基因工程在农业中的应用

1、基因工程在农业中的应用摘要：就基因工程技术在农业中的应用和在农业中的应用，论述了基因工程给当前农业发展带来的机遇和挑战。关键词：基因工程农业应用基因工程学是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其他载体分子中，构成遗传物质的新组合，渗透到没有这种分子的宿主细胞中，使其持续稳定的繁殖。 从定义上来说，强调外来核酸分子在另一宿主生物细胞中繁殖的问题，克服这种天然种质障碍的能力是基因工程的第一重要特征。 这表明，应用基因工程技术，人们可以根据自己的主观愿望，创造出自然界中不存在的新生物类型。 科研人员利用这一特点，在提高农作物产量、改善品质、增强抗性和抗病虫害能力等方面取得了令人瞩目的成果。1基因工程在

2、农业中的应用1.1利用基因工程技术减少农药使用量由于农作物在生长过程中容易受到病菌和害虫的影响，在作物栽培过程中经常需要使用大t农药来控制病虫害，这是食物中农药残留和环境污染的主要原因。 如何减少农药用量是绿色食品生产中的重要技术。 害虫天敌、诱杀或生物防治的策略可以取代合成农药，但最直接有效的方法是利用荆因工程技术使作物获得抗病、虫的能力，目前，利用基因工程技术将各种抗病虫基因转移到大豆、玉米、水稻等多种重要农作物上，利用转基因植物自身的能力1996年以来，仅北美地区通过采用转基因抗病、虫作物，农用化学品的用量减少了450万吨。 与普通大豆相比，从坟墓移植Bt杀虫卵的大豆能减少杀虫剂的使用量

3、80%。 据统计，从1996年到1998年，全球栽培的转基因抗虫作物不仅使产量增加了10%，而且减少了250亿元的杀虫剂使用量。 因此，利用基因工程技术增强农作物心砂品种对角虫，可以大幅度减少作物栽培中农药的使用，减少食物中农药的残留，并产生良好的生态效果和经济效果，是发展绿色食品的有效手段。1.2利用基因工程技术改良作物质量随着生活水平的提高，人们越来越关注味道、口感、营养成分、鉴赏价值等质量性状。 利用基因工程可以有效地改善植物的质量，并证实更多的基因工程植物进入商品化生产领域，取得了很好的效果。 蛋白质在种子和其他储藏器官(块茎、块根、鳞茎等)中的含量及其氨基酸组成、淀粉和其他多糖化合物

4、和脂质物质的组成，与其营养价值和工业用途直接相关。 通过多种储藏蛋白的基因和与这些储藏物质相关的代谢过程的变化，使这些器官的物质组成发生变化，即使使植物产生反义RNA基因，也可以通过控制相关的代谢过程，使这些器官的物质组成发生变化，使植物产生新的化合物和改性的化合物蛋白质的改良，因为特定的作物种子多缺乏几个必需氨基酸，所以通过基因工程学改变蛋白质的必需氨基酸的组成，来改善植物的营养价值备受关注。 美国国际植物研究所的科学家们成功地从大豆中获得了蛋白质合成基因，并将其导入马铃薯中，培育出了高蛋白质马铃薯品种，蛋白质含量接近大豆，营养价值大幅度提高，深受农场主和消费者的欢迎。 Meijer将富脯氨

5、酸基因导入水稻，获得转基因株，提高了种子的蛋白质含量，改善了大米的质量。 将含有巴西坚果蛋氨酸丰富的2S白蛋白基因转移到烟草中，豆子种子储藏蛋白基因启动子中表达的蛋白质的18%氨基酸为蛋氨酸，转基因烟草的蛋白质中蛋氨酸的含量增加了30% 也有人把编码高硫氨基酸的蛋白质基因导入豆牧草中，在茎中高度表达，大幅度提高了其作为饲料的营养价值。 基因工程在控制植物淀粉和其他多糖化合物方面也取得了很大进展。 在改变油料作物油脂的组成方面，近年来取得了一系列重要的突破，这一方面的主要目标是改变油脂的不饱和度和脂肪链的长度。 通过导入硬脂酸ACP脱氢酶反义基因，使转基因油菜和芜菁种子中硬脂酸的含量从2%增加到

6、40%，增加到20倍。 我国在利用基因工程改善植物质量方面也取得了很大的成果。 1997年我国首次批准商品化生产的基因工程番茄品种)华番1号，在1330e可以贮藏45d左右，保鲜时间大幅延长，结果具有呼吸飞跃的变化期，解决了难以贮藏的难题。 北京农林科学院工作人员经过4a的努力，将来自美国的优质面包小麦品种玉米蛋白亚基引入北京地区栽培的抗病、高产品种中，获得蛋白质含量高的小麦类型，具有较好的前景。1.3利用基因工程技术培育抗性强的作物植物对逆境的耐性是植物学家关心的问题。 在植物生理学家、遗传学家和分子生物学家的协作下，耐湿、耐盐碱、耐干和耐冷的转基因作物新品种获得了成功。 Hhomashow

