轉(zhuǎn)基因植物及其安全性研究進展

摘要：介紹了目前常用的植物轉(zhuǎn)基因方法，并簡要就轉(zhuǎn)基因植物的生態(tài)安全性、35S啟動子安全性、栽體骨架序列安全性、抗生素抗性標記基因安全性和食品安全性五個方面進行了綜述。

21世紀，生命科學成為了自然科學中的主導科學。生物技術(shù)的核心是基因工程技術(shù)，新的技術(shù)帶來了巨大的科學發(fā)展及經(jīng)濟效益，同時也帶來了新的棘手問題。隨著轉(zhuǎn)基因植物商品化速度的加快，社會公眾對轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)品的安全性或風險的關(guān)注程度與日俱增。關(guān)于對轉(zhuǎn)基因植物的看法已由學術(shù)觀點的分歧，發(fā)展到環(huán)境問題、人類健康及知識產(chǎn)權(quán)和經(jīng)濟問題的爭論。客觀地說，轉(zhuǎn)基因技術(shù)是禍福相倚的“雙刃劍”，本文僅從自然科學的角度探討轉(zhuǎn)基因植物及其生物安全性。

1轉(zhuǎn)基因技術(shù)的概念

1．1轉(zhuǎn)基因技術(shù)的定義
將人工分離和修飾過的基因?qū)�人到生物體基因組中，由于導人基因的表達，引起生物體性狀的可遺傳的修飾，這一技術(shù)稱之為轉(zhuǎn)基因技術(shù)。經(jīng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)修飾的生物體在媒體上常被稱為“遺傳修飾過的生物體”(Geneticallymodifiedorganism，簡稱GMO)。

1．2常用的植物轉(zhuǎn)基因方法

植物轉(zhuǎn)基因方法大致分成兩大類，第一類需要通過組織培養(yǎng)再生植株，常用方法有農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)化法、基因槍法；另一類方法不需要通過組織培養(yǎng)，目前技術(shù)比較成熟的主要有花粉管通道法。

1．2．1農(nóng)桿茵介導轉(zhuǎn)化法

農(nóng)桿菌是普遍存在于土壤中的一種革蘭氏陰性細菌，分根瘤農(nóng)桿菌和發(fā)根農(nóng)桿菌兩種，其細胞中分別含有Ti質(zhì)粒和Ri質(zhì)粒，其上有一段T-DNA，通過侵染植物傷口進入細胞后，可將T-DNA插入到植物基因組中。因此，農(nóng)桿菌是一種天然的植物遺傳轉(zhuǎn)化體系。農(nóng)桿菌介導法起初只被用于雙子葉植物中，但近年來，農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)化在一些單子葉植物(尤其是日益作為模式植物的水稻中也已經(jīng)得到了廣泛應用和認可，這是該領(lǐng)域的重大進展。

1．2．2基因槍介導的轉(zhuǎn)化法

利用火藥爆炸或高壓氣體加速(an速設(shè)備即被稱為基因槍)，將包裹了帶目的基因的DNA溶液的高速微彈直接送入完整的植物組織和細胞中，然后通過細胞和組織培養(yǎng)技術(shù)，再生出植株，篩選出其中的陽性植株即為轉(zhuǎn)基因植株。與農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化相比，基因槍法轉(zhuǎn)化雖然存在著整合率低、成本昂貴等不足，但其主要優(yōu)點是不受受體植物范圍的限制，而且其載體質(zhì)粒的構(gòu)建也相對簡單，因此也是目前轉(zhuǎn)基因研究中應用較為廣泛的一種方法。

1．2．3花粉管通道法

在授粉后向子房注射含目的基因的DNA溶液，利用植物在開花、受精過程中形成的花粉管通道，將外源DNA導人受精卵細胞，并進一步地被整合到受體細胞的基因組中，隨著受精卵的發(fā)育而成為帶轉(zhuǎn)基因的新個體。該方法于2O世紀8O年代初期由我國學者周光宇提出，我國目前推廣面積最大的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉就是用花粉管通道法培育出來的。該法的最大優(yōu)點是不依賴組織培養(yǎng)人工再生植株，技術(shù)簡單，不需要裝備精良的實驗室，常規(guī)育種工作者易于掌握。但是，該方法在學術(shù)界存在著很大的爭議，國外學者近年來已經(jīng)棄用，因此對其結(jié)果的可靠性尚需持謹慎態(tài)度。

