轉基因技術在農業上的應用

來源: 北京安必奇生物科技有限公司   2019-11-18   訪問量:942評論(0)

什么是轉基因技術?

轉基因技術屬于植物基因工程技術的一種,是將人工分離和修飾過的基因導入到生物體基因組中,通過外源基因的穩定遺傳和表達,從而使生物體具備自己本身并不具備的性狀,從而使其更好地滿足人們的需求。這里所說的基因不是憑空捏造的基因,而是在自然界中某些物種中特異存在的基因。如美國2015年批準上市的轉基因鮭魚。野生的鮭魚肉質鮮美,但生長速度過于緩慢,往往需要4~5年才能上市;而另外一種大馬哈魚其生長速度雖然快,但是肉質并不受人們的歡迎,所以科學家找到這種魚里面決定快速生長的基因,并將其轉入野生的鮭魚中,從而培育了生長速度既快肉質又鮮美的轉基因鮭魚,從而更好地滿足了人們的需求。又如普通棉花對棉鈴蟲的抵抗能力很差,而轉入蘇云金芽孢桿菌Bt基因的棉花對棉鈴蟲的抵抗能力顯著增強。

轉基因技術分類

人們總是會有一個疑問,會不會我們吃了轉基因的食物,這個基因也會轉到我們的體內呢?其實,一個基因從一個物種的基因組轉移到另外一個物種的基因組中去,需要特別的技術,也就是我們所說的轉基因技術。絕對不可能簡單通過食入等方式就能實現轉基因!根據生物種類不同,轉基因技術主要分為三類:植物轉基因技術、動物轉基因技術和微生物轉基因技術,下面我們來一一進行介紹。

目前,植物轉基因技術主要包括農桿菌介導法、基因槍法、聚乙二醇(PEG)介導法、電激穿孔法和花粉管通道法。

農桿菌介導法:農桿菌介導法是先將插入目的基因的植物表達載體轉入農桿菌中,然后通過農桿菌侵染植物,即將根癌農桿菌的Ti質粒或發根農桿菌的Ri質粒上的目的基因導入植物受體細胞并整合到其基因組中,從而完成目的基因的轉化。農桿菌是一種革蘭氏陰性菌,能在自然條件下感染大多數的雙子葉植物的受傷部位,并可誘導植物產生冠癭瘤或發狀根。我們日常在地里看見的許多雙子葉植物靠近地面的根莖交界處的一種帽狀腫瘤,就是由農桿菌感染造成的。現代分子生物學研究發現,農桿菌的細胞中含有一種特殊的質粒,分別為Ti質粒或Ri質粒。當農桿菌侵染植物的傷口時,這種質粒可以把其中的一段包含多個基因的DNA轉入植物細胞并插入到植物基因組中(我們把這一段DNA稱為T-DNA),這些轉入到植物基因組的基因的表達導致了植物的冠癭瘤或發狀根的產生。但是,科學家只想把需要的基因轉入植物細胞,并不想讓植物產生冠癭瘤或發狀根,于是科學家對T-DNA做了修改,去除了其中能致瘤的基因,把需要的外源基因插入到T-DNA中,這樣轉入到植物細胞基因組中的T-DNA便包含了我們需要的目的基因,也不會使植物產生冠癭瘤或發狀根,從而實現對植物細胞的轉基因。農桿菌介導法是目前為止應用最早、研究最深入、應用最廣泛,技術相對成熟、有效的轉基因方法。自1983年首次運用農桿菌介導法獲得轉基因植物以來,科學家相繼利用該方法成功獲得了番茄、牽牛花和油菜花等轉基因植株。

基因槍法:基因槍法是美國康奈爾大學生物化學系Sanford首先提出來的,該法也被稱為粒子槍法、高速微彈法等。其原理是用鎢粉或金粉等金屬微粒包裹外源DNA,利用高壓放電或高壓氣體作為驅動力使金屬微粒高速運動擊入受體細胞或組織中,從而將外源目的基因整合到植物基因組中并培育出轉基因植株。與農桿菌介導的轉化法相比,基因槍法不受植物是否單子葉或雙子葉類型的限制,且其載體質粒的構建也相對簡單,但基因槍法產生的轉基因植物中外源基因的表達不穩定,且成本較高,需要特殊的設備。

聚乙二醇介導法:聚乙二醇(PEG)法是由Dayey等在1980年首次建立的。它的原理是在高pH條件下的PEG與原生質體(脫去全部細胞壁的細胞)融合,原生質體膜的通透性發生改變,增強了原生質對外源DNA的吸收,使目的基因整合到原生質體的基因組上并使之發生特異表達。該法對細胞的副作用小,轉化的穩定性、重復性好,并能實現一次轉化多個原生質體,但是該法的轉化率較低。因為PEG對原生質體有一定的毒害作用,所以該方法不能用于原生質培養,也不能用于再生困難的植物。

