Bt伴胞晶体被敏感昆虫摄食后 在中肠蛋白酶的作用下溶解并激活 释放出毒素核心肽段 而后毒素作用于中肠上皮细胞 引起细胞膨胀和裂解 由此引起昆虫肠道麻痹和肠道穿孔 消化道细胞的离子和渗透压平衡遭到破坏 最终导致昆虫死亡 这在昆虫致死作用中占主导地位 另外 芽胞可以经虫口进入消化道 在毒素破坏中肠后 菌体可以进入体腔进行大量繁殖 引起幼虫败血症 为什么害虫吃了Bt作物会死亡 而人吃了却没事 一般来说 食物要经过加热煮熟后再吃 实验表明 Bt蛋白在60 水中煮1分钟就失去活性Bt蛋白前体只有在昆虫肠道的碱性环境下才能加工成有毒的蛋白 而人畜的胃环境是酸性的 而且Bt蛋白不能跟人畜肠道细胞结合不管生吃还是煮熟后再吃 吃下去的Bt蛋白最终都会象其它蛋白一样被消化和分解掉 通过转基因技术希望改变的植物性状 五 我国的转基因植物研究进展1996年 我国正在研究和开发的转基因植物约47种 涉及基因103种 1997 1999年 26项转基因产品或我国安全性审批 其中抗虫类型16项 抗病毒型9项 改良品质型1项 2009年 370万公顷 2010年 350万公顷 我国是世界农产品进口大国 排名前3的进口转基因作物 大豆 玉米 油菜 进口大豆主要用于生产豆油 豆腐 豆奶等 国内用转基因大豆生产的大豆色拉油比例高达80 以上 1 我国转基因水稻的发展情况4个研究领域 耐除草剂 抗病虫害 抗逆性 品质改良抗虫性 转Bt基因抗螟虫水稻 转雪花莲凝集素基因 GNA 抗褐飞虱水稻 抗病性 转抗菌肽B基因抗百叶枯病水稻 转Xa21基因抗百叶枯病水稻 抗条纹病毒基因水稻 转ADP葡萄糖焦磷酸酶基因抗稻瘟病基因 除草剂抗性 转bar基因抗除草剂水稻 抗生素抗性 作为筛选标记 转潮霉素抗性基因水稻 抗逆性 转脯氨酸合成酶基因耐盐碱水稻 品质改良 抗衰老转基因水稻 富含蛋白质转基因水稻 中国的水稻转基因技术走在世界的前列有三种抗主要病虫害通过了环境试验 抗螟虫 抗稻飞虱 抗稻白叶枯病耐除草剂和抗盐的转基因水稻品种也已被培育出来 主要研究机构 中国水稻研究所 1981年6月经国务院批准在杭州建立 1989年10月落成 是建国以来我国一次性投资最大的农业科研机构 现隶属中国农业科学院和浙江省人民政府双重领导 中国农科院生物技术研究所福建省农科院 安徽省农科院中国科学院遗传与发育研究所中国科学院微生物研究所浙江大学河北大学 复旦大学等相关研究小组 已获批准的转基因水稻 转基因玉米的有关情况转基因水稻 华恢1号 是高抗鳞翅目害虫转基因水稻品系 外源基因是人工合成的Bt杀虫蛋白融合基因cry1Ab cry1Ac 研发单位 华中农业大学和国际水稻研究所 研发工作于1995年开始 1999年成果通过了农业部的成果鉴定 同年开始中间实验 2002年完成环境释放 2003年到2004年进行生产性试验 转基因水稻对稻纵卷叶螟 二化螟 三化螟和大螟等鳞翅目害虫的抗虫效果稳定在80 以上 具有节省投入成本 减少劳动强度和中毒风险 大幅减少农药用量 减少环境污染 维持稻田生物种群动态平衡等优势 转植酸酶基因玉米 BVLA430101 由中国农科院生物技术研究所培育的自交系 外源基因是自行克隆的植酸酶基因 受体品种是 Hi 玉米自交系 植酸酶可以减轻植酸的抗营养作用 将植物中大量存在的植酸分解为肌醇和可被动物利用的磷 从而提高动物对磷的利用效率 减少高磷粪便排放 有利于环境保护 1999年和2004年 