葛啟福

【摘要】隨著中國(guó)轉(zhuǎn)基因核心技術(shù)取得突破，已初步建立起水稻、棉花、油菜、玉米、大豆、花生、楊樹等主要農(nóng)作物和林草、花卉、果樹等高效、安全轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系。中國(guó)轉(zhuǎn)基因品種得到大面積推廣應(yīng)用的作物首推棉花。目前轉(zhuǎn)基因育種的主要手段有農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法和外源基因直接導(dǎo)入法。外源基因直接導(dǎo)入法主要有電激法、PEG法和顯微注射法。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的還有基因槍法、激光微束穿刺法、真空滲入遺傳轉(zhuǎn)化法和花粉介導(dǎo)法等。隨著轉(zhuǎn)基因安全性評(píng)估的逐步完善，轉(zhuǎn)基因育種將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)基因育種；方法；安全性

所謂農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因育種就是根據(jù)育種目標(biāo)，從供體生物中分離并提取出控制某種性狀的基因 (目的基因)，經(jīng)ＤＮＡ重組與整合或直接運(yùn)載進(jìn)入受體作物的基因組，獲得穩(wěn)定表達(dá)的轉(zhuǎn)基因株，再進(jìn)入田間試驗(yàn)，培育成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上能應(yīng)用的轉(zhuǎn)基因新品種，并實(shí)現(xiàn)大面積推廣。轉(zhuǎn)基因育種相對(duì)于傳統(tǒng)的雜交育種、誘變育種和多倍體技術(shù)育種來(lái)說(shuō)，不僅縮短了育種周期，而且能準(zhǔn)確地選擇任何一個(gè)目的基因 (植物、動(dòng)物乃至人類 )，從而打破了遺傳物質(zhì)分類上門、綱、目、科屬的界限，實(shí)現(xiàn)了基因的轉(zhuǎn)移，大大拓寬了作物遺傳改良可資利用的基因來(lái)源。應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的轉(zhuǎn)基因作物新品種為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展開辟了嶄新的途徑。

中國(guó)植物轉(zhuǎn)基因核心技術(shù)取得突破，目前已初步建立了棉花、水稻、油菜、玉米、大豆、花生、楊樹等主要農(nóng)作物和林草、花卉、果樹的高效、安全轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系，大大縮短了中國(guó)與世界先進(jìn)水平的差距。

1.農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因品種利用現(xiàn)狀

在中國(guó)，轉(zhuǎn)基因品種得到大面積推廣應(yīng)用的作物首推棉花。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2006年，中國(guó)有680萬(wàn)小型農(nóng)戶種植了350萬(wàn)公頃的抗蟲棉，占到全國(guó)棉花種植總面積的66%。到2007年，中國(guó)已經(jīng)有710萬(wàn)農(nóng)民種植了轉(zhuǎn)基因棉花，不僅獲得可觀的經(jīng)濟(jì)增收，更減少了40萬(wàn)噸的農(nóng)藥排放。

從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，根據(jù)通常的方法計(jì)算，種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉每畝比對(duì)照可平均增產(chǎn)7.5千克皮棉，按10元/千克計(jì)，每畝可增收75元；每畝減少農(nóng)藥投入50元、減少人工投入計(jì)工費(fèi)30元，也就是說(shuō)，推廣轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，每畝可增收節(jié)支155元。

除了在棉花種植中應(yīng)用生物技術(shù)外，中國(guó)的安委會(huì)還在2006年建議批準(zhǔn)了抗環(huán)斑病毒的轉(zhuǎn)基因番木瓜，中國(guó)正在考慮批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因水稻的種植，而且有望在頒發(fā)了生物安全證書、并獲得品種審定、種子生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)許可證后，轉(zhuǎn)基因水稻的種植將通過審批。

轉(zhuǎn)基因水稻，是根據(jù)某種特殊需要在水稻中引入特殊基因?，F(xiàn)在申請(qǐng)商業(yè)化生產(chǎn)的是幾種抗蟲的轉(zhuǎn)基因水稻。其中一種Bt轉(zhuǎn)基因水稻，是在水稻中引入一種特殊基因后，產(chǎn)生一種蛋白，這種蛋白會(huì)讓食用了這種水稻的常見害蟲渾身潰爛并死亡。正是這樣特殊的抗蟲功能，可以使水稻田的農(nóng)藥使用量大大減少。

