转基因作物安全性..ppt

转基因作物发展现状和食品安全性 河南大学生命科学学院李锁平 一 转基因植物概念和技术发展 1 转基因植物的概念利用现代分子生物技术 将某些生物的基因转移到植物中去 改造植物的遗传物质 使其在性状 营养品质 消费品质等方面向人们所需要的目标转变 经培育或种植而获得转基因植物 转基因植物直接食用 或者作为加工原料生产的食品 统称为 转基因植物食品 2 转基因植物技术途径 1 农杆菌介导转化法 农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌 能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位 并诱导产生冠瘿瘤或发状根 根癌农杆菌和发根农杆菌的细胞中有一段TDNA 农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后 可将TDNA插入到植物基因组中 因此 农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系 人们将目的基因插入到经过改造的T DNA区 借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移和整合 然后通过细胞和组织培养技术 再生出转基因植株 农杆菌介导法已用于双子叶植物和一些单子叶植物 尤其是水稻 以根瘤农杆菌转化双子叶植物叶片为例A 将表面消毒的叶片切成小块B 小块在过夜培养并稀释到一定浓度的根癌农杆菌液中浸泡几分钟 以便让根癌农杆菌感染叶片切块的伤口 C 从菌液中捞出小块 培养基中培养2天 D 在含头孢霉素选择培养基中筛选转化细胞 继续培养 转化的细胞分化出芽 E 将芽转入含有抗生素的生根培养基上 诱导生根 F 将完整的转基因植株移栽到土壤中 2 基因枪介导转化法 利用火药爆炸或高压气体加速 这一加速设备被称为基因枪 将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹 直接送入完整的植物组织和细胞中 然后通过细胞和组织培养技术 再生出植株 选出其中转基因阳性植株即为转基因植株 与农杆菌转化相比 基因枪法转化的一个主要优点是不受受体植物范围的限制 其载体质粒的构建也相对简单 它是目前转基因研究中应用较为广泛的方法 3 花粉管通道法 在授粉后向子房注射含目的基因的DNA溶液 利用植物在开花 受精过程中形成的花粉管通道 将外源DNA导入受精卵细胞 并进一步地被整合到受体细胞的基因组中 随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体 该方法于20世纪80年代初期由我国学者周光宇提出 我国目前推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的 该法的最大优点是不依赖组织培养人工再生植株 技术简单 不需要装备精良的实验室 常规育种工作者易于掌握 转基因流程 3 转基因植物的分类 根据转基因作物的研究进展 可将转基因作物分为第一代转基因作物和第二代转基因作物 第一代转基因作物是指通过插入某一特定的基因而获得了某种特殊的农学性状的产品 如抗虫 抗除草剂 抗病毒 抗旱 抗盐碱等等 开发此类转基因作物主要以提高产量为目的 这被认为是缓解世界人口日益膨胀 粮食资源不断匮乏的有效手段 目前全球进行商品化生产的主要为此类转基因作物 1 第一代转基因植物主要有 1 抗除草剂转基因作物 2000年全球种植抗除草剂转基因作物的面积达到3 270万公顷 占总转基因植种植面积的72 其中主要为抗除草剂大豆 作用机理 抗除草剂转基因植物通过导入外源基因 在作物体内表达出特异的酶 