农业部先后受理了转基因水稻和玉米的安全评价申请 分别经过11年和6年的严格评价 2009年8月17日依法批准发放了转植酸酶基因玉米 转基因抗虫水稻的生产应用安全证书 转抗虫基因水稻 经相关省政府部门审核 安委会评价和农业部批准 1999 2000年开展了中间试验2001 2002年开展了环境释放2003 2004年开展了生产性试验2004年申请转基因水稻生产应用安全证书农业部转基因生物安全检测机构于2004 2008年 对转基因水稻的分子特征 环境安全和食用安全的部分指标进行了检测验证 多年的安全评价试验和检测验证结果表明 转基因水稻 玉米分子特征清晰 未发现环境安全不良影响 关键营养成分没有差异 毒性试验对试验动物未发现不良影响 与已知过敏原无同源性 结论 安委会综合评价认为 转基因水稻和玉米与非转基因对照水稻和玉米具有同样的安全性 2 我国的转基因小麦研究情况1983年开始对小麦转基因体系的研究 1990年获得成功 在世界上首先获得转基因小麦植株 2000年 余增亮研究组通过低能离子束注射 分别将带有GFP和GUS基因的表达载体质粒送入冬小麦和春小麦的成熟胚 获得转基因植株赵亚化 2001 和朱新产 2002 通过对小麦穗茎的活体微注射 分别将大豆和豌豆的总DNA导入春小麦 获得蛋白含量和组分发生明显变化的植株及其后2代据统计 我国从事小麦转基因及其环境安全性研究的研究人员有300名以上 以冬小麦为主 中国小麦转基因及其环境安全性研究机构 中国农业大学 中国农科院 中科院遗传与发育研究所 山东大学 山东农业大学 西北农林科技大学 甘肃省农科院 河北农林科学研究院 河南农科院和华中农业大学等 3 我国的转基因大豆研究情况中国的转基因大豆始于20世纪80年代 现有10余家研究机构和大学 涉及性状包括抗虫 抗病 抗除草剂 抗逆 生长发育等 现已获得抗虫 抗除草剂 高含油率的稳定品系 由于研究基础 经费和政策的限制 尚处于实验室阶段 未在生产上应用 研究水平比较低 利用的基因资源相当有限 转化手段还存在一些问题 4 我国的转基因油菜研究情况在浙江 湖北 湖南 北京 山东 江苏 上海 云南和四川等地已有几十件成功报道 其中浙江省农科院的转反义PEP基因 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 高含油量油菜品种已经开始申请安全评估并准备进行商业化生产 转移的基因涉及抗除草剂 抗病 抗虫 抗逆 品质改良和育性改变等 我国是油菜生产大国 年油菜栽培面积780万hm2 菜籽总产量达1200万吨 转基因油菜的环境安全性问题引起人们的关注 5 中国树木转基因研究进展据不完全统计 全球已对近百个树种进行遗传转化研究 其中 杨树 番木瓜 松树 柳 核桃 苹果 樱桃 香樟 悬铃木 桉树 云杉等已进入田间试验或已商品化中国是开展树木转基因研究较早的国家之一早在1987年陈瑞春就对杨树的遗传转化做了探索与尝试1989年田颖川将苏云金杆菌 Bt 杀虫蛋白基因转入欧洲黑杨1993年获得高表达抗虫的转Bt阳性植株1994年进入田间试验2002年商品化 成为世界上第一批商品化生产的转基因树木 迄今为止 中国已成功地对近50种树种进行了遗传转化研究 杨树 核桃 苹果 枫香 白桦 枸杞 泡桐 枣树 佛手 悬铃木等转基因树可能是迄今最具生态风险的转基因生物之一 表现在 对周围环境野生树种可能造成基因污染 