電激穿孔法:Michael等人于1985年首次使用電激穿孔法進行轉基因,在1400V的高壓條件下處理細胞質膜,使外源基因導入,在培養2~4天后的原生質體中檢測到外源基因的瞬時表達。電激穿孔法的原理是當植物細胞受到外界高壓電擊時,細胞膜會出現非對稱穿孔,但這種開放小孔的出現是具有可逆性的,解除電擊后這些小孔會關閉,所以在此期間要利用這種小孔作為外源基因導入細胞的通道,從而使目的基因導入并整合到受體細胞的基因組上。到目前為止,電激穿孔法相繼成功地應用于煙草、番茄、玉米、大豆、小麥和馬鈴薯等植物原生質體的轉化。該法操作相對簡單,但是轉化效率較低。

花粉管通道法:1983年科學家周光宇通過研究我國遠緣雜交提出了DN**段雜交的假設,為花粉管通道法提供了理論基礎,并首次通過花粉管通道法將海島棉基因轉入陸地棉,并培育出抗枯萎病棉花新品種。該法的主要原理是在植物開花之際,向植物花器的子房中注入含外源目的基因的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導入受精卵細胞,并進一步整合到植物細胞的基因組中,然后隨著受精卵的發育而產生轉基因的新個體。該法最大的優點是不依賴植物組織培養,無需特殊儀器設備,技術簡單,但是該法的重復性還有待于進一步提高。

目前微生物轉基因方法主要包括氯化鈣(CaCl2)法和電轉法。

氯化鈣(CaCl2)法:該法最先由Cohen于1972年建立。其原理是細菌處于0℃ CaCl2的低滲溶液中,細菌細胞膨脹成球形,轉化混合物中的DNA形成抗DNA酶(DNase)的羥基-鈣磷酸復合物黏附于細胞表面,經42℃短時間熱沖擊處理,促使細胞吸收DNA復合物,在適當的培養基上生長數小時后,球狀細胞復原并分裂增殖,被轉化的細菌中,重組子中基因得到表達,在選擇性培養基平板上,可選出所需的轉化子。Ca2+處理的感受態細胞,其轉化率一般能達到5×106~2×107轉化子/μg質粒DNA,可以滿足一般的基因克隆試驗。如在Ca2+的基礎上,聯合其他的二價金屬離子(如Mn2+、Co2+)、DMSO或還原劑等物質處理細菌,則可使轉化率提高100-1000倍。化學法簡單、快速、穩定、重復性好、菌株適用范圍廣,感受態細菌可以在-70℃保存,因此被廣泛用于細菌外源基因的轉化。

電轉法:電轉化的研究始于20世紀70年代。1979年首次實現了細胞電融合,1980年成功地應用于質粒導入。電轉化的基本原理是,當細胞放在電場中,細胞膜起著電容器的作用,電流不能通過離子通道,隨著電壓升高,細胞膜組分被極化,并在細胞膜兩邊產生電位差。當電位差超過某一臨界水平,細胞膜局部被擊穿,形成一些瞬時的孔洞,孔徑大小足以讓大分子和小分子如(ATP)進入或從細胞中排出。如果電場強度和脈沖持續時間不超過臨界限度,這種通透性是可逆的,否則細胞會遭到不可逆的損傷或死亡。

目前比較常用的動物轉基因技術包括核顯微注射法、精子介導的基因轉移法、核移植轉基因法和逆轉錄病毒法。

核顯微注射法:在顯微鏡下,用一根極細的玻璃針(直徑1~2微米)直接將外源DNA注射到受精卵的細胞內,注射的外源基因與受精卵基因組融合,然后進行體外培養,最后移植到受體動物子宮內發育。這樣隨著受體動物的分娩就可能產生轉基因動物個體。核顯微注射法是動物轉基因中最常用的方法,但其存在效率低、表達不穩定、需要大量的動物供體和受體動物等缺點。

精子介導的基因轉移法:該方法是把動物精子作適當處理后,使其攜帶外源基因(DNA分子結合到精子上不是隨機的,精子具有自發捕獲外源DNA的能力。DNA與精子結合后發生內化和整合,部分結合到精子上的DNA被內化進入精子內,并能與精子核骨架穩定結合,從而實現精子介導的基因轉移)。然后用攜帶外源基因的精子給發情母畜授精,在母畜所生的后代中,就有一定比例的動物是轉基因個體。同顯微注射方法相比,精子介導的基因轉移法具有成本低且無需對受體動物進行特殊處理的優點。

