農業轉基因品種利用現狀及展望

葛啟福

【摘要】隨著中國轉基因核心技術取得突破，已初步建立起水稻、棉花、油菜、玉米、大豆、花生、楊樹等主要農作物和林草、花卉、果樹等高效、安全轉基因技術體系。中國轉基因品種得到大面積推廣應用的作物首推棉花。目前轉基因育種的主要手段有農桿菌介導轉化法和外源基因直接導入法。外源基因直接導入法主要有電激法、PEG法和顯微注射法。近年來發展起來的還有基因槍法、激光微束穿刺法、真空滲入遺傳轉化法和花粉介導法等。隨著轉基因安全性評估的逐步完善，轉基因育種將在農業生產中發揮越來越重要的作用。

【關鍵詞】轉基因育種；方法；安全性

所謂農業轉基因育種就是根據育種目標，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ＤＮＡ重組與整合或直接運載進入受體作物的基因組，獲得穩定表達的轉基因株，再進入田間試驗，培育成農業生產上能應用的轉基因新品種，并實現大面積推廣。轉基因育種相對于傳統的雜交育種、誘變育種和多倍體技術育種來說，不僅縮短了育種周期，而且能準確地選擇任何一個目的基因 (植物、動物乃至人類 )，從而打破了遺傳物質分類上門、綱、目、科屬的界限，實現了基因的轉移，大大拓寬了作物遺傳改良可資利用的基因來源。應用轉基因技術獲得的高產、優質、抗逆的轉基因作物新品種為實現農業可持續發展開辟了嶄新的途徑。

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

1.農業轉基因品種利用現狀

在中國，轉基因品種得到大面積推廣應用的作物首推棉花。據統計，在2006年，中國有680萬小型農戶種植了350萬公頃的抗蟲棉，占到全國棉花種植總面積的66%。到2007年，中國已經有710萬農民種植了轉基因棉花，不僅獲得可觀的經濟增收，更減少了40萬噸的農藥排放。

從經濟效益來看，根據通常的方法計算，種植轉基因抗蟲棉每畝比對照可平均增產7.5千克皮棉，按10元/千克計，每畝可增收75元；每畝減少農藥投入50元、減少人工投入計工費30元，也就是說，推廣轉基因抗蟲棉，每畝可增收節支155元。

除了在棉花種植中應用生物技術外，中國的安委會還在2006年建議批準了抗環斑病毒的轉基因番木瓜，中國正在考慮批準轉基因水稻的種植，而且有望在頒發了生物安全證書、并獲得品種審定、種子生產經營許可證后，轉基因水稻的種植將通過審批。

轉基因水稻，是根據某種特殊需要在水稻中引入特殊基因。現在申請商業化生產的是幾種抗蟲的轉基因水稻。其中一種Bt轉基因水稻，是在水稻中引入一種特殊基因后，產生一種蛋白，這種蛋白會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，可以使水稻田的農藥使用量大大減少。

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

油菜是重要的油料作物，對油菜的改良是育種家們長期努力的目標。據報道，1998年全球轉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年全球轉基因作物面積為43680hm2，占全球作物種植面積的16％。多年來，許多育種工作者試圖采用傳統的育種手段來獲得油菜良種，但進展十分緩慢。隨著基因工程技術的發展，人們愈來愈傾向于通過基因工程的手段改良油菜的產量、品質及抗逆性。2003年，我國首個轉基因油菜產業化項目通過了由中國農科院、浙江省農科院等６家科研院所的科學家組成的專家組論證。

1996年春，美國伊利諾伊西部許多農場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。這個新大豆品種可以抵抗殺草劑——草甘膦（毒滴混劑）。草甘膦會把普通大豆植株與雜草一起殺死。以后，隨著國際上農業轉基因技術的迅速發展，全球轉基因大豆的種植面積迅猛發展。2001年，全球轉基因大豆的種植面積達到3300萬公頃，占大豆種植面積的46%。