有些可能成为新的入侵外来种 破坏已十分脆弱的森林生态系统 1988年 第一种转基因树 抗除草剂杨树 在比利时进行田间实验 到2008年 有100多种转基因树研究成功到2008年 只有中国的Bt抗虫转基因杨树有140万株种植规模 美国只有一种基因工程树 抗病毒番木瓜 被限在夏威夷群岛进行商业化种植FAO强调 树木花粉与种子的扩散是无国界的 因此对环境影响评估的有关方法达成国际一致前 不宜匆忙种植 树木遗传转化的目的基因应用较多的抗虫基因苏云金杆菌杀虫晶体蛋白 Bt 基因昆虫蛋白酶抑制剂基因 其中应用最广泛的豇豆胰蛋白酶抑制剂基因 cpti 系统肽基因昆虫特异性神经蝎毒素基因 AaIT 植物凝集素基因 lectin 树木上克隆的抗病基因抗病毒基因 病毒外壳蛋白基因抗菌基因 几丁质酶基因 抗菌肽基因和防御素基因抗逆境基因工程抗寒 抗冻基因 AFP 抗旱 耐盐碱基因 1 磷酸甘露醇脱氢酶基因 mtlD 胆碱脱氢酶基因 betA 转胆碱氧化酶基因 codA 甜菜碱脱氢酶基因 BADH 材性改良基因工程从多种植物中克隆出与木质素生物合成相关的基因 为通过基因工程方法降低木质素含量 改变木质素组成创造了条件 应用较多的有4CL COMT CCoAOMT CAD等基因 与树木育性 贮藏能力 品质改良相关等方面的基因工程从拟南芥中分离得到的LFY和AP1基因可以促进植物从营养生长向生殖生长转化 缩短植物的幼年期 促使植物提早开花 六 转基因植物及其产品的安全性评价1 安全评价的意义转基因植物中导入的外源基因通常来源于非近缘物种 甚至是人工合成的基因 由于受到基因相互作用 基因多效性等因素的影响 很难精确预测外源基因在新的遗传背景中可能产生的表型效应和副作用 也不了解其对健康和环境会产生的影响大量转基因农作物进入商业化阶段 其大面积释放可能使得原先小范围内不太可能发生的潜在危险得以表现 如通过基因流破坏生态平衡已有的生物安全管理法规还不完善 有必要通过客观的 全面的对转基因植物进行安全评估 为相关法规的制定和执行提供充分的依据消除疑虑普通百姓对生物技术缺乏了解 对生物技术产品持保留态度 存在各种各样的疑问 因此要通过安全性评估研究 证明转基因植物的研究与产业化是建立在科学的基础上 在严格的管理 监督下安全地进行 2 安全评估的内容导入的外源基因及其产物对受体植物是否有不利影响 释放或使用有关转基因作物带来的生态学上的安全性 包括 转基因作物本身变为杂草 转入的基因可能转移至近缘物种 从而使其变为杂草 转入基因在水平方向上转移至其它物种而带来生态学上的问题 基因以其它不明方式使作物和其它野生近缘物种之间的生态关系紊乱 毒理学方面的安全性问题集中体现在食品 饲料和其它消费领域的安全性 包括 转入的基因可能使植物变得不易加工或消化 可能影响作物的毒理学性质 可能以不明方式产生某种有害物质 1 外源基因对受体植物的影响大多数转基因植物在实验中都使用了2种遗传成分 标记基因和目的基因标记基因分为2类 选择基因和报告基因选择基因可分为3类 抗生素抗性 除草剂抗性 植物代谢大多数标记基因会表达相应的酶或其它蛋白 有可能对转基因植株产生有害影响外源基因插入的影响一般情况下 受体植物基因组中 外源基因的插入位置是随机的 拷贝数也不确定 因此插入的基因可能会失活或沉默 受体植物的某些基因也可能失活外源基因对植物的影响多数转基因植株与病虫害 杂草 