轉(zhuǎn)基因抗蟲性水稻可減少80％的農(nóng)藥使用量，從而大大減少農(nóng)藥尤其是劇毒農(nóng)藥對(duì)人和土地及環(huán)境的傷害。此外，轉(zhuǎn)基因抗蟲性水稻的畝產(chǎn)量也比常規(guī)水稻高約6％。如果我國(guó)推廣種植抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻，不僅能大大減少農(nóng)藥使用量，一年還能為農(nóng)民增收200億。如果轉(zhuǎn)基因水稻能夠商業(yè)化生產(chǎn)，意義不會(huì)亞于袁隆平的雜交水稻。目前國(guó)內(nèi)還在研究一種抗旱的轉(zhuǎn)基因水稻，如果能夠研制成功，將是“革命性”的。

油菜是重要的油料作物，對(duì)油菜的改良是育種家們長(zhǎng)期努力的目標(biāo)。據(jù)報(bào)道，1998年全球轉(zhuǎn)基因油菜種植面積為24960hm2占全球油菜種植面積的9％，1999年增至29120hm2，占全球油菜總面積的11％，2000年全球轉(zhuǎn)基因作物面積為43680hm2，占全球作物種植面積的16％。多年來(lái)，許多育種工作者試圖采用傳統(tǒng)的育種手段來(lái)獲得油菜良種，但進(jìn)展十分緩慢。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，人們愈來(lái)愈傾向于通過基因工程的手段改良油菜的產(chǎn)量、品質(zhì)及抗逆性。2003年，我國(guó)首個(gè)轉(zhuǎn)基因油菜產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目通過了由中國(guó)農(nóng)科院、浙江省農(nóng)科院等６家科研院所的科學(xué)家組成的專家組論證。

1996年春，美國(guó)伊利諾伊西部許多農(nóng)場(chǎng)主種植了一種大豆新品種，這種大豆是移植了矮牽牛的一種基因。這個(gè)新大豆品種可以抵抗殺草劑——草甘膦（毒滴混劑）。草甘膦會(huì)把普通大豆植株與雜草一起殺死。以后，隨著國(guó)際上農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的迅速發(fā)展，全球轉(zhuǎn)基因大豆的種植面積迅猛發(fā)展。2001年，全球轉(zhuǎn)基因大豆的種植面積達(dá)到3300萬(wàn)公頃，占大豆種植面積的46%。

2.轉(zhuǎn)基因育種的主要手段和方法

在植物基因工程研究中，關(guān)鍵步驟之一是通過特定的方法將外源基因?qū)胧荏w植物細(xì)胞內(nèi)，使之發(fā)生定向的、永久性的遺傳變異，即所謂的植物遺傳轉(zhuǎn)化。為了方便有效地將外源基因?qū)胫参矬w內(nèi)，人們不斷地探索、發(fā)展新的植物遺傳轉(zhuǎn)化方法。目前應(yīng)用到農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因中的遺傳轉(zhuǎn)化方法主要有農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法和外源基因直接導(dǎo)入法。

2.1 農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法

農(nóng)桿菌在侵染植物傷口時(shí)，可將其攜帶質(zhì)粒上的一段DNA(T-DNA)整合到植物基因組上，并在植物體內(nèi)表達(dá)。因此，農(nóng)桿菌作為一種天然載體系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到植物基因轉(zhuǎn)化中，成為植物基因轉(zhuǎn)化的首選方法。農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：不需要專門儀器；宿主范圍廣，包括大多數(shù)雙子葉植物和少數(shù)單子葉植物；插入外源基因的片段較大，可達(dá)50Kb以上；轉(zhuǎn)化率明顯高于其它直接轉(zhuǎn)化方法；外源基因整合到植物基因組上的拷貝數(shù)較少，多為單拷貝；整合的外源基因變異小，后代的分離規(guī)律也遵循孟德爾遺傳規(guī)律。缺點(diǎn)是仍受宿主范圍和菌株特異性等因素的限制。

