转基因作物的研究进展

转基因作物的研究进展

转化转化（pmcs）是指将其他物种（植物、动物、微生物等）的基因移植到植物组中，改变遗传组成，改进作物品种。自20世纪70年代初基因工程技术诞生以来,尤其在最近10年高等植物基因工程的实验操作能力有了很大的提高,而且绝大多数作物遗传转化方法也已建立,这些使人们完全有可能培育出具有优良性状和广泛用途的转基因作物。从20世纪80年代开始,转基因作物陆续研制成功,走出实验室并投放市场。到2004年,转基因作物的种植面积达到全球耕地总面积15亿公顷的5%。转基因作物的潜在生态风险及对人体健康影响的争论随着转基因作物的商品化也日趋尖锐,转基因作物的安全性问题成为人们关注的焦点。1对后代作物的研究和应用1.1基因作物的研究现状从1983年世界第一例转基因植物-转基因烟草的问世到现在转基因作物已经有20年的历史了。根据转基因作物的研究情况,转基因作物可以分为两代:第一代转基因作物主要是对“输入性状”的研究,包括抗虫、抗病、抗除草剂和抗盐碱等;第二代转基因作物是开发“输出性状”,如增加营养价值,消除过敏原和抗营养因子,延长水果及蔬菜的保鲜期,还有些转基因作物被用做生物反应器,用于生物制药和去除环境污染。1.1.1选用抗菌剂生产抗菌材料1987年Vaeck等首次成功的将苏云金杆菌杀虫结晶蛋白基因导入烟草,该转基因烟草对烟草天蛾的毒杀率达到95%以上。目前,用于改良农作物抗虫性状的外源基因主要有三类:苏云金杆菌杀虫结晶蛋白基因(bt基因);昆虫蛋白酶抑制剂基因,其中应用最广泛的是豇豆胰蛋白抑制剂基因(cpti基因);以及植物凝集素基因(lectin基因)。与普通棉花相比,转bt基因的抗虫棉的平均产量可提高80%～87%。在植物抗病毒基因工程中,应用较多的基因有:病毒来源的基因,包括外壳蛋白、复制酶、移动蛋白基因和其它一些序列;非病毒来源的基因,如来自植物的抗性基因、毒素蛋白基因和来自动物的病毒抗体基因等。另外,几丁质酶基因、β-1,3-葡聚糖酶基因、过氧化物酶基因和rip基因等用于抗真菌病害,杀菌肽基因、溶菌酶基因和防御素基因等用于抗细菌病害。目前水稻、烟草、番茄、玉米、南瓜、苜蓿、西葫芦、甜椒和番木瓜等转基因抗病作物已获准商业化生产。抗除草剂作物一直在转基因作物中占有主导地位。2004年抗除草剂大豆种植面积达4840万公顷,占全球转基因作物总种植面积的60%。抗除草剂转基因作物主要有两种类型:修饰除草剂作用的靶蛋白,使其对除草剂不敏感或过量表达以使植物受到除草剂作用后仍能进行正常代谢;即引入酶或酶系统,在除草剂发生作用前将其降解或解毒。应用转基因技术改良作物的抗逆性也是研究的热点问题。用含有果聚糖蔗糖酶基因(SacB)及其信号序列的质粒转化烟草。结果表明,在10%聚乙二醇(PEG)胁迫条件下,转基因植株的生长速率快于野生型植株,其生长量在胁迫条件下也明显高于野生型植株,根重增加73%。1.1.2在生物及营养方面的应用转基因作物作为生物反应器具有医疗价值,可生产疫苗、抗体和药用蛋白的多肽和蛋白质,是“分子农业”的重要组成部分。通过食用植物源性疫苗获得主动免疫应答已经成为预防和治疗某些高发传染性疾病的可行措施。植物生物反应器具有生物活性高、安全性高、遗传稳定、成本低廉、无伦理性问题等诸多优点。