以抵抗除草剂的破坏作用 使作物在吸入除草剂后仍能继续生长 作用 降低劳动强度 降低劳动成本 举例 RoundupReadysoybean RR大豆 耐美国孟山都公司Roundup除草剂 2 抗虫转基因作物 2000年全球种植抗虫转基因作物的面积达到830万公顷 占总转基因植物种植面积的19 其中以抗虫玉米为主 作用机理 产生杀虫蛋白毒素 防治虫害 举例 BT玉米 产生三种毒素 Cry1Ab Cry1Ac Cry9c 转基因抗虫棉和普通棉对照 转基因耐贮藏番茄 左 和普通番茄 右 2 第二代转基因作物是指通过品质改良而达到有益消费者健康的产品 如增加某种营养物质的含量 蛋白质 维生素等 减少某些抗营养素或致敏原的含量 表达某种抗原而作为疫苗使用或用于生产某种药物等 这在操作上可能会涉及多个基因 并引起某些代谢途径及产物的改变 目前此类转基因作物主要还在开发和试种阶段 不久的将来就会进入流通市场 二 转基因作物的应用 1996 2005年 种植转基因作物的国家由6个增加到21个 2004 2005年增加了四个国家即葡萄牙 法国 捷克共和国和伊朗 前5位的国家 美国 阿根廷 巴西 加拿大 中国 1996 2005年 生物技术作物全球累计种植面积为4 75亿公顷 10年间累计的全球市场价值约为293亿美元 转基因技术的发展 中国 2002年 种植面积突破210万公顷 成为继美国 加拿大 巴西 阿根廷之后的转基因作物种植大国 正在研究的转基因20生物有130多种 涉及的基因种类超过100种 预计中国将会发展成植物转基因技术领域的一支重要力量 目前中国已种植了大面积的转基因棉花 抗病毒青椒 抗病毒和延熟保鲜转基因西红柿已开始走向商品化 至少有13种作物在进行田间试验 包括红辣椒 卷心菜 玉米 棉花 花生 西瓜 木瓜 马铃薯 水稻 大豆 烟草 甜椒和西红柿 转基因技术的商业机遇和科学潜力会继续扩大 我国市场究竟有多少转基因食品 根据我国转基因生物管理的权威部门 国家农业转基因生物安全委员会提供的官方数据显示 目前我国正式批准投入商业种植的转基因作物只有两种 一是具有自主知识产权的抗虫棉 另一个是延迟成熟的番茄 其中抗虫棉的种植面积2003年已累计达到4000万亩 而番茄则还处于小范围种植阶段 仅10000亩 进口的转基因食品局限在大豆 玉米 油菜等领域 我国进口的大豆中 70 是转基因大豆 在我国市场上70 的含有大豆成分的食物中都有转基因成分 像大豆油 色拉油 磷脂 酱油 膨化食品等等 我国政府对转基因食品的上市态度慎重 我国规定转基因食品要贴上明确标识 2004年10月1日开始 我国对花生油和大豆油两项食用植物油强制性执行国家标准 标明原料中的大豆是否是转基因的是该标准的核心内容之一 确切说 转基因标识和产品的安全性并无联系 给转基因食品贴上标识 并不涉及到食品安全问题 而是对大众知情权的尊重 他们有知情权 他们也有选择权 谁也不能剥夺他们的这种权利 近年来 大量进口的大豆经过加工 被制成了食用油 豆腐和豆奶等产品 也就是说 我们吃的大部分豆制品都是转基因产品 生物技术与作物性状改良 DR delayedripening HT herbicidetolerance IR insectresistance OM oilmodification MS malesterility SL extendedshelflife VR viralresistance 三 转基因作物的安全性 自从转基因作物问世以来 转基因作物的安全性问题一直倍受关注 其焦点问题主要是转基因作物是否会危害人类和动物的健康及破坏生态环境 特别是到了20世纪90年代 大批转基因作物进行了田间试种 需要批准商品化生产 为了解决安全性问题和贸易公平问题 必须建立一个世界各国认可的有关转基因作物的安全性评价框架 