7、等人将CBF1(C-repeatingbind-ingfactor )基因导入拟南芥中，诱导低温调节蛋白的表达，使未低温驯化的株具有很强的耐寒能力，能防止较冷的天气。 Murata等人通过向烟草中导入拟南芥叶绿体的甘油-3-磷酸乙酰转移酶基因来调节叶绿体膜脂的不饱和度，使得重组烟草的耐寒性增加。 科学家发现极地鱼中有抑制冰晶生长的特殊蛋白质，防止低温冻害，正常生活在寒冷的极地。 将这种抗冻蛋白基因从鱼体内分离，导入植物体获得转基因植物，现在移植到西红柿和黄瓜中。 不久的将来，会出现具有强耐寒性的转基因植物，相信可以在寒冷地区和骤冷的气候中生存。2基因工程技术的应用是有机农业生态环境中潜在的生物

8、安全性问题2.1基因流和基因污染基因流程来自英语“GeneFlow”，是指转基因生物和与其有亲缘关系的生物之间的基因重组流程。 基因污染来自英语“GeneContamination”，转基因生物的外来基因以某种方式转移到其他生物基因组中整合，其他生物，特别是植物的种子和产品中混合了转基因成分，引起自然界基因库的拥挤和污染。 从基因流和基因污染的关系来看，基因流是原因，基因污染是结果。2.2基因污染的风险性研究由于大部分农作物在其分布区域都存在有性繁殖兼容性(可交配)的野生种和近缘种，理论上基因污染的发生是完全可能的。 在有机农业生产基地周围栽培转基因作物，有机农场可能受到基因污染，基因污染主要

9、存在以下形式。2.2.1转基因作物有可能发展成“超级杂草”“超级杂草”的概念首先由E.Anderson提出，特别是指驯化作物和野生近缘种杂交产生的有害植物。 1999年，在加拿大Saskatchewan省的11个街区的田地里，确认了存在能对抗多种除草剂的转基因油菜的自生植物，在相邻油菜地的小麦地里也发现了能对抗除草剂的转基因油菜的自生植物，同时这种油菜已经成为麦田的杂草最近，EnglishNature报道了加拿大抗3种除草剂油菜自生植物的过程，并再次称为“超级杂草”。 因此，原本具有杂草特性的植物，如向日葵、油菜、草莓等在进行基因遗传转化时，应该重视可能发生的杂草化问题。2.2.2转基因作物通

10、过基因流对近亲种产生潜在威胁的影响随着转基因作物大量释放到环境中，这些不同来源的基因重组通过花粉转移到相关近缘种这一事实的研究正在继续。 2001年11月Chapela和Quist在Nature报道墨西哥Oaxa-ca州的玉米被基因污染的分子证据的同时，墨西哥政府也分别两次证明了本土的玉米被污染的事实，这一发现震惊了世界。 在墨西哥，玉米的地方物种和野生物种超过300种的话，有可能因这个基因污染而失去。 另外，转基因植物无意中授粉的种子，有可能成为转基因转移到其他品种和野生近亲种的“基因的桥梁”。 我国大豆起源地和品种多样性集中，有6000多个野生大豆品种，占世界90%以上。 现在辽宁、吉林、

11、黑龙江种植有机大豆，2001年美国向中国出口了约540万t的大豆，美国约70%的大豆是孟山都公司生产的转基因抗甘油酯大豆。 如果这部分转基因大豆在从运输到加工的过程中，部分产品掉落到野外，或擅自栽培给农民，将成为我国有机大豆基因污染的来源，给我国有机大豆带来污染，可能失去我国大豆的遗传多样性！2.2.3转基因作物对非目标生物的影响基因工程的Bt杀虫作物，能无法控制地产生大量的Bt毒蛋白质，可以大量驱除害虫，同时，Bt毒蛋白质通过食物链转移到非目标昆虫上，使昆虫胃肠破裂，伤害了蛾类(蛾和蝶)和甲壳类(甲虫)等。 并且基因工程的Bt杀虫作物产生的Bt毒蛋白能从植物的根部渗透到土壤中，和叶子一起进入

12、土壤中，Stotzdy及其同事的研究表明，Bt毒素被土壤的微粒子吸收而残留234天以上，对土壤和水体中的无脊椎动物有危害性，但对传统的Bt毒素有害性。 Birch等人报道，食用植物凝集素转基因西红柿株的蚜虫和瓢虫与对照组相比，产卵率减少38%，寿命仅为对照组的50%。2.2.4转基因作物对生物多样性和天然生物基因库的影响生物繁殖的本质是基因的复制，转基因通过被污染生物的繁殖来繁殖，通过被污染生物的传播来扩散，这种扩散将大量的转基因放入野生植物基因库中，影响基因库的遗传结构，破坏基因多样性，危害生物多样性。 进化理论预测含有优势基因的品种会增加其在该物种中所占的比例。 例如，像Bt基因这样的抗虫

