转基因作物安全性的解决方法研究进展

技术与方法生物技术通报BI OTEC HNOLOG Y BULLETI N2009年第8期转基因作物安全性的解决方法研究进展王艳辉1,2张晓东2(1首都师范大学生命科学学院,北京100048;2北京市农林科学院生物中心,北京100097)摘 要: 随着转基因技术的不断发展,转基因作物的种植面积逐年扩大。

转基因技术在解决全球不断增长的粮食需求和保障农业的可持续发展等方面发挥了重要作用。

然而,人们对转基因作物和转基因食品的安全性一直存在争议。

为了解决这个问题,科学家研究出了多项分子技术来消除转基因带来的潜在威胁,尤其是近几年出现的 外源基因清除技术 ,有望成为解决该问题的有力工具。

综述了几种解决转基因作物安全性问题的方法及其最新进展,并对几种方法进行了优缺点分析。

关键词: 转基因作物 安全性 解决方法 标记基因 目的基因Advance m ent on the Security Strategy of Transgenic CropsW ang Y anhu i 1,2Zhang X iaodong2(1Co lle ge of Li f e Science ,Cap italN ormal Universit y,Beiji ng 100048;2Bei jing Agro -b i o t echnol ogy Researc h Center ,B eiji ng A c ade my of Agric ult ure and F orestry Sciense ,Bei j i ng 100097)Abstrac:t A long w ith the deve l opi ng o f transgen i c techno l ogy ,the a rea of transgenic crops is enlarg i ng year by year T ransgen ictechno logy plays an i m portant ro le i n reso l v i ng the g l obal i ncreasi ng need fo r food supplies and ensur i ng susta i nable develop m ent of agr-i culture H ow ev er ,people have dispu ted on the secur it y of transgenic crops and food T o reso lve the proble m,scien tists have stud i ed severa lm o lecu l ar techno l og ies to avo i d t he threat brought by transgene Especiall y ,the g ene -de letor technology i s li ke l y t o be used as a powerfu l tool t o m ake geneti ca lly m odified crops safer t o g row and to consu m e T his paper described a few strateg ies on t he safety of transgen i c crops ,and a l so discussed the ir advan tages and d isadvan tagesK ey words : T ransgen i c crop Secu rity problem Strategy M arke r gene T a rget gene 收稿日期:2009-03-10基金项目:北京市重大项目 转基因育种平台 课题(D08070503010000)作者简介:王艳辉(1986-),女,硕士,研究方向:植物基因工程;E-m ai:l wyanh2008@yahoo co m cn 通讯作者:张晓东,E-m ai:l z h angxiaodong @baafs net cn转基因植物自从1983年首次成功后,至今已有35科120多种植物转基因获得成功[1]。

1986年首批转基因植物被批准进入田间试验,至今国际上已有30个国家批准数千例转基因植物进入田间试验,转基因农作物的产业化,带来巨大的经济效益和社会效益。

许多转基因作物如大豆、西红柿、抗虫棉等早已在大田生产,并走进了千家万户的日常生活[2]。

根据农业生物技术应用国际服务组织(I SAAA )发布的年度报告,2006年全球转基因作物种植面积猛增1200万hm 2,首次突破1亿h m 2大关。

1996~2006年10年间,转基因作物种植面积增长了60倍。

2007年全球转基因作物种植面积达到1 143亿hm 2,较2006年增长了12%。

全球有50多个国家或地区开展了转基因作物种植试验,其中美国、阿根廷、巴西、加拿大、印度和中国的转基因作物种植面积占全球种植总面积的95%[3]。

转基因技术之所以发展这么迅猛,主要是因为这项技术可提高作物产量,改善品质,减少除草剂、杀虫剂等农药使用量,节省大量劳动力,在解决全球不断增长的粮食需求和保障农业的可持续发展等方面发挥了重要作用,而且在缓解世界能源危机问题也将作出巨大贡献[4]。

目前,全球转基因作物种类主要有抗除草剂转基因作物、抗虫转基因作物和抗病转基因作物等[3]。

2009年第8期王艳辉等:转基因作物安全性的解决方法研究进展然而,转基因技术是把 双刃剑 ,在享受它带来的的科学发展、经济效益和社会效益的同时,社会公众也日益关注转基因作物及其产品对生态环境和人类健康造成的的安全性问题。

转基因作物的外源基因可能会通过花粉和种子等途径在种群之间扩散,产生 超级杂草 ,从而对生态环境和生物多样性造成危害。

而且,关于转基因作物和以转基因作物为原料制造的转基因食品对人体的影响一直争论不休,在世界一些国家和地区,如欧洲和日本等地,对转基因产品抵触的人数比例较大,2006年在欧洲调查的人群中有58%的人认为转基因食品 不应该被鼓励 。