2.轉基因育種的主要手段和方法

在植物基因工程研究中，關鍵步驟之一是通過特定的方法將外源基因導入受體植物細胞內，使之發生定向的、永久性的遺傳變異，即所謂的植物遺傳轉化。為了方便有效地將外源基因導入植物體內，人們不斷地探索、發展新的植物遺傳轉化方法。目前應用到農業轉基因中的遺傳轉化方法主要有農桿菌介導轉化法和外源基因直接導入法。

2.1 農桿菌介導轉化法

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

2.2 外源基因直接導入法

在油菜的遺傳轉化中，有越來越多的研究傾向于采用外源基因直接轉化法，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。近年來發展起來的還有基因槍法、激光微束穿刺法、真空滲入遺傳轉化法和花粉介導法等。

2.2.1 電激法

電激法最初是從哺乳動物細胞轉化中發展起來的一門新技術，后來用于植物細胞的遺傳轉化。國外最早報道是1985年美國的Michael等將其用于植物轉基因上。Chapel和Gimelius利用電激法將B一葡萄糖醛酸酶基因(gus)導入甘藍型油菜的葉肉原生質體中，建立了瞬時表達系統。Guerche等(1987)利用此法將含卡那霉素抗性基因nptH導入甘藍型油菜中。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胞中，而獲得轉基因再生植株的一種方法。顯微注射法多年前在動物中就已獲得成功，由此促進了它在植物細胞中的應用。Neuhaus等以甘藍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注入細胞中。但這一方法需以精細的顯微操作技術和細胞低密度培養為基礎，并且必須建立固定植物細胞或原生質體的技術。

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力，用微粒對植物進行轟擊而將其上的外源基因帶入到植物細胞內，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化中已有成功的報道。Fukuoka等(1998)利用基因槍法轉化甘藍型油菜小孢子并獲得可育的轉化植株。國內方面，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導入油 菜葉綠體中獲得4株轉基因植株。但基因槍方法的缺點是轉化效率低，一般在0．1％-1％范圍內，增加了選擇的難度，且費用昂貴。

2.2.4 真空滲入遺傳轉化法

真空滲入遺傳轉化法是一種簡便、快速、且無需經過組織培養階段即可獲得大量轉化植株的基因轉化方法。在油菜的遺傳轉化方面，目前國內已有成功的報道。

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的激光微束對組織進行穿刺，引起細胞膜的可逆性穿孔，從而導入外源DNA的一種基因直接轉化技術。早在1987年，Weber等就利用微束激光將熒光素標記的外源??DNA導入葉綠體中。這一技術操作簡便，轉化頻率高，定位準確，對細胞損傷小以及外植體適用性廣泛等優點。利用激光微束穿刺法導入植物的外源基因還有一些報告基因、篩選標記基因和抗病基因，侯丙凱首次報道利用激光微束穿刺法將殺蟲蛋白基因導入油菜，并獲得抗蟲轉基因植株的研究結果。

2.2.6 PEG法

PEG融合法操作簡單，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生，而且不需要昂貴的儀器設備。其缺點是仍需進行原生質體培養、處理時問長、不易掌握、常形成多元原生質體融合體。有報道指出，將PEG法與電擊法等其他導入基因的方法相結合，能夠提高轉化率。

2.2.7 花粉介導法

花粉介導法是利用生殖細胞——花粉作為載體，結合超聲波處理介導外源基因對植物進行轉化。花粉介導法避免了其它轉化方法所要求的組織培養技術，轉化方法簡單、易操作、轉化率高、且費用低，具有很強的實用性。

3.轉基因食品的安全性問題

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

其次是過敏反應問題。對于一種食物過敏的人有時還會對一種以前他們不過敏的食物產生過敏，比如：科學家將玉米的某一段基因加入到核桃、小麥和貝類動物的基因中，蛋白質也隨基因加了進去，那么，以前吃玉米過敏的人就可能對這些核桃、小麥和貝類食品過敏。