2轉(zhuǎn)基因植物的安全性

2．1“超級雜草”一潛在的生態(tài)威脅

基因流是指在一個隨機交配群中，由于合子或配子的散步而造成基因流動，從而引起等位基因頻率的改變，這是生物進化的原因之一。與常規(guī)植物一樣，轉(zhuǎn)基因植物也可以與近緣植物雜交，產(chǎn)生雜種。因此，轉(zhuǎn)基因植物的大規(guī)模釋放可能使轉(zhuǎn)人的外源基因流向其近緣植物，從而發(fā)生轉(zhuǎn)基因逃逸。如果轉(zhuǎn)基因流向有親緣關(guān)系的雜草，則有可能產(chǎn)生更加難以控制的雜草。如果轉(zhuǎn)基因流向生物多樣性中心的近緣野生種群并在野生種群中固定會導致野生等位基因的丟失而造成遺傳多樣性的喪失。
理論上講，許多性狀的改變都可能增加轉(zhuǎn)基因植物雜草化的趨勢。轉(zhuǎn)基因植物與常規(guī)植物相比，具有某些競爭優(yōu)勢，因此就有可能人侵其他植物棲息地，從而導致雜草化。當前，世界上的主要栽培植物都是經(jīng)人類長期馴化培育而成，已基本失去了雜草的遺傳特性，僅靠一兩個基因的改變就使它們轉(zhuǎn)變?yōu)殡s草的可能性非常小，但隨著更多基因的導入，不能排除引起轉(zhuǎn)基因植物雜草化的可能性。尤其是對于那些在特定的條件下本身就是雜草的作物，例如曾經(jīng)引起過嚴重雜草問題的向日葵、草莓、嫩莖花椰菜等，這類植物的遺傳轉(zhuǎn)化后，更應該密切檢測以防雜草化的出現(xiàn)。由于雜草可能引起嚴重的經(jīng)濟和生態(tài)上的后果，使轉(zhuǎn)基因植物的雜草化成為其最主要的風險之一。雖然“超級雜草”目前并不存在，但是我們也應積極采取以下有效的措施與對策來進行預防。

2．1．1物理隔離

物理隔離的一種主要方式為距離隔離，它是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為保證種子純度而經(jīng)常使用的防止作物串粉的手段之一。轉(zhuǎn)基因作物釋放時采用距離隔離可在某種程度上阻斷轉(zhuǎn)基因花粉的漂移。關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物的傳粉距離，已經(jīng)積累了一些研究成果，在轉(zhuǎn)基因棉花和轉(zhuǎn)基因馬鈴薯中均有相關(guān)報道。除了距離隔離外，根據(jù)具體的轉(zhuǎn)基因作物，還可選擇采用如去掉轉(zhuǎn)基因作物的花、移去與作物有親和性的種類、調(diào)整播種時間使轉(zhuǎn)基因作物及其親和性物種的開花時間相互錯開及在周圍種植同種的非轉(zhuǎn)基因作物以作為緩沖區(qū)等物理方法。但上述方法只適合于轉(zhuǎn)基因作物的小規(guī)模田間釋放試驗，而對于大面積商品化生產(chǎn)采用物理隔離來防止轉(zhuǎn)基因通過花粉的擴散是不切實際的，必須考慮其它對策。

2．1．2轉(zhuǎn)基因遺傳調(diào)控該法是指利用遺傳工程技術(shù)調(diào)控轉(zhuǎn)基因?qū)﹄s草的選擇有利性。在一個串聯(lián)構(gòu)建體中，讓對作物是中性或有利而對雜草有害的TM基因 (TM1、TM2)位于目的基因(如抗除草劑基因)的兩側(cè)，則這種轉(zhuǎn)基因花粉與近緣雜草受精后產(chǎn)生的后代雖然具有目的基因，即能抗除草劑但同時獲得的TM 基因會產(chǎn)生有害的總效應，使其難以發(fā)展成為超級雜草。即使兩個TM基因中的一個在雜交后代中消失，剩下的另一個仍會產(chǎn)生調(diào)控作用。采用轉(zhuǎn)基因遺傳調(diào)控策略后，也不能完全避免超級雜草的出現(xiàn)，因為轉(zhuǎn)基因遺傳調(diào)控技術(shù)本身也存在某種風險，這種風險性來自于TM性狀和轉(zhuǎn)基因性狀的相互分離以及TM性狀的突變失活。因此，對轉(zhuǎn)基因遺傳調(diào)控，管理部門所應關(guān)心的是該策略能使超級雜草產(chǎn)生風險的程度盡可能的降低，而不是完全避免。