目前,人们已经在烟草、马铃薯、拟南芥、玉米、水稻、苜蓿、莴苣、胡萝卜、大豆以及谷类作物中表达了大肠杆菌热敏肠毒素B亚单位、狂犬病病毒糖蛋白、Norwalk病毒衣壳蛋白、糖尿病伴随抗原、霍乱毒素B亚单位、口蹄疫病毒结构蛋白VP1、人巨细胞病毒糖蛋白B、轮状病毒衣壳蛋白VP6、艾滋病病毒P24蛋白等多种抗原;表达了神经肽半抗原IgM、人肌酸激酶IgG、链球菌外源凝集素分泌性IgA/G、乙脑炎抗体重链可变区、膀胱癌细胞IgG、恒河猴D抗原IgG、乙肝表面抗原单克隆抗体等抗体和抗体片段;表达了人表皮生长因子、干扰素、脑啡呔、红细胞生成素、白细胞介素、人生长激素、溶菌酶等蛋白。1.1.3对抗病品种的措施应用转基因技术可以将一些传统育种方法无法培育出的品质性状引入作物,以提高营养价值和经济价值。在普通的大宗作物中引进或富集某些营养成分,如维生素A、维生素C、维生素E、铁、碘、类胡萝卜素、番茄红素、黄酮醇等,能够为世界上某些地区供应关键营养素,并有助于预防地方性营养素缺乏病。例如:Potrykus,Beyer等培育出富含维生素A的转基因水稻品种“金米”,从而使籽粒中β-胡萝卜素的含量显著提高。另外,采用反义RNA技术来抑制ACC合成酶活性,从而抑制乙烯的生物合成,培育出耐贮运的番茄品种。1.2全球转基因作物种植情况1994年孟山都公司下属的Calgene公司研制的延熟保鲜转基因蕃茄“FLAVRSAVRTM”获准进入市场,开创了转基因植物产品商业化的先河。随后,转基因植物迅速步入了商品化的轨道。1996年全球转基因作物种植面积仅170万公顷,1997年猛增到1100万公顷,到2004年全球转基因作物种植面积已达8100万公顷,较2003年增加1330万公顷,增长率为20%。从1996年到2004年,全球种植面积连续9年以两位数的增长率持续增长,全球种植面积增长超过47倍(见表1)。种植转基因作物的国家也在逐年增多,1996年仅为6个,2004年增加到17个。其中,有14个国家种植面积在5万公顷以上,比2003年增加了4个。有6个国家达到了百万公顷以上,共种植了7910万公顷,占全球转基因作物种植总面积的98%。美国种植的转基因作物面积最大,达4760万公顷,占全球总量的59%;阿根廷的种植面积为1620万公顷,仅次于美国居全球第二位;加拿大的种植面积为540万公顷,居全球第三位;巴西虽然于2003年首次批准种植转基因作物,但2004年种植面积就达到了500万公顷以上,占全球总量的6%;中国共种植370万公顷,占全球总量的5%;巴拉圭共种植120万公顷,占全球总量的2%。全球商业化种植的转基因作物包括大豆、玉米、棉花、油菜、马铃薯、烟草、番茄、南瓜和木瓜等。其中大豆、玉米、棉花和油菜为主要的种植种类,在全球范围内这4种作物的种植面积全部持续增长。2004年在全球种植了4840万公顷转基因大豆,比2003年增加了700万公顷,占大豆总播种面积的56%,占全球转基因作物种植面积的60%;玉米种植面积从2003年的1550万公顷提高到了1930万公顷,占转基因作物种植面积的23%;在2003年,棉花的种植面积为900万公顷,占全球转基因作物的种植总面积的11%;油菜的种植从2003年的360万公顷增长到了2004年的430万公顷,占全球转基因作物种植面积的6%。转基因作物的广泛应用创造了巨大的社会、经济和生态效益。2003年转基因作物总产量的全球价值估计为440亿美元。2004年发展中国家种植转基因作物达到2760万公顷,超过世界种植转基因作物总面积的三分之一。