逆境的抗性有关 因而对环境的适应性大为提高 但是 如果选择压力不存在了 转基因植株并无优越性 反而因为要合成新的蛋白质而消耗更多的能量 最终导致基因消失 2 转基因植物在生态方面的潜在风险转基因植物本身带来的风险 转基因植物通过基因流给其它物种带来的风险可能成为杂草 在引入地持续存在 入侵好改变其它植物栖息地通过基因流对近缘物种的潜在威胁 与近缘植物物种杂交产生杂种 可能对近缘物种 野生种 杂草产生影响抗虫转基因作物带来的潜在风险 可能使害虫对Bt产生抗性 有些益虫以害虫为食 害虫的减少会威胁到益虫的生存与繁衍 Bt杀虫蛋白是否影响人类健康应予以重视抗病毒转基因作物带来的潜在风险 产生新病毒的可能性 病毒寄主范围可能扩大 病毒的协同作用可能使病毒病变更加严重其它方面的潜在风险 积累和级联效应 如能侵入非农作物栖息地的转基因作物 由于可能比其它植物具有更强的竞争优势 因此可能取代原来栖息地上的物种 导致区域植物组成的改变 生物多样性的降低 甚至使原来物种灭绝 杂草 是指非人为种植 对人类而言其不利性多于有利性的一类植物 这是以人类自身利益为中心确定的 因此 一种植物在某地是对人类有益的农作物 而在另一地方却成为对人类有害的杂草 杂草常有的几种特性 基因漂流指基因通过花粉授精杂交等途径在种群之间扩散的过程 生物安全中的基因漂流主要特指外源基因在GMOs和与其有亲缘关系的生物间的交流 有3种实现方式 在自然状态下携带转基因的花粉通过风媒或虫媒传播 转基因生物收获后 其种子可能散落在环境中形成自播植物 开发后与其野生近缘种杂交 携带选择性优势性状的自播植物也有可能成为杂草 可能存在的第三条途径是非同种生物间 如植物与微生物 细菌 真菌 病毒等 间在自然界中发生基因转移 但这条途径至今还未得到证实发生基因漂流所造成的风险主要包括2类 转基因转移到其它植物体内而造成的环境危害 转基因植物自身及其后代对环境造成危害 第一类风险主要包括 导致产生超级杂草大量转基因作物在环境中释放 释放的转基因通过花粉转移到转基因作物野生种或近缘种中 使这些物种 一般为杂草 含有了这些抗病等基因而成为超级杂草 有些转基因植物自身也可能变成杂草 如甘蔗 水稻 马铃薯 油菜 向日葵 燕麦等作物对自然基因库的影响转基因进入野生植物的基因库 进而扩散开来 并随着转基因植物不断释放 大量转基因进入基因库 从而影响基因库的遗传结构 给今后育种者和生物多样性造成危害第二类风险主要包括 转基因植物对作物生态系统 乃至自然生态系统的直接影响 对生物多样性的影响 有些转基因植物基因是以前植物体中不存在的 是从其它生物体中转化而来 有些转基因植物则可能是新类型植物 这些植物或转基因在环境中释放 可能造成生物多样性的毁灭性损失 几种主要作物基因流风险等级 转基因生物可能产生的环境影响对非目标生物的不利影响黑脉金斑蝶事件增加目标害虫的抗性和进化速度转基因抗虫棉对第1 2代棉铃虫有较好的毒杀作用 但第3 4代棉铃虫已产生抗性 转基因植物转化为杂草 或导致转基因植物的野生近缘种变为杂草1995年加拿大商业化种植转基因油菜 1998年发现了具有耐多种除草剂特性的野草化油菜植株 产生新病毒不同种的病毒可在植物体内重组 含有病毒基因的转基因作物大量释放时会出现什么问题 实难预料 基因漂移墨西哥玉米基因污染事件破坏生物多样性 背景资料3 墨西哥玉米基因污染事件2001年9月Nature报道了墨西哥环境部公布的研究结果 