NEWS 2006年3月14日上午10时 国际环保组织绿色和平在京宣布 在亨氏婴儿营养米粉中发现未经政府批准的转基因稻米成分 消费者纷纷要求退货 亨氏被迫召回涉嫌转基因米粉 1 转基因食品安全与否的争论 1 支持转基因生物与转基因食品的观点有 A 转基因食品不比正常食品危险 所含的抗虫 抗病基因对人体并没有杀伤力 其标记基因没有直接毒性 而且标记基因在小肠中被降解 即使存在含量也非常微小 且半衰期较短 不论基因的来源如何 构成基因的物质DNA 脱氧核糖核酸 进入人体后 都会被酶分解成小分子 不可能将外来遗传信息带到人的基因组里 从这个角度上说 转基因食品与传统食品并没有差别 转基因食品多年来通过几亿人次的食用 从未出现对人体健康不安全的证据 也从未出现因食用转基因食品引发的医疗纠纷 我国进口转基因大豆较多 一半的大豆色拉油含有转基因成分 亦没有出现任何问题 B 转基因技术可能使食物更加绿色 食用一部分转基因食品有几个 优势 首先是由于有抗虫基因在其中 微生物很少在这种生物中存活 所以可以减少食物中存留的毒性 比如 黄曲霉素等 另外 转基因作物还能减少农药用量 农药残留也少 像棉花 70 的农药是用在棉花上的 这其中的70 又用于杀棉铃虫 在这部分中又有70 是有机磷剧毒农药 每年都有很多农民因为施用这些农药不当而中毒身亡 现在的绿色食品其实并不完全是绿色的 因为种植时不用农药等不意味着在10年或20年前没有用过 农药完全有可能残留到现在 相反使用转基因技术后对人类可能更加安全 C 转基因技术的优点 支持转基因生物与转基因食品的人认为 转基因技术是人类的一道曙光 转基因技术的出现都是科学技术发展的必然 势不可挡 转基因技术带来的好处是显而易见的 通过此项技术可以改良品种 可以延长食品保存时间及增加营养成分 通过给作物加入防虫防菌基因 使作物本身产生抵抗病虫害侵袭的能力 因而可减少农药的使用量 有利于环境保护 2 不支持转基因生物与转基因食品的观点有 A 对生态环境是否构成潜在威胁联合国粮农组织指出 随着传统的栽培品种逐渐被少数转基因品种所取代 生物的多样性有可能会慢慢消失 另一方面 可能会引起 异型杂交 植物之间交叉授粉 导致出现抗病能力特强 蔓生速度更快的杂草 从而扰乱生态系统的平衡 对于人体 基因的某种转移也许会产生新的毒素和过敏原 引起意想不到的中毒或过敏反应 B 一些动物实验显示 某些转基因食品对动物有害 在泰国发现 转基因棉田周围的蜜蜂死亡较多 这可能与采蜜蜜源受到污染有关 转基因作物会使害虫优势种发生较大变化 抗除草剂作物的推广 可导致本地区杂草物种多样化的减少 破坏当地的生态平衡 有科学家发现转基因大豆中的抗癌成分减少了12 14 营养成分明显降低等 由于时间短 对人类有害与否还不清楚 只要不能否定其危险性 就应该加以限制 C 还有一种忧虑是经济方面的 一些专家指出 世界上六家大公司控制着这种技术 他们所做的并不是设法为第三世界创造出增加产量的作物 实际关注的是他们的商业利益 并利用转基因种子和作物的专利权把发展中国家的农民逼入困境 2 转基因作物的安全性评价方法有关国际组织如世界卫生组织 WHO 世界粮农组织 FAO 及世界经济合作发展组织 OECD 等多次召开专家咨询会议 研究制定有关条例 1990年 FAO WHO召开的联合会议上提出了 用相似的传统食品作物标准评价源于生物技术作物的食品 并考虑到食品的加工和用途 的观点 在此基础上 1993年 OECD提出了 实质等同性 的概念 该概念的原义为 现有粮食作物食品或食物来源的生物体可当作评价改良的或新的食品或食品成分的基本对照 实质等同性 分析实际上是引入了一个比较的原则 即将转基因食品与有长期安全食用史的食品对照物进行比较 分析它们的差别 在此基础上再决定是否进行进一步的评价分析 因此 