在825万种植转基因作物的农民中,90%的受益者来自于发展中国家资源匮乏地区,他们通过种植抗虫棉增加收入,帮助脱贫。2pusztai事件随着转基因作物的上市和大面积推广,转基因及其安全性问题逐渐引起人们的关注。1998年,苏格兰Rowrtt研究所的Pusztai博士声称用转雪花莲凝集素基因土豆喂饲大鼠后,其生长发育受阻,内脏和免疫系统被破坏。1999年,美国康奈尔大学的研究报告说,用带有转抗虫基因玉米花粉的马利筋(一种杂草)饲喂斑蝶,44%幼虫死亡。Pusztai事件和斑蝶事件很快就引发了一场全世界范围内有关转基因作物及其产品安全性的争论。总的来说,转基因作物安全性主要有环境安全性和食品安全性两方面。2.1转移作物的环境安全2.1.1主要栽培作物的选择原则一个物种可能通过两种方式转变为杂草:一是它能够在引入地持续存在;二是它能够入侵和改变其它植物的栖息地。在讨论转基因作物是否有演变成新型杂草的可能性问题时,应该遵循个案分析的原则,结合转基因受体植物的生物学特性,以及外源基因导入性状进行综合分析。首先,考虑遗传转化的受体有无杂草特性。世界上的主要栽培作物在经历长时间的选育后,已经丧失了杂草的一系列遗传特性,使其过分依赖于农业环境,因此在野生环境下具有较差的竞争力,难以生存或变成具有侵略性的杂草。仅仅导入一两个或几个基因就使它们转变为杂草的可能性很小。但是要特别注意的是那些具有杂草特性或是在特定条件下本身就是杂草的作物,如向日葵、草莓、嫩茎花椰菜等。其次,应考虑转基因作物导入的基因是否有可能增加该作物的杂草特性。理论上增加转基因作物对环境的适应能力,可能增加其杂草性。例如,多数转抗虫、抗病和抗逆等基因的作物会抗性增强,同时也可能使植物在生长势、生活力、繁殖力等方面加强。但这也只是一种理论上的可能性,并无科学事实的支持,转基因是否会增加作物的杂草性,还需要更多的研究。2.1.2第二,基因东方化的风险2001年,美国加州大学伯克利分校两名研究者报道了转基因玉米对墨西哥的野生玉米产地产生了基因污染。“墨西哥玉米事件”使人们开始关注转基因作物中外源基因通过花粉漂移转移到相关的近缘野生种及其它作物中去以后可能引起的环境风险。转基因作物向非转基因作物的基因漂流。由于转基因作物与非转基因作物的生长期、花期、花时相同或相似,所以产生基因漂流的机会很大。另外,由于大多数转基因作物与非转基因作物的种子在外观上难以区别,因此容易混杂在一起而被传播,可能会带来难以预测的环境风险。转基因作物向野生近缘种、非近缘种的基因漂流。由于栽培作物与其祖先种或野生近缘种在空间上的接触,转基因向野生近缘种特别是向相同基因组的近缘种逃逸的可能性非常大。一旦抗病、抗虫、抗旱、抗盐碱、抗除草剂等基因逃逸到野生近缘种或杂草中去并被固定下来,这个近缘种或杂草就有可能因为失去天敌或环境的控制而演变为恶性杂草。另外,转基因在野生种群中被固定下来将会导致野生种的等位基因丢失而造成遗传多样性的丧失,而且转基因进入野生种的遗传背景也会造成对野生种的遗传资源的污染和破坏。转基因逃逸还可能导致或者加速稀有野生种的灭绝。应当指出并不是所有转基因的逃逸都会带来风险,但应当认识到风险一旦发生,将会带来不可估量的后果和对生态环境的长期影响。迄今对基因漂流的研究结果显示,与常规育成的作物品种相比,转基因作物并不增加新的风险类型。2.1.3病毒的协同作用自然界中存在着植物病毒之间的异源重组。转基因作物中病毒基因产物与其他病毒或病毒产物之间的相互作用可能产生新的病毒,也可能使病毒寄主范围扩大。