2．1．3雄性不育和無融合生殖機制的利用

由于基因漂移主要是通過花粉的傳播和受精來實現(xiàn)的，釋放雄性不育品種是阻止轉(zhuǎn)基因逃逸的一種直接而有效的方法，它對既能有性生殖又能無性繁殖的一類作物 (如馬鈴薯)尤為適用。雖然這種方法并不是萬無一失的，但這類轉(zhuǎn)基因作物的釋放還是能大大降低其生態(tài)風險性。無融合生殖是生命科學領(lǐng)域里一個古老而富有活力的分支，我國在利用無融合生殖機制固定水稻雜種優(yōu)勢方面已做了大量的研究工作。在無融合生殖方式下，種子實際上是來源于營養(yǎng)體，故如果具有無融合生殖特性的轉(zhuǎn)基因作物缺乏有活力的或有親和性的花粉，就不會有轉(zhuǎn)基因逃逸的事件發(fā)生。

2．2轉(zhuǎn)基因植物中35S啟動子的生物安全性

啟動子是基因表達所必需的，它決定了外源基因表達的空間、時間和表達的強度等，是人們定向改造生物的重要限制因素。植物遺傳轉(zhuǎn)化中最常用的組成型啟動子是35S啟動子。有關(guān)35S啟動子的潛在風險問題國外有些報道：如果35S啟動子插入到原來整合到植物基因組中的隱性病毒基因組旁，可能會重新活化病毒；如果該啟動子插入到某一編碼毒素蛋白的基因上游，可能會增強該毒素的合成；當轉(zhuǎn)基因植物被動物或人類食用時，35S啟動子可能會通過基因的水平插入到某一致癌基因上游，活化并且導致癌癥的發(fā)生。

35S啟動子來源于CaMV，即花椰菜花葉病毒，這一病毒侵染多種十字花科植物。據(jù)統(tǒng)計，其中10十字花科的蔬菜、50的花椰菜已經(jīng)被不同株系的CaMV感染，每一個感染的細胞中都有數(shù)千個病毒基因組拷貝，有裸露的DNA，也有病毒粒子。假如35S啟動子具有危害的話，那么食用這些蔬菜要比食用轉(zhuǎn)基因植物的風險大得多。到目前為止，在為數(shù)眾多的轉(zhuǎn)基因植物中還沒有任何關(guān)于 35S啟動子移動的報道。因此，更多的觀點認為，某些學者質(zhì)疑的35S啟動子的安全性問題是實驗方法所造成的假象。另外，植物基因組中早已經(jīng)存在大量的可以移動的轉(zhuǎn)座因子，它們都具有較強的啟動子特性，但是并沒有引起許多隱性基因和病毒基因組的活化。另外，35S啟動子在哺乳動物中是否具有活性還沒有任何報道。

2．3載體骨架序列的生物安全性

T—DNA是指兩側(cè)邊界以內(nèi)被轉(zhuǎn)移到植物中的DNA區(qū)域，包括報告基因、標記基因、多克隆位點和啟動子一目的基因一終止區(qū)結(jié)構(gòu)。T—DNA雙元載體的骨架序列即T—DNA邊界以外的 DNA序列。目前，載體骨架序列整合到植物染色體上所導致的安全問題還不清楚，但這些序列有可能會逃逸到環(huán)境中產(chǎn)生表達有負作用的蛋白質(zhì)，而且載體骨架序列可能會影響植物正�；�因的表達和促進轉(zhuǎn)基因的重排等。為減少轉(zhuǎn)基因植物中外源非目的基因片段，可采取的措施是：①設(shè)計轉(zhuǎn)基因的特異啟動子，增強基因表達的專一性；②設(shè)計和使用小的雙元載體用于轉(zhuǎn)化(由于載體序列變小，容易產(chǎn)生單克隆位點，有利于外源DNA克隆)；③篩選只含有T—DNA的轉(zhuǎn)基因植物，在轉(zhuǎn)化植物后篩選或富集只含有T—DNA序列的轉(zhuǎn)基因植物會進一步增加可靠性；④將只含有轉(zhuǎn)基因表達所需的基本元件(啟動子、開放閱讀框架和終止序列)而不含有載體骨架序i摩廿辯幸列的線形DNA直接轉(zhuǎn)入受體細胞。目前，雖然已經(jīng)研究出很多解決載體骨架序列安全性的措施，但主要用于煙草、擬南芥等模式植物，真正要推廣應用于轉(zhuǎn)基因作物還需較長一段時間。