2.2 外源基因直接導(dǎo)入法

在油菜的遺傳轉(zhuǎn)化中，有越來(lái)越多的研究?jī)A向于采用外源基因直接轉(zhuǎn)化法，因其不受宿主范圍的限制，也不需使用特定的載體。在早期的油菜遺傳轉(zhuǎn)化研究中取得成功的方法有3種：電激法、PEG法和顯微注射法。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的還有基因槍法、激光微束穿刺法、真空滲入遺傳轉(zhuǎn)化法和花粉介導(dǎo)法等。

2.2.1 電激法

電激法最初是從哺乳動(dòng)物細(xì)胞轉(zhuǎn)化中發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，后來(lái)用于植物細(xì)胞的遺傳轉(zhuǎn)化。國(guó)外最早報(bào)道是1985年美國(guó)的Michael等將其用于植物轉(zhuǎn)基因上。Chapel和Gimelius利用電激法將B一葡萄糖醛酸酶基因(gus)導(dǎo)入甘藍(lán)型油菜的葉肉原生質(zhì)體中，建立了瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)。Guerche等(1987)利用此法將含卡那霉素抗性基因nptH導(dǎo)入甘藍(lán)型油菜中。自此，電激穿孔法先后在煙草、玉米、水稻、馬鈴薯、番茄、大豆、小麥等作物原生質(zhì)體上獲得成功。

2.2.2 顯微注射法

顯微注射法是使用專門的儀器將外源基因直接注入到生物的生殖細(xì)胞中，而獲得轉(zhuǎn)基因再生植株的一種方法。顯微注射法多年前在動(dòng)物中就已獲得成功，由此促進(jìn)了它在植物細(xì)胞中的應(yīng)用。Neuhaus等以甘藍(lán)型油菜的花粉胚為受體，利用顯微注射法將nptll基因的外源DNA注入細(xì)胞中。但這一方法需以精細(xì)的顯微操作技術(shù)和細(xì)胞低密度培養(yǎng)為基礎(chǔ)，并且必須建立固定植物細(xì)胞或原生質(zhì)體的技術(shù)。

2.2.3 基因槍法

基因槍法是借用火藥爆炸、高壓氣體或高壓放電為動(dòng)力，用微粒對(duì)植物進(jìn)行轟擊而將其上的外源基因帶入到植物細(xì)胞內(nèi)，此法可以不受基因型和轟擊靶組織的限制。目前基因槍法在油菜的遺傳轉(zhuǎn)化中已有成功的報(bào)道。Fukuoka等(1998)利用基因槍法轉(zhuǎn)化甘藍(lán)型油菜小孢子并獲得可育的轉(zhuǎn)化植株。國(guó)內(nèi)方面，侯丙凱利用此法將從蘇云金芽孢桿菌中克隆得到野生型殺蟲晶體蛋白基因?qū)胗?菜葉綠體中獲得4株轉(zhuǎn)基因植株。但基因槍方法的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化效率低，一般在0．1％-1％范圍內(nèi)，增加了選擇的難度，且費(fèi)用昂貴。

2.2.4 真空滲入遺傳轉(zhuǎn)化法

真空滲入遺傳轉(zhuǎn)化法是一種簡(jiǎn)便、快速、且無(wú)需經(jīng)過組織培養(yǎng)階段即可獲得大量轉(zhuǎn)化植株的基因轉(zhuǎn)化方法。在油菜的遺傳轉(zhuǎn)化方面，目前國(guó)內(nèi)已有成功的報(bào)道。

2.2.5 激光微束穿刺法

激光微束穿刺法是利用聚焦到微米級(jí)的激光微束對(duì)組織進(jìn)行穿刺，引起細(xì)胞膜的可逆性穿孔，從而導(dǎo)入外源DNA的一種基因直接轉(zhuǎn)化技術(shù)。早在1987年，Weber等就利用微束激光將熒光素標(biāo)記的外源??DNA導(dǎo)入葉綠體中。這一技術(shù)操作簡(jiǎn)便，轉(zhuǎn)化頻率高，定位準(zhǔn)確，對(duì)細(xì)胞損傷小以及外植體適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)。利用激光微束穿刺法導(dǎo)入植物的外源基因還有一些報(bào)告基因、篩選標(biāo)記基因和抗病基因，侯丙凱首次報(bào)道利用激光微束穿刺法將殺蟲蛋白基因?qū)胗筒?，并獲得抗蟲轉(zhuǎn)基因植株的研究結(jié)果。