另外还可能产生病毒的协同作用使病毒病变得更加严重。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另一种病毒的核酸,产生一种新病毒。如表达苜蓿花叶病毒AMV-CP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。目前,对病毒RNA的重组、作用机制及其病毒的协同作用有待于进一步深入研究。2.1.4抗机构间杂草的基因表达抗除草剂转基因作物是目前应用的最广的转基因作物,虽然抗除草剂转基因作物减少了除草剂使用的总量,但是过度依赖少数除草剂,增加了对抗除草剂杂草的选择压力,使杂草变得更加难以控制。另外,抗除草剂转基因作物的使用还存在除草剂抗性基因向相关野生种及杂草漂移、形成新的抗除草剂杂草的潜在危险。由于bt基因在植物体内的持续表达,使得害虫在整个生长周期都受到bt基因表达产物即Bt毒素的选择,可促使害虫对转抗虫基因植物产生相应的抗性。据报道,田间和室内试验都发现有几种鳞翅目昆虫对Bt毒素产生了抗性。2.1.5bt毒素对昆虫的影响某些转基因作物具有“非目标效应”,即某些转基因作物可能会对自然界中其他生物和环境起到负面影响。很少有哪一种杀虫剂能有选择地杀死某一种害虫,而往往有一定的广谱性。转基因植物中不同bt基因表达的Bt毒素必然对鳞翅目、鞘翅目、双翅目和膜翅目等许多非目标昆虫产生影响。另外Bt毒素能够通过根部渗出物进入周围的土壤中,Bt毒素被吸附到土壤粘粒后,并不持续分解,而是在很长一段时间内保持其杀虫活性。Bt毒素在土壤粘粒中的存在将会增加害虫产生抗性的风险,同时也会危及作为非目标生物的各种土壤生物。此外,带有几丁质酶的抗真菌转基因作物,其遗传分解时可能减少土壤中菌根的种群。几丁质酶主要是消化带有几丁质的菌根的细胞壁,使个体死亡。这样土壤中的凋落物就不可能被分解,营养流被中断,整个生态系统的功能被阻滞。2.2非典型食品的安全和评估2.2.1细胞生物学特性转基因食品安全性主要集中于外源基因的食用安全性、外源基因表达蛋白的安全性和非预期效应等三方面。虽然转基因作物中外源基因的化学组成与普通作物的DNA的化学组成没有任何区别,但是作物中重组的DNA分子是否会进入人或动物的体内引起对健康不利的结果,另外,抗生素标记基因是否会进入人或动物胃肠道的微生物细胞中导致临床药物失效,目前尚无定论。转入基因表达的蛋白可能具有致敏性或是毒性。1996年Nordlee等报道,将巴西坚果2S清蛋白基因转入大豆后,虽然使蛋氨酸含量提高,但是发现该转基因大豆对一部分人群致敏。人为地把新基因插入生物体时不可避免新基因非全部插入到研究者所期待的位点上,由此可能会产生某些没有预料到的效应,称为非期望效应(Unintendedeffects)。非期望效应往往直接或间接导致目的基因和基因组表达产物的改变,有时也会导致转基因生物表型的改变。转基因食品的安全性涉及:①受体生物体毒素的增多,或者带来新的毒素,引起急性的或慢性的中毒。众所周知,在不少的传统食用植物中含有少量的毒素,如芥酸、黄豆毒素、蕃茄毒素、棉酚、龙葵素、腈水解酶、氢氰酸、甾醇、酪胺和组氨酸等,这些原有毒素的量在转基因食品中不应该增加,更不应该产生新的毒素,但这是难以预知的;②插入的外源基因产生新的蛋白质可能会引起人体的过敏反应;③转基因食品的营养成分改变了,可能使人类的营养结构失衡。2.