它是转基因作物安全性评价的起点而不是终点 实质等同性 分析主要是将转基因作物及来源的食品与对照物在表型 农艺性状 组成成分等方面进行详细的比较 从而得出转基因作物与对照物是否具有实质等同性的结论 根据 实质等同性 分析的结果 可将转基因作物归纳为以下2类 1 转基因作物与对照物具有实质等同性 在这种情况下 转基因作物就被认为与对照物具有同等安全性 不需要进行进一步的安全性分析 但这种情况并不多见 用转基因作物加工的产品如精炼油 玉米淀粉 精制糖等可以归为此类 2 除了一些明确的差异外 转基因作物与对照物具有实质等同性 目前第一代转基因作物大都在此范畴内 对此类产品的进一步安全性分析主要应围绕这些差异 即转入基因表达的蛋白 进行 其他评价方法 毒性实验 致敏性研究 营养学评价等 随着新技术的发展 基因组学 蛋白质组学 代谢组学等新技术也将用于对非目标效应的监测 欧盟已在酝酿上市后监测的一些措施 2 转基因作物的环境安全性 人们所关注的转基因作物环境安全性也就是转基因作物释放到田间去是否会将基因转移到野生植物中去 是否会造成原有的生态平衡破坏 改变物种间的竞争关系和生物多样性 1 转基因作物本身可能演变为农田杂草 植物在获得某种特定基因 如抗病 抗虫 抗除草剂和抗逆等 可能会增强其生存竞争性 在生长势 越冬性 耐受性 种子产量等方面强于非转基因植物 若被推广种植 释放到自然环境中的机会特别大 因其具有野生植物没有的各种抗性 将会迅速地成为新的优势种群 进而演变成农田杂草 一种植物的杂草化是其本身的优势性状与其生存环境间复杂的互作过程 用于转基因的作物品种都是由野生种经过多年的驯化而来 在长期的品种选育过程中 许多对于杂草有利的性状都被不断剔除 因此 作物品种的综合竞争能力一般都比其野生亲缘种要弱得多 对转基因水稻 马铃薯 棉花 油菜 烟草 杨树 甜瓜 亚麻 芦笋等的田间试验结果表明 转基因植株与非转基因植株在生长势 种子活力及越冬能力等方面均没有明显差异 即使转基因作物在抗虫 抗病 抗除草剂等抗逆方面比其亲本具有较大的优势 当离开特定的选择压后 其竞争优势也会立即丧失 由此看来 转基因作物本身转变成杂草的风险性极小 转基因漂移是否会导致新型杂草产生基因漂移 GeneFlow 是自然界广泛存在的事实 转基因 Transgene 的漂移确实值得引起足够的重视 如果转基因作物中的抗除草剂 抗病虫及抗旱等抗逆基因通过基因流漂移到某些杂草中 那么很有可能会赋予这些杂草更强的生命力 甚至使其演变成恶性杂草 如果这些抗逆因漂移到转基因作物的某些野生近源种中 也可能使这些野生种转变为新的杂草 事实上 诸如甘蔗 马铃薯 水稻 油菜 燕麦等作物本来就有着很多与其近缘的杂草性物种 抗逆基因在这些物种中的扩散将产生较大的潜在生态风险 已有证据表明 转基因油菜中的抗除草剂基因可通过花粉扩散到某些野生植物中 研究表明 基因借助于花粉从作物流向野生近缘种的频率很高 标记基因在向日葵中出现的频率达28 38 与草莓栽培种相间50米的野生草莓中 50 的野生植株含有从栽培草莓来的标记基因 转基因作物是否会导致新型病原体产生对抗病毒转基因作物的安全性担忧主要有两方面 一是病毒的异源包装或称转移包装 二是病毒的异源重组 研究表明 体外试验中转基因植物表达的病毒外壳蛋白可以包装另一种入侵病毒的核酸而产生一种新病毒 但是 迄今在田间试验中尚未发现病毒的异源包装 据推测 即使在转基因植物中发生病毒的异源包装 新病毒再次入侵非转基因寄主时 也会因无法形成外壳蛋白而消亡 病毒异源重组所带来的风险性可能要大一些 1994年 美国密歇根州立大学的科学家研究发现 将缺少外壳蛋白的花叶病毒接种到表达花椰菜花叶病毒外壳蛋白的豇豆上后 又发现了少量的花叶病敏感株 进一步的研究证明 敏感株上病毒的遗传物质已发生了重组 