2．4抗生素抗性標記基因的生物安全性

抗生素抗性標記基因的生物安全問題是指其抗性基因轉(zhuǎn)移所導致的在環(huán)境中的傳播。目前，轉(zhuǎn)基因作物絕大多數(shù)都使用細菌編碼的抗生素抗性基因作為選擇性標記。由于在過去的幾年里，已經(jīng)有越來越多的報道指出細菌可以獲得對多種抗生素的抗性，這導致人們開始懷疑轉(zhuǎn)基因植物中的抗性基因是否會轉(zhuǎn)移到細菌中。有關(guān)抗生素抗性標記基因的安全性的另一個考慮是，轉(zhuǎn)基因植物中的標記基因是否會通過食物在腸道中水平轉(zhuǎn)移至微生物，從而影響抗生素治療的有效性，這種懷疑使轉(zhuǎn)基因植物的安全性討論更加復雜。編碼抗生素抗性標記基因DNA從植物細胞中釋放出來后，很快被降解成小片段，甚至核苷酸。因此，可以說植物DNA在進入有腸道微生物存在的小腸下段、盲腸及結(jié)腸前已被降解。即使DNA完整地存在，轉(zhuǎn)移并整合進受體細胞也是一個非常復雜的過程。更重要的是隨著生物技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已可將轉(zhuǎn)基因植物中的標記基因通過定位重組技術(shù)刪除，或可用更為安全的標記基因，如甘露糖-6-P-異構(gòu)酶，也可完全不用標記基因，即無標記轉(zhuǎn)基因植物，這些都將成為未來幾年內(nèi)的研究熱點。

2．5轉(zhuǎn)基因食品的安全性

迄今為止，全世界已有4O多個可能作為食品來源的轉(zhuǎn)基因植物獲得批準上市。主要包括延熟番茄，抗除草劑的玉米、棉花、大豆和油菜，抗蟲的馬鈴薯、棉花和玉米，抗病毒的西葫蘆、南瓜和番木瓜，雄性不育的玉米和萵苣以及改變油脂特性的油菜和大豆等。轉(zhuǎn)基因植物由于采用遺傳工程操作的特殊手段，可能存在無法預測的其它性狀的改變，從而帶來某些轉(zhuǎn)基因植物食品的安全性問題。轉(zhuǎn)基因食品對人類的危害如下：①可能含有已知或未知的毒素，對人體產(chǎn)生毒害作用；②可能含有已知或未知的過敏源，引起人體的過敏反應；③這種食品某些營養(yǎng)成分或營養(yǎng)質(zhì)量可能產(chǎn)生變化，使人體出現(xiàn)某種病癥。

1993年，經(jīng)濟發(fā)展合作組織(OECD)提出了食品安全性分析的實質(zhì)等同性原則，即生物技術(shù)產(chǎn)生的食品及食品成分是否與目前市場上銷售的食品具有實質(zhì)等同性。因此，隨著轉(zhuǎn)基因食品的逐步推廣，相關(guān)的安全性評估也應運而生。轉(zhuǎn)基因食品的安全評估主要包括：有無毒性、有無過敏性以及抗生素抗性等標記基因的安全性。由于人們對轉(zhuǎn)基因食品的潛在危險性和安全性缺乏足夠的預見能力，故根據(jù)國情建立一系列的轉(zhuǎn)基因食品安全管理程序和措施是十分必要的，對轉(zhuǎn)基因植物的商品化推廣，政府在尊重科學的同時也應該持有必要的謹慎態(tài)度。

3前景與展望

最近的2O年中，以植物基因工程為核心的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)雛形已經(jīng)形成，轉(zhuǎn)基因植物的商業(yè)化釋放是必然的趨勢，是不以人們意志為轉(zhuǎn)移的。眾所周知，科學技術(shù)是把雙刃劍，對它可能帶來的負效應，對生物安全問題必須引起我們的高度重視，因為基因一旦釋放，幾乎不可能收回，一時的麻痹大意會給全人類帶來滅頂之災。因此加強轉(zhuǎn)基因植物安全性研究以及加強國家對生物安全的監(jiān)控和立法是非常必要的�？梢哉f，當代生物技術(shù)的大規(guī)模應用與當年人類開發(fā)核能相類似，帶來巨大利益的同時也必然蘊涵著巨大的危險。但我們相信，隨著科學技術(shù)的逐步完善和成熟，人類一定可以合理地解決轉(zhuǎn)基因植物的安全性問題，讓科技更好地為人類服務(wù)。

作者：孫婷婷 胡寶忠 東北農(nóng)業(yè)大學生命科學學院