第三是營養問題。科學家們認為外來基因會以一種人們目前還不甚了解的方式破壞食物中的營養成分。

第四是對抗生素的抵抗作用。當科學家把一個外來基因加入到植物或細菌中去，這個基因會與別的基因連接在一起。人們在服用了這種改良食物后，食物會在人體內將抗藥性基因傳給致病的細菌，使人體產生抗藥性。

第五是對環境的威脅。在許多基因改良品種中包含有從桿菌中提取出來的細菌基因，這種基因會產生一種對昆蟲和害蟲有毒的蛋白質。在一次實驗室研究中，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，產生了死亡或不正常發育的現象，這引起了生態學家們的另一種擔心，那些不在改良范圍之內的其它物種有可能成為改良物種的受害者。一些反對人士擔心：轉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生逃逸，即發生基因污染。轉基因水稻商業化還將帶來以下風險：生態平衡的破壞，一類害蟲壓下去了，其他的害蟲就起來了；害蟲對轉基因抗蟲作物可能發生抗性進化；轉基因水稻危害非靶標生物，比如轉基因稻的花粉、稻谷、稻草或根系分泌物也可能對稻田生態系統中的昆蟲、鳥類、野生動物、根系微生物等產生影響，產生不可控制的后果。

最后，生物學家們擔心為了培養一些更具優良特性，比如說具有更強的抗病蟲害能力和抗旱能力等，而對農作物進行的改良，其特性很可能會通過花粉等媒介傳播給野生物種。

最重要的問題是，人長期食用會有不良后果嗎？在這一點上，也沒有十分保險的答案。在食用轉基因產品上，反對者和贊成者各有各的理由。有人認為轉基因水稻所產出的大米安全性高于常規大米，轉基因大米接受過嚴格的實驗檢測，對人體沒有危害，因為大大減少了農藥的施用，安全性還要高于常規的大米，常規的大米沒有接受過嚴格的科學實驗。抗蟲轉基因水稻產生的特殊抗蟲蛋白只對昆蟲有作用，在人畜身上沒有“靶點”，也就是人食用后應該沒有問題。

4.農業轉基因育種的展望

現在大家知道，所有生物的DNA上都寫有遺傳基因，它們是建構和維持生命的化學信息。通過修改基因，科學家們就能夠改變一個有機體的部分或全部特征。不過，到目前為止，這種技術仍然處于起步階段，并且沒有一種含有從其它動植物上種植基因的食物，實現了大規模的經濟培植。同時許多人堅持認為，這種技術培育出來的食物是“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。又過了十年，第一種市場化的基因食物才在美國出現，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。轉基因技術終于走出實驗室和試驗田，進入像玉米、大豆和棉花作物的日常耕作。日前，農業生物技術應用國際服務組織發布的報告顯示，經過10多年的推廣，轉基因作物發展迅速，2007年，全世界種植轉基因作物的國家已達23個，全球55%的人口或多或少正在食用轉基因食品。到2007年，中國已經有710萬農民種植了轉基因棉花，不僅獲得可觀的經濟增收，更減少了40萬噸的農藥排放。

據介紹，第一代轉基因作物遺傳背景比較簡單，轉移一個基因，比如抗旱、抗蟲的基因就能起到作用。下一步發展目標是加入質量性的基因，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。含有高降鈣素轉基因的油菜可以防治老年骨質疏松，含人乳鐵蛋白基因的稻米能防止腹瀉。

目前，美國的科學家們已經開始大面積種植轉基因水稻，這種水稻里面的轉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1萬多元，非常昂貴。而我國自主研發的高降鈣素油菜的種子，每克可以產生3毫克降鈣素，300多克油菜種子就可以產出1萬多元的價值，具有很高的經濟效益。

可以預料，隨著國際上農業轉基因技術的迅猛發展以及相關法律法規的逐步完善，農業轉基因育種將在農業生產上發揮越來越重要的作用。