自然界存在植物病毒的重组现象 随着抗病毒转基因作物的大面积推广有可能产生侵染力 致病力更强的 超级病毒 从而造成更大的危害 加拿大 超级杂草 事件由于基因漂流 在加拿大的油菜地里发现了个别油菜植株可以抗1 3种除草剂 因而有人称此为 超级杂草 事实上 这种油菜在喷施另一种除草剂后即被全部杀死 2 可能对非目标生物造成危害 影响生物的多样性 植物在引入抗虫或抗病基因后 往往具有较强的 选择优势 大量的转基因作物进入自然生态系统中 可能会淘汰原来栖息地上的物种及其它遗传资源 加剧品种的单一化 造成生物数量剧减 甚至会使原有物种灭绝 其插入的抗虫或抗真菌的基因可能对其它非目标生物起作用 从而杀死了环境中有益的昆虫和真菌 调查了蛋白酶抑制剂基因对非目标草饲昆虫的影响 Cowgilletal 2003 TraRes 转基因植物对非目标昆虫的发育进程 群落密度有明显影响 转基因植物饲喂非目标昆虫发现毒死现象或影响发育的实验也时有报道 但科学界反应不一 1999年世界权威杂志Nature刊登了Bt基因玉米花粉有可能会对斑蝶幼虫造成较大杀伤的报道 其后 欧盟决定冻结对转基因作物的审查 日本则责令农业部门进行专门调查 并根据此结果设立了 有关Bt玉米新的环境影响评价 的专项 Ilbeck研究了转Bt基因抗虫玉米对草蛉的影响 实验用Bt玉米喂饲的欧洲玉米钻心虫 ECB 再用该类钻心虫作为草蛉的饲料 并以未转基因玉米为对照 结果转Bt基因玉米组草蛉的死亡率在60 以上 而对照组在40 以下 且存活草蛉中饲喂Bt玉米组的平均成熟时间比对照要晚3天 英国Rowett研究所Pusztai博士用转雪花莲凝集素基因的马铃薯喂大鼠 2000年秋在英国电视台发表讲话 声称大鼠食用后 体重和器官重量减轻 免疫系统受到破坏 此事首次引起国际轰动 绿色和平组织 地球之友等反生物技术组织把这种马铃薯说成是 杀手Keller 策划了焚烧破坏转基因作物试验地 阻止产品进出口 示威游行等 英国皇家学会对此非常重视 组织了同行评审 并于1999年5月发表评论 指出的实验有6方面的错误 即 不能确定转基因和非转基因马铃薯的化学成分有差异 对食用转基因马铃薯的大鼠未补充蛋白质以防止饥饿 供试动物数量少 饲喂几种不同的食物 且都不是大鼠的标准食物 很少统计学意义 实验设计不合理 未作双盲测定 统计方法不当 实验结果无一致性等 1999年5月 康奈尔大学的一个研究组在 Nature 杂志上发表文章 声称用带有转基因抗虫玉米花粉的马利筋 一种杂草 叶片饲喂美国大斑蝶 导致的幼虫死亡 由此引发环境安全性的争论 事实上 这一实验是在实验室完成的 并不反映田间情况 因而缺乏说服力 且没有提供花粉量的数据 现在这个事件已有了科学的结论 第一 玉米的花粉非常重 扩散不远 在玉米地以外 每马利筋叶片上只找到一粒玉米花粉 第二 年开始在美国 个州和加拿大进行的田间试验证明 抗虫玉米花粉对斑蝶并不构成威胁 实验室实验中用P 倍于田间的花粉量来喂大斑蝶的幼虫 也没有发现对其生长发育有影响 斑蝶减少的真正原因 一是农药的过度使用 二是墨西哥生态环境的破坏 3 转基因抗性与抗性生物的协同进化 转基因导致的遗传多样性脆弱问题 抗性虫种的出现 抗性虫种与感性虫种在饲用抗虫棉后的发育比较 4 在土壤中的残留和对土壤动物的影响 Meieretal 2003 研究 转基因植物遗弃在田间的残留物几个月后 可从土壤中检测到重组DNA 发现没有种植转基因植物的土样中也能检测到重组DNA 进一步研究发现 重组DNA仅能在表土中发现 而且仅能在转基因植物花粉可飘逸距离的土样中发现 基因飘逸主要通过花粉传播 且可在土壤中存活一年 Sexenaetal 1999 Bt通过根部渗入土壤 具有很强的杀虫活性 高密度和低pH有利于Bt毒素的持久性 5 转基因植物产品饲喂动物后 