说明在墨西哥有两个州的22个地区中有15个地区已经发现有转基因玉米 同年11月 美国加利福利亚大学伯克利分校的Quist和Chapela也在Nature刊物上发表了题为 转基因DNA渐渗到墨西哥Oaxaca传统玉米地方品种中 的文章 从分子基础上证实了墨西哥玉米的地方品种中已经受到基因污染 文章引发巨大争议 反对者认为实验数据不足 Nature编辑部也对发表该实验报告作了反悔 2002年1月墨西哥国家环保部门公布了由环境与资源部 国家生态研究所和国家生物多样性委员会联合撰写的研究报告 再一次确认了墨西哥玉米的品种已经遭到转基因玉米的基因污染 在Oaxaca州和Puabla州的某些社区基因污染率甚至高达到35 2003年10月9日 在墨西哥城召开了记者招待会 多家机构通报了各自的研究结果 共9个州的当地玉米品种都发生了基因污染 有相当部分的植株还发现有2种 3种甚至4种不同的转基因 说明基因污染已经发生多年 被污染玉米已交叉授粉好几代了 所发现的4种转基因都是美国公司的产物Monsanto Novartis 现归Syngenta Mycogen Aventis 现归Bayer 3 转基因植物在毒理学方面的潜在风险研究最多的是选择基因和报告基因在食品安全方面的影响转基因导入作物会出现2大类分子 转入基因的DNA分子本身及其代谢产物 转基因的产物及其代谢产物转基因DNA分子本身的影响没有转基因的DNA分子与食物中所含的DNA分子没有区别虽然肠道中存在大量微生物 但是微生物获得DNA并与自身DNA发生重组需要一定的条件 如pH 离子条件等 而这些条件在肠道中并不存在转基因编码的产物酶或其它蛋白质的影响可能有毒就标记基因和报告基因而言 人类消化道是不利于其编码酶发生活性的 而且也不存在这些酶的专一性底物或类似物就标记基因而言 目前尚无其编码产物有毒性的直接证据 与毒性蛋白氨基酸序列比较也未发现有明显同源性 也没有证据表明其降解产物多肽比其他蛋白质降解的多肽有更大的毒性 七 转基因植物的安全性监测对转基因植物安全性的评估包括2个方面 生态学方面的评估 包括对自然生态环境 农业生态环境2类评估 对转基因植物及其产品的毒理学评估1 生态学风险评价方法生态危险主要体现在两方面 1 转基因植物杂草化的潜在危险 2 外源基因通过基因流向近缘物种逃逸种群替代实验是一种检验上述潜在危险的方法 种群替代 指经过世代交替 当年种群次年可能被它自己产生的后代或被另一类更具活力的后代所取代 种群替代实验是检测不同世代间基因型增加或减少的一种有效方法 可以检测出某一特定基因型能否持续存在 检测信息包括两类 某一种群自身被替代的频率 以及种群种子库 在土壤中存留的所有种子 的持久性 第一步转基因作物的亲本作物是否具有杂草特性 亲本作物是否是杂草或在某一国家某一地区有其近缘杂草物种 是否 较高风险性较低风险或无风险 进入第二步进入第二步 标准的实验评估 简化的实验评估 转基因植物转变为杂草的潜在风险的评估 第二步转基因植物生态上的行为表现分析 转基因作物与亲本作物对照相比是否具有更高的生态上的行为表现 种群替代实验 具有不具有 较高风险较低风险 对其商业化生产作分析结束重新考虑或进入第三步 第三步转基因植物的杂草化趋势是否增加 杂草实验 较高风险较低风险 是否 对其商业化生产作分析结束重新考虑或进入第三步 2 