核移植轉基因法:先將基因導入到體外培養的體細胞中,篩選獲得帶外源基因的體細胞。然后將其細胞核取出,移植到去掉細胞核的卵細胞中,生產重構胚胎。將重構胚胎再移植到母體中,從而產生轉基因動物。體細胞核移植是一種相對比較新的動物轉基因技術。

逆轉錄病毒法:利用逆轉錄病毒DNA的LTR區域具有轉錄啟動子活性這一特點,將外源基因連接到LTR下部進行重組后,包裝成高滴度顆粒,去直接感染受精卵,或微注入囊胚腔中,隨后將攜帶外源基因的逆轉錄病毒DNA整合到宿主染色體上。該方法的優點是操作簡單、外源基因的整合效率較高,動物病毒所具有的啟動子不但可以引發一些選擇標記基因的表達,還能引發所導入的外源基因的表達。但是反轉錄病毒載體容量有限,并且外源基因難以植入生殖系統,成功率較低。

由以上轉基因方法我們可以知道,基因從一個物種轉移到另外一個物種需要經過特殊的加工和處理過程才能實現基因的轉移。把基因轉入微生物是比較容易實現的,但是把基因轉入植物和動物比較難以實現,在把基因轉入植物和動物的過程中,即使這些基因經過了特殊的加工和處理,我們也要從成千上萬的實驗樣本中才能挑選出整合了目標基因的轉基因個體。所以只是通過簡單的吃轉基因食品是不可能被轉基因的!之所以有這么多的謠傳,都是因為大家對于轉基因不了解導致的。

轉基因產品

轉基因產品是采用轉基因技術改造后的生物體及加工產品,主要包括轉基因生物和轉基因食品。轉基因生物是指經轉基因技術修飾的生物體,常被稱為“遺傳修飾過的生物體”(Genetically modified organism, 簡稱GMO),包括轉基因植物、動物和微生物,如轉基因棉花、大豆,轉基因鮭魚、轉基因奶牛等;轉基因食品是指利用轉基因技術改良的動物、植物和微生物所制造或生產的食品、食品原料及食品添加物等,如現在市場上售賣的轉基因植物油等。

因為轉基因技術可以高效精準地把某個基因從一個物種轉移到另一個物種,打破了物種之間的生殖隔離(理論上來說各個物種間的基因都可以通過轉基因技術實現相互交換,植物的基因可以轉給動物,動物的基因也可以轉給植物,而這在過去是不可能的),所以從20世紀80年代科學家成功運用轉基因大腸桿菌生產胰島素以來,轉基因技術在農業、工業、醫療等領域得到了十分廣泛的應用。隨著人口的增加以及生活質量的提高,社會對農業提出了越來越高的要求,我們需要更多和更高品質的食物。農藥的使用會對人體和環境造成極大的傷害,各種疫病每年都會造成上億的損失,隨著生活質量的提高,現在人們不僅僅滿足于吃飽,更加注重營養的均衡、食物的口感等,所以現在轉基因技術也被用于培育具有優良性狀的品種,如抗除草劑的轉基因大豆、抗蟲轉基因玉米、富含β-胡蘿卜素的轉基因大米、抗結核病的轉基因牛等,充分發揮轉基因農產品產量大、質量優的優點。到2018年為止,全世界轉基因作物種植面積已超1.9億公頃,種植的作物主要為大豆、玉米、棉花、油菜等,而我國批準商業化種植的只有轉基因抗蟲棉花和轉基因抗病毒番木瓜,轉基因鮭魚是目前為止世界范圍內唯一批準上市的轉基因動物食品。下面對各類轉基因產品進行一一介紹。

抗蟲轉基因植物:各種害蟲如棉鈴蟲、蚜蟲等每年給農業造成了巨額損失,而傳統的殺蟲方法是使用化學殺蟲劑,化學殺蟲劑過多的使用不僅會導致高額的種植成本,而且會影響人體的健康,人們需要一種新的抗蟲方法。轉基因技術的出現使得這種新的抗蟲途徑得以實現。抗蟲轉基因植物是指轉入了抗蟲基因的植物,因為轉入了抗蟲基因,植物本身便能對害蟲產生免疫,從而減少了化學殺蟲劑的使用。目前常用的抗蟲基因主要有Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、植物凝集素基因、淀粉酶抑制劑基因等,抗蟲Bt基因是產業應用的重點。Bt毒素是由蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis)自然產生的一個種類繁多的蛋白質毒素家族,其本身沒有毒性,因鱗翅目昆蟲幼蟲腸道中存在Bt蛋白受體,當Bt蛋白與其結合時會使幼蟲因腸道穿孔而死亡,但人的腸道缺乏Bt蛋白受體,所以對人卻是完全無毒的。