人们对转基因植物安全性问题的争论和担忧严重地影响转基因植物的商业化推广和应用。

除非解决了人们对转基因植物和转基因食品的恐惧和担忧问题,否则公众对应用新型生物技术的抵触,将会严重阻碍农业生物工程的进一步发展[4]。

1 转基因作物潜在的主要安全性问题在转基因植物中,导入植物体内的外源基因通常包括两类:一是标记基因,它能赋予转基因植株抗抗生素或抗除草剂等特性,在转基因过程中的使用大大提高了转基因植物筛选的效率。

二是目的基因,它是用来优化或赋予植物特定性状的基因[2]。

转基因作物引发的安全性问题也主要来自这两方面。

1 1 选择标记基因带来的安全性问题为了将转基因细胞和非转基因细胞分开,在构建质粒载体时,人们常常把一类对抗生素类或除草剂类具有抗性的基因作为选择标记基因引入T-DNA,与目的基因一同转化到植物细胞。

在组织培养过程中,培养基中加入抗生素或除草剂后,转化细胞可以正常生长,而非转化细胞在抗生素或者除草剂的作用下死亡,从而获得阳性转化细胞,进而分化、再生获得转基因植株[5]。

但遗憾的是,转基因一旦成功后,选择标记基因便不再发挥作用,反而变成了潜在的危险。

选择标记基因引起的最大的争议就是转基因逃逸问题,即导入植物的标记基因与其野生近缘种等非目标生物间的基因流动[6]。

具有除草剂抗性的转基因作物的花粉可能会飘落到杂草或近缘野生品种上,使这些杂草和野生品种具有除草剂抗性,经过多次转移后可能成为 超级杂草 ,从而破坏整个生态系统。

自20世纪90年代以来,已经有多例试验证实外源基因可以通过花粉逃逸到非转基因的对照植株中[6]。

这些问题一旦发生,会引发严重的生态灾难。

另外,人们还担心抗生素类选择标记基因会影响抗生素类药物的治疗效果。

1 2 目的基因带来的安全性问题无论是抗除草剂转基因作物和抗病虫害转基因作物,目的基因的引入都会带来安全隐患,对生态环境造成严重破坏。

抗除草剂基因的逃逸会产生超级杂草,抗虫基因的引入会使昆虫对该类转基因作物产生抗性。

沈法富等[7]研究表明,转基因棉花B t基因流在陆地棉品种间以及陆地棉和海岛棉间发生了转移。

一些抗病毒基因逃逸到其他土壤微生物也可能产生新的致病性病毒。

而且由于导人外源目的基因,转基因作物已经突破了传统的界、门概念,具有普通物种不具备的优势特征。

作为外来品种进入自然生态系统,往往具有较强的 选择优势 ,可能会影响植物基因库的遗传结构,导致野生等位基因的丢失而淘汰原来栖息地上的物种和其它遗传资源,乃至影响农业生态系统中有益天敌生物的种类和种群数量,使生物多样性丧失[3]。

这些隐患的存在使人们更加关注转基因作物的安全性问题。

2 解决转基因作物安全性问题的方案为了消除潜在的基因扩散可能引起的生态危害和转基因食品安全性问题,同时也为提高人们对转基因植物的认同和接受,国内外学者做了大量有益的探索工作,并出现了一些成功的先例。

2 1 从选择标记基因出发从理论上讲,提高转基因植物中标记基因的安全性有3种方法:一是转化时使用抗性标记基因,转基因成功后将该基因彻底剔除;二是使用安全的选择标记基因;三是完全不使用选择标记基因[2]。

2 1 1 抗性标记基因的剔除技术 在转基因过程中,筛选后仍保留在转基因植物体内的抗性标记基因不仅影响了二次转化,而且带来了许多潜在的危害,加剧了人们对转基因植物安全性的焦虑。

为此,近年来已发展了共转化法、位点特异重组系统、转座子和同源重组系统等剔除标记基因的方法。

共转化法是将选择标记基因和目的基因分别构51生物技术通报B iotechnology Bulletin2009年第8期建在不同的载体或同一载体的不同位点上,一起转化受体细胞,通过筛选和分子鉴定获得二者共整合的转基因植株,其中一部分转化植株中标记基因和目的基因是不连锁的,以此为研究对象再经后代的有性分离获得仅含目的基因的转基因植株[2]。

Ko m ari等[8,9]用超级双元质粒载体获得了无选择标记的转基因水稻植株[5]。

沈革志等[10,11,5]用混合菌液转化愈伤,分离得到只含目的基因的转基因株系。

尽管通过农杆菌介导法共转化以及后代的有性分离可以获得无标记基因的植株,但是由于该方法必须经过有性世代,其使用还是受到了一定的限制。

因此,它不仅费时,而且无法适用于无性繁殖的品种。

位点特异性重组系统是指通过重组酶作用于两个特定DNA序列实现重组。

该系统由重组酶及其识别位点组成,当两个识别位点正向排列时,重组酶可专一性地催化切除两个识别位点之间的序列[2]。