毒理学风险评析实质等同性原则1993年由联合国经济发展和合作组织提出的对新食物进行安全性评估的原则 根据该原则 若一种生物工程食物或食物成分与其相应的传统食物或食物成分基本相同 则可以认为具有相同的安全性 这一种基于比较的指导原则已被许多国家采纳作为评估转基因食物安全性的基础方法 将GMO及其产品与传统植物及其产品进行比较 根据结果将GMO分为3类 与传统食品及食品成分有实质等同性 除某一特定性状外 具有实质等同性 与传统食品及食品成分无实质等同性 第1类无需作下一步分析 第2类分析应集中在有差异的性状上尚未出现转基因产生的新食品与传统食品无实质等同性的例子 3 转基因植物非预期效应联合国粮农组织和世界卫生组织的定义 指由外源基因整合于基因组导致的非目标性的性状改变 包括 与设计目标无关的各种表型性状和遗传性状 如农艺性状代谢产物 如营养成分 抗营养因子 毒性成分和致敏成分 内源基因转录产物及表达产物等 其中部分基于目前对植物生物学 代谢途径等的认识水平可以预见 属于可预见性非预期效应 而大部分是超出人类目前认识水平的非预见性非预期效应 导致非预期效应的机制 外源基因插入内源基因的阅读框 破坏基因序列使其不能有效表达 外源基因插入内源基因调控元件的功能区 使调控基因失去功能 导致受其调控的内源基因不能有效表达 外源基因插入基因组某敏感域内 激活沉默的内源基因并高效表达 外源基因的转录或表达产物成为诱导或抑制内源基因表达的活性因子 直接或间接地使这些内源基因的表达发生质或量的改变 FAO WHO OECD 联合国食品法典委员会 欧盟普遍认为 非预期效应 尤其是潜在的非预见性非预期效应可能是影响包括转基因植物在内的所有现代生物技术产品食用安全的最重要的因素 在安全性评价原则及技术方案中 非预期效应的检验和评价都被列为重要内容我国颁发的 农业转基因生物安全评价管理办法 和 转基因植物及其产品食用安全性评价导则 也将非预期效应列为必须检验和评价的指标 转基因植物非预期效应筛查技术靶方法和非靶方法靶方法自1994年以来 非预期效应的评价基本上基于比较和分析转基因植物与受体营养成分和危害成分的含量是否存在实质上的差异 这种针对特定目标的检测方法称为靶方法 是目前转基因植物非预期效应评价的重要模式 检测对象及技术已相对成熟和稳定非靶方法近年来非预期效应评价更多地开始采用基因组转录谱 蛋白质谱或代谢物谱测量技术 如 应用蛋白质组学技术筛查转基因马铃薯与受体马铃薯的差异蛋白质应用代谢组学技术筛查转基因拟南芥与受体拟南芥的差异代谢产物通过转录谱分析技术筛查转基因小麦 拟南芥 大豆与其相应受体之间的差异表达基因等 转基因植物非预期效应评价原则实质等同性原则危险性评估原则基本原理是按照危害的识别 危害的特征描述 暴露量的评估和危险特征的描述等程序 对可能危害人类健康的因素在食品中的存在含量来源和危害程度进行评估 以确定该危害因素的危险性 个案处理原则各相关国际组织和国家普遍应用于确定农业转基因生物及其产品安全性评价的步骤和方法的基本原则 按照个案处理原则的基本原理 每一种农业转基因生物及其产品的安全性评价方案应根据其相关的原料 技术 用途等特点制订科学合理的步骤和方法 保证评价方案具有足够的特异性和敏感性 发现接受评价的个体可能存在的各种安全问题 特别是发现非期望效应并评价其对食用安全的影响方式和程度 八 抗除草剂转基因作物的安全性在种植的转基因作物中 抗除草剂作物占有的比例最大