13、基因所显示的优势及其优势种群中的比例的上升，结果可以预想到，在降低其他基因型品种的比例的同时，还伴随着基因多样性的丧失。 天然的野生植物基因库对人类来说是巨大的宝物，也是人类发展有机农业的天然基础，但令人担心的是：我们现在还能保护这最后的“净土”吗？2.2.5转基因作物对自然界生态平衡的影响自然界生物被基因污染，结果某些野生种从转基因中获得新的性状，如抗寒性、抗病性、速度、高产、抗盐性等，具有更强的生命力，有可能打破自然界的生态平衡。 有机农场被基因污染，生态系统失去平衡的话，就不适合原来的作物品种的栽培。2.2.6转基因作物对增加害虫抗性的影响由于Bt基因在植物体内的持续表达，害虫在整个生长

14、周期内都会受到Bt杀虫蛋白的选择，害虫对抗虫基因植物产生相应的抗性。 害虫对转基因植物的抗性发展，可以削弱转基因植物本身的利益，对环境产生负面影响。 2002年6月3日，绿色和平与中国农业生物技术学会、国家环境保护总局南京环境科学研究所在北京共同发表了转Bt基因抗虫棉环境影响研究的综合报告。 本报告综合分析了中国农业科学院植物保护所、中国农业科学院棉所、中国农业大学植物保护系和南京农业大学植物保护系4个中国权威机构的研究数据，提出大田连续种植810年抗虫棉后，抗虫棉对棉铃虫失去抗性，可能失去其利用价值。 此事件是继Pusztai事件、Monarchbutterfly事件、巴西坚果事件和墨西哥玉

15、米污染事件之后的另一件事件，再次在学术界引起巨大波动，世界各国对转基因作物的安全性引起了高度注意。 现在，有机农场中大量使用的Bt杀虫剂，即使面对害虫抗药性提高的风险，也能继续保持高效的杀虫效果吗？2.2.7转基因作物产生新病原菌的可能性转基因能引起新病原菌的产生，即病毒能引起异源重组和异源包装的可能性。 转基因作物表达的病毒壳蛋白通过体外试验，可以包装侵入另一种病毒的核酸，产生新的病毒。 迄今为止，田间试验并未发现病毒异源包装，但小规模田间试验得到的结论并不一定与大规模生产应用结果相同。3基因工程体及其产品的食用安全性基因工程无法预测基因可能给生态环境和人类健康带来的结果。 目前的科学水平无

16、法准确预测基因重组可能产生的所有表型效果，也难以明确地回答公众对基因工程产品提出的各种安全性问题。 因此，要加强农业生物工程产品的安全性，应该根据本国国情，采取积极、认真、慎重的态度和务实、具体的保护措施，结合国际组织的研究结果和标准，建立安全评价和管理机构，制定法规，采取防范措施。 目前，在科学技术还很难完全鉴定的情况下，完善实验和隔离设备，利用健全的食品检测手段，严格检查和保护转基因产品对农业生态环境和人民食物安全健康的影响。转基因植物食品的实质各向同性分析包括若干水平的内容：表型性状：如植物的形态、生长、产量、抗病性和育种家关心的其他农艺性状； 成分比较：含有重要的营养成分(脂肪、蛋白质

17、、碳水化合物)、毒性物质(该物质固有的有毒物质及其含量)等。 分析时，如果除了必须考虑地域、文化背景、社会活动差异的中介人性状：基因重组植物品种和原亲本品种中某些中介人的特定性状外，实质上是同性的话，则是由应该集中在中介人的基因表达上的产物，即蛋白质的结构、功能和特异性，以及墓的基因表达产物产生的以外介子性状分析主要包括过敏蛋白质和抗生素抗性等标志墓的安全性。 如果中介基因来自已知的变应原体，则其编码的蛋白质在基因工程体的食用部分表达后，无论变应原是否常见，都需要决定该基因是否编码变应原。 如果插入过敏的生物，例如病毒、细菌、昆虫、非食品植物等基因，就很难分析。 最有名的例子是巴西坚果植酸转基因大豆产生变应原的问题。 196年国际食品生物技术委员会等制定了分析遗传改良食品过敏的树突状分析法，用于分析转基因食品的潜在过敏。标记基因和插入者的目的基因一起重生为目标作物，包含抗生素耐性基因和除草剂耐性基因等，其中经常使用抗生素耐性标记基因。 1993年WHO提出了标记基因的安全性分析和评价原则：标记基因的分、化学和生物学特征。 标记基因的安全性要和其他基因一样评价：原则上，某个标记基因的资料积累后，可以用于任何植物，可以与任何目的基因连接。 标记基因本身没有安全性问题。 问题是是否有水