抗病轉基因植物:抗病轉基因植物是近年來轉基因植物研發的重點。和害蟲一樣,各種植物病毒、細菌、真菌每年不僅給農業造成巨額損失,而且農藥的過量使用不僅提高了種植成本,也會對人體和環境產生傷害。通過轉入抗病基因不僅節省成本,也減輕了對人體和環境的傷害。目前常用的抗病基因有植物病毒的外殼蛋白基因、病毒復制酶基因、核糖體失活蛋白基因、干擾素基因、非植物起源的殺菌肽基因如擬南芥RPS2基因和番茄PTO基因等。除了商業化生產的抗病毒番木瓜,到目前為止已相繼培育出了抗紋枯病、稻瘟病水稻,葡萄孢菌抗性煙草,抗炭疽病、白粉病和角斑病草莓,抗麻風病、柑橘潰瘍病和青果病柑橘等。

抗除草劑轉基因植物:雜草是在種植農作物時不得不面對的一個大問題,雜草作為作物的競爭者會競爭作物的生存空間和養分,極大降低了作物的產量。而現行的除草方法是使用化學方法除草,所謂傷敵一千,自損八百,化學除草劑的使用雖然除去了雜草,但同時也會對環境和土壤造成危害。于是科學家便嘗試把抗除草劑的基因轉入植物內,培育抗除草劑的植物。到2017年為止,已經有200多例抗除草劑作物進入產業化,占轉基因作物種類總數的70%左右,包括抗草甘磷的大豆、玉米、棉花、油菜、向日葵、甜菜、水稻;抗咪唑啉酮的玉米、油菜、甜菜、水稻;抗磺酰腺類的大豆、棉花;抗溴苯*的棉花、煙草等。中國已獲得的抗除草劑轉基因作物有抗Basta(一種除草劑)水稻、小麥、煙草、油菜、芝麻;抗阿特拉津大豆;抗溴苯*油菜、小麥及抗草甘磷小麥等。BAR基因產物因能對草甘磷進行修飾,是迄今為止用得最多的一個抗除草劑基因,已成功地用于小麥、水稻、玉米、大麥、油菜等作物的遺傳轉化。另外,作為選擇標記基因,抗草甘磷的AROA基因、抗溴苯*的BXN基因和抗綠磺隆的CSRL基因等也成功用于不同作物的遺傳轉化。

抗非生物逆境轉基因植物:隨著人口的增加,一定面積的土地需要養活的人口也在不斷增加,世界范圍內適合耕種的土地是有限的,大部分土地并不適合耕種,比如高寒地帶、高鹽堿地帶等,如果能夠在這些地方進行作物種植,那么將會極大緩解目前的糧食短缺問題。事實上目前的抗非生物逆境轉基因植物研發工作主要集中在抗旱、耐鹽堿、抗高溫、耐低溫轉基因植物上。山東師范大學生物學院實驗室已培育出耐鹽轉基因番茄、大豆、水稻、速生楊;孟山都公司已經在美國西部推廣種植全球第一例耐旱轉基因玉米;科學家還成功地將北冰洋比目魚的抗凍基因導入草莓中,獲得的轉基因抗凍草莓已在美國上市銷售。其它已經培育的抗凍植物包括抗凍西紅柿、抗凍煙草等;目前的研究還發現通過轉入耐鹽堿的基因,玉米的耐鹽堿性也得到了一定的提高。

品質改良轉基因植物:轉基因技術還可以用來提高植物的營養價值(提高蛋白品質、提高能量品質、提高維生素含量、提高微量元素含量),改善食物的口感等。其中最為著名的可能就是黃金大米了,對于發展中國家而言,維生素A的缺乏是導致兒童失明的首要原因,于是科學家將與β-胡蘿卜素合成相關基因轉入水稻中,從而培育了顏色金黃的黃金大米,該大米可以極大改善兒童維生素A缺乏的癥狀。科學家還利用轉基因技術在植物中表達編碼半乳糖內脂脫氫酶的基因,從而提升了植物的維生素C的含量;將玉米種子中富含必需氨基酸的基因導入馬鈴薯中,使得轉基因馬鈴薯莖塊中的必需氨基酸含量提高了10%以上。到目前為止還培育出了增加花青素的轉基因柑橘,增加葉酸的谷物(如水稻、小麥、高粱等)和非谷物(如馬鈴薯、香蕉等);科學家還培育了富含ω-3脂肪酸健康因子的轉基因芥藍籽;2017年,美國批準了轉基因菠蘿的商業化,該菠蘿使番茄紅素大量積累并呈現粉色,比黃心菠蘿具有更高的抗癌、保護心血管及防治多種疾病的功效。