DNA向动物组织或细胞的转移 1 2 3 4 5分别代表小猪的血液 脾脏 肝 肾脏和肌肉组织 b为PCR扩增 c为Southern杂交 Zein是玉米中的一个多拷贝基因 作对照 Sh 2是单拷贝玉米基因 以与单拷贝的Bt基因作平行对照 研究单拷贝基因的转移情况 可以看出Zein是多拷贝扩增 因为引物与其他拷贝有同源序列 分子检测证明 植物DNA都有向动物转移 但进一步证明发现 转移的都是小片段 不是整个基因 也不是Bt基因的功能区 用转Bt的玉米饲喂小猪 检测猪组织中DNA的转移情况 TranRes 2005 14 775 784 对照组和测试组向猪的不同组织的转移倾向是相同的 标记基因水平转移的可能性许多人担心 转基因作物中的抗生素标记基因会水平转移至肠道微生物 致使某些致病菌产生较强的抗药性 进而影响到抗生素在临床治疗中的有效性 一般来说DNA从植物细胞中释放出来 很快被降解成小片段 甚至核甘酸 转基因食品在进入有肠道微生物存在的小肠下段 盲肠及结肠前 植物细胞中99 9 的DNA已被降解 即使有极少数完整的基因存在 其水平转移进入受体细胞的可能性也极小 首先 受体菌必须处于感受态 DNA才能内与细胞结合并穿膜进入细胞核 其次 进入核内的外源DNA很容易被寄生细胞内的核酸酶系统降解 即使未被降解 其成功地随机整合到受体细胞基因组中的几率也极小 第三 只有导入的外源基因具有合适完整的表达系统才能表达 第四 表达标记基因的细菌只有在特定选择压下才有竞争优势 对抗生素标记基因而言 只有在口服了大剂量的抗生素后才可能造成这种选择压 可见 标记基因水平转移并表达的可能性极小 对于经食品加工后的植物材料则更不可能 转入植物的外缘DNA会不会再转入人的肠道细胞 目前还没有充分的证据说明这一点 但已有证明 T DNA一旦转入植物细胞 即使vir基因再度活化也不再重新转移 另外 植物中的DNA向细菌转移需要经过细菌感受态的诱导 与DNA结合 DNA穿过细胞壁和细胞膜 进入宿主细胞 整合进宿主基因组等5个步骤 这种机制在自然界并不存在 结论植物DNA可以转移到动物组织 但向不同动物组织中的转移能力不同植物基因不能整体或大片段转移到动物组织 没有检测到被转移的DNA功能片段Bt基因与玉米本身的基因转移到猪组织中的频率没有实质差异 6 食品安全 欧洲和美国人对转基因食品的看法截然不同 美国人不以为然 欧洲人则大肆宣传它的弊端 造成了人们对GM食品的恐慌 美欧的看法不同在一定程度上已超过了食品安全的范畴 在美国 50 以上的GM作物已不再受约束 即不再认为是对作物的基因进行了改造 1999年 美国有一半的大豆和38 的玉米是转基因的 欧洲对GM作物的限制和与美国法规的不同直接造成美国GM作物出口的困难 欧洲的法规要求市场上对GM食品进行标注以实行分售 直接与美国发生贸易冲突 但GMFood的标注问题也越来越引起美国民众的关注 半数的国会议院和民众要求对转基因产品标注 并要求制定更严格的法规 转基因作物的食品安全性是人们争论的焦点 由于转基因技术用来改造食品的基因通常来源于完全无关的物种 很多是人类极少食用的物种 因此 相对于传统的自然食品而言 还存在着不确定的因素和未知的长期效应 其安全性尚有待于进一步实践的检验 毒性问题 关于转基因食品的毒性问题 目前只有一些相关的实验报道 尚无人体的研究报告 但一些研究学者认为 对于基因的人工提炼和添加 可能在达到某些人们想达到的效果的同时 也增加和积聚了食物中原有的微量毒素 过敏反应问题 在自然条件下存在许多过敏源 在基因工程中如果将控制过敏源形成的基因转入新的植物中 则会对过敏人群造成不利的影响 美国的PioneerHi Bred种子公司把巴西坚果中的2S清蛋白基因转入大豆 以使大豆的含硫氨基酸增加 结果对巴西果过敏的人就对转基因