2.2.6 PEG法

PEG融合法操作簡(jiǎn)單，處理量大，融合頻率高，而且不影響再生，基本上已克服了再生植株是嵌合體情況的發(fā)生，而且不需要昂貴的儀器設(shè)備。其缺點(diǎn)是仍需進(jìn)行原生質(zhì)體培養(yǎng)、處理時(shí)問長(zhǎng)、不易掌握、常形成多元原生質(zhì)體融合體。有報(bào)道指出，將PEG法與電擊法等其他導(dǎo)入基因的方法相結(jié)合，能夠提高轉(zhuǎn)化率。

2.2.7 花粉介導(dǎo)法

花粉介導(dǎo)法是利用生殖細(xì)胞——花粉作為載體，結(jié)合超聲波處理介導(dǎo)外源基因?qū)χ参镞M(jìn)行轉(zhuǎn)化?；ǚ劢閷?dǎo)法避免了其它轉(zhuǎn)化方法所要求的組織培養(yǎng)技術(shù)，轉(zhuǎn)化方法簡(jiǎn)單、易操作、轉(zhuǎn)化率高、且費(fèi)用低，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

3.轉(zhuǎn)基因食品的安全性問題

首先是毒性問題。一些研究學(xué)者認(rèn)為，對(duì)于基因的人工提煉和添加，可能在達(dá)到某些人們想達(dá)到的效果的同時(shí)，也增加和積聚了食物中原有的微量毒素。

其次是過敏反應(yīng)問題。對(duì)于一種食物過敏的人有時(shí)還會(huì)對(duì)一種以前他們不過敏的食物產(chǎn)生過敏，比如：科學(xué)家將玉米的某一段基因加入到核桃、小麥和貝類動(dòng)物的基因中，蛋白質(zhì)也隨基因加了進(jìn)去，那么，以前吃玉米過敏的人就可能對(duì)這些核桃、小麥和貝類食品過敏。

第三是營(yíng)養(yǎng)問題?？茖W(xué)家們認(rèn)為外來(lái)基因會(huì)以一種人們目前還不甚了解的方式破壞食物中的營(yíng)養(yǎng)成分。

第四是對(duì)抗生素的抵抗作用。當(dāng)科學(xué)家把一個(gè)外來(lái)基因加入到植物或細(xì)菌中去，這個(gè)基因會(huì)與別的基因連接在一起。人們?cè)诜昧诉@種改良食物后，食物會(huì)在人體內(nèi)將抗藥性基因傳給致病的細(xì)菌，使人體產(chǎn)生抗藥性。

第五是對(duì)環(huán)境的威脅。在許多基因改良品種中包含有從桿菌中提取出來(lái)的細(xì)菌基因，這種基因會(huì)產(chǎn)生一種對(duì)昆蟲和害蟲有毒的蛋白質(zhì)。在一次實(shí)驗(yàn)室研究中，一種蝴蝶的幼蟲在吃了含桿菌基因的馬利筋屬植物的花粉之后，產(chǎn)生了死亡或不正常發(fā)育的現(xiàn)象，這引起了生態(tài)學(xué)家們的另一種擔(dān)心，那些不在改良范圍之內(nèi)的其它物種有可能成為改良物種的受害者。一些反對(duì)人士擔(dān)心：轉(zhuǎn)基因水稻如果被大面積種植，一些基因可能通過與其野生親緣種間發(fā)生逃逸，即發(fā)生基因污染。轉(zhuǎn)基因水稻商業(yè)化還將帶來(lái)以下風(fēng)險(xiǎn)：生態(tài)平衡的破壞，一類害蟲壓下去了，其他的害蟲就起來(lái)了；害蟲對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲作物可能發(fā)生抗性進(jìn)化；轉(zhuǎn)基因水稻危害非靶標(biāo)生物，比如轉(zhuǎn)基因稻的花粉、稻谷、稻草或根系分泌物也可能對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)中的昆蟲、鳥類、野生動(dòng)物、根系微生物等產(chǎn)生影響，產(chǎn)生不可控制的后果。