復合性狀轉基因植物:如果一種植物不僅營養豐富、口感好,還可以抵御各種病蟲害和各種非生物逆境,那么它將會極大降低生產成本,豐富人們的物質生活。事實上利用多基因聚合獲得復合性狀轉基因植物是目前轉基因植物研究領域內的重點和熱點。美國孟山都公司已經與陶氏公司合作研發出了八重抗逆抗蟲特性的組合品種SmartStax,該品種可以一并防治地上地下昆蟲并且抗廣譜除草劑。加拿大批準了還原糖水平降低、丙烯酰胺減少、具有損傷抗性的復合型轉基因土豆的商業化。

其它轉基因植物:其它的轉基因植物包括控制果實成熟的轉基因植物、提高產量的轉基因植物、耐儲藏及養分高效利用的轉基因植物等。比如通過轉入控制乙烯合成的關鍵酶基因,可延長某些水果和蔬菜瓜果的保鮮期;利用轉基因技術可以提高黑麥草的代謝能力,使產量增加約40%;利用轉基因技術獲得的耐損傷及防褐化的轉基因馬鈴薯可以變得更加耐儲藏;可以通過轉入編碼鐵調節蛋白促進植物的微量元素攝取等。

目前為止世界范圍內批準上市的轉基因動物產品只有轉基因鮭魚,但是轉基因技術在動物的抗病育種和品質改良方面也取得了重要進展。

抗病轉基因動物:各種疫病如口蹄疫、禽流感、牛結核病等的爆發每年給畜牧業造成了成千上萬億的損失,尤其是人畜共患的疫病如瘋牛病和布氏桿菌病不僅給農業造成重大損失,還威脅著人們的生命和健康。隨著轉基因技術的出現,運用該方法去培育具有強抗病能力的新品種將會是控制這些疾病傳播的全新的高效的手段。到目前為止已培育的抗病品種包括抗禽流感的轉基因雞、抗藍耳病的轉基因豬、抗布氏桿菌病的轉基因羊、抗結核病的轉基因牛等。

品質改良轉基因動物:近些年來,利用轉基因技術培育產肉量、肉品質、產毛率及毛品質提升的家畜新品種一直是動物轉基因領域的研究重點。2015年,美國批準上市了目前唯一的轉基因動物食品—轉基因鮭魚,該魚的生長速度比普通的鮭魚要快一倍左右。科學家將腸乳糖酶基因轉入奶牛中,培育了能生產低乳糖或無乳糖乳汁的轉基因奶牛(多數人不能完全消化乳糖或對乳糖存在過敏現象);此外,科學家通過過表達FSH基因提高了公豬的生精能力。

轉基因技術在其它領域的應用:除了農業領域,轉基因技術在其它領域也得到了廣泛應用。在工業領域主要用轉基因技術來制作食品添加劑、培養各類益生菌等。在醫療方面,目前最為火熱的研究集中在“molecular farming”、動物乳腺反應器等,科學家把相應的目的基因轉入動植物,利用動植物本身的功能來制備相應的蛋白、疫苗、藥物等,以解決部分蛋白、藥物在制作、提取等方面存在的倫理學、社會學難題;此外,轉基因動物模型的構建也是當前研究的重點;科學家還利用轉基因微生物來降解塑料、用轉基因技術來培育生物質能源植物新品種等。

轉基因技術在農業應用上的展望

人口增加所造成的糧食短缺、資源匱乏、環境惡化等全球性問題正對傳統農業提出了嚴峻挑戰,我們需要更加高產、抗逆性更強的植物和動物品種。傳統的雜交育種方式培育一個品種往往需要幾代甚至幾十年的時間才能完成。相比于傳統的育種方式,轉基因技術可以精準地把一個基因轉入到目標生物體內,可以極大縮短培育新品種的時間,且轉基因技術可以打破物種間的生殖隔離,實現不同物種間的基因交流。在過去幾十年中,轉基因植物的種植面積越來越大,雖然到目前為止上市的轉基因動物只有轉基因鮭魚,但是已有很多種轉基因動物已經進入評估階段,而且表現出了優異的表型特征,具有良好的產業化前景。公眾對于轉基因知識不了解,使得轉基因受到了很多質疑,但是在過去幾十年中轉基因技術對農業的巨大貢獻是毋庸置疑的。我們有理由相信,科學家會用好轉基因技術,讓轉基因技術更好地造福人類。



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