最后，生物學(xué)家們擔(dān)心為了培養(yǎng)一些更具優(yōu)良特性，比如說(shuō)具有更強(qiáng)的抗病蟲害能力和抗旱能力等，而對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行的改良，其特性很可能會(huì)通過花粉等媒介傳播給野生物種。

最重要的問題是，人長(zhǎng)期食用會(huì)有不良后果嗎？在這一點(diǎn)上，也沒有十分保險(xiǎn)的答案。在食用轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品上，反對(duì)者和贊成者各有各的理由。有人認(rèn)為轉(zhuǎn)基因水稻所產(chǎn)出的大米安全性高于常規(guī)大米，轉(zhuǎn)基因大米接受過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)人體沒有危害，因?yàn)榇蟠鬁p少了農(nóng)藥的施用，安全性還要高于常規(guī)的大米，常規(guī)的大米沒有接受過嚴(yán)格的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?？瓜x轉(zhuǎn)基因水稻產(chǎn)生的特殊抗蟲蛋白只對(duì)昆蟲有作用，在人畜身上沒有“靶點(diǎn)”，也就是人食用后應(yīng)該沒有問題。

4.農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因育種的展望

現(xiàn)在大家知道，所有生物的DNA上都寫有遺傳基因，它們是建構(gòu)和維持生命的化學(xué)信息。通過修改基因，科學(xué)家們就能夠改變一個(gè)有機(jī)體的部分或全部特征。不過，到目前為止，這種技術(shù)仍然處于起步階段，并且沒有一種含有從其它動(dòng)植物上種植基因的食物，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)培植。同時(shí)許多人堅(jiān)持認(rèn)為，這種技術(shù)培育出來(lái)的食物是“不自然的”。

世界上第一種基因移植作物是一種含有抗生素藥類抗體的煙草，1983年得以培植出來(lái)。又過了十年，第一種市場(chǎng)化的基因食物才在美國(guó)出現(xiàn)，它就是可以延遲成熟的番茄作物。一直到1996年，由這種番茄食品制造的番茄餅，才得以允許在超市出售。轉(zhuǎn)基因技術(shù)終于走出實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)田，進(jìn)入像玉米、大豆和棉花作物的日常耕作。日前，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用國(guó)際服務(wù)組織發(fā)布的報(bào)告顯示，經(jīng)過10多年的推廣，轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展迅速，2007年，全世界種植轉(zhuǎn)基因作物的國(guó)家已達(dá)23個(gè)，全球55%的人口或多或少正在食用轉(zhuǎn)基因食品。到2007年，中國(guó)已經(jīng)有710萬(wàn)農(nóng)民種植了轉(zhuǎn)基因棉花，不僅獲得可觀的經(jīng)濟(jì)增收，更減少了40萬(wàn)噸的農(nóng)藥排放。

據(jù)介紹，第一代轉(zhuǎn)基因作物遺傳背景比較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)移一個(gè)基因，比如抗旱、抗蟲的基因就能起到作用。下一步發(fā)展目標(biāo)是加入質(zhì)量性的基因，比如金色稻、金米，含有更多的維生素A，能夠解決人體維生素A缺乏情況。含有高降鈣素轉(zhuǎn)基因的油菜可以防治老年骨質(zhì)疏松，含人乳鐵蛋白基因的稻米能防止腹瀉。

目前，美國(guó)的科學(xué)家們已經(jīng)開始大面積種植轉(zhuǎn)基因水稻，這種水稻里面的轉(zhuǎn)基因主要含人乳鐵蛋白、溶菌酶和人血清白蛋白，能夠提高人體的免疫力，尤其是能起到防止腹瀉的效果。

眼下，治療骨質(zhì)疏松的辦法是服用降鈣素或者注射降鈣素，但這種降鈣素是合成的，1克1萬(wàn)多元，非常昂貴。而我國(guó)自主研發(fā)的高降鈣素油菜的種子，每克可以產(chǎn)生3毫克降鈣素，300多克油菜種子就可以產(chǎn)出1萬(wàn)多元的價(jià)值，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

可以預(yù)料，隨著國(guó)際上農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的迅猛發(fā)展以及相關(guān)法律法規(guī)的逐步完善，農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因育種將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。