轉基因水稻研究進展及其安全性探討

張 頔，周 峰，張邊江

（南京曉莊學院，江蘇 南京 211171）

水稻是世界上主要的糧食作物之一。在我國，水稻是種植面積最大的糧食作物，種植面積約3000萬hm2，產量占糧食作物總產的40%以上，是我國65%以上人口的主食來源。然而，在水稻生產過程中，由于各種病蟲害、不良氣候與環境的影響，嚴重制約了水稻的高產穩產[1]。

轉基因技術是指將外源基因通過生物、物理或化學手段導入其他生物基因組，以獲得外源基因穩定遺傳和表達的遺傳改良體[2]。隨著轉基因技術的發展，轉基因水稻成為研究的熱點。現已經獲得抗蟲、抗除草劑、抗病、抗逆境以及改良品質的轉基因水稻，但是轉基因水稻的安全性問題還沒得到完善解決。

本文概述了目前轉基因水稻的類型，簡要分析了轉基因水稻存在的安全性問題，并對其發展前景進行了展望。

1 轉基因水稻的研究現狀

1.1 抗性轉基因水稻

1.1.1 抗蟲 水稻抗蟲性改良的外源基因主要有蘇云金桿菌殺蟲結晶蛋白基因（Bt基因）、昆蟲蛋白酶抑制劑（Pi基因）和植物凝集素基因3種。其中，Bt基因是目前使用最廣泛的抗蟲基因，其作用機理是:Bt稻能合成Bt抗蟲蛋白，被靶標昆蟲取食后，在昆蟲堿性腸道內經中腸蛋白酶的消化后使其活化為活性蛋白，活性蛋白與中腸細胞膜受體結合，形成跨膜離子通道或孔，使消化道細胞的離子滲透壓平衡遭到破壞，導致細胞溶解，最終使昆蟲死亡。Pi能與蛋白酶的活性部位和變構部位結合，抑制酶的催化活性或阻止酶原轉化為有活性的酶。因此，它具有防止體內不必要的蛋白降解，調節蛋白代謝及各種蛋白酶的生理活性的功能。凝集素抗蟲的作用機制可能是在昆蟲腸腔部位與糖蛋白結合，降低膜透性，從而影響營養物質的正常吸收，同時誘發病灶，促進消化道內細菌繁殖，使昆蟲得病或引起拒食、生長停滯甚至死亡[3]。

楊虹等[4]首次報道了用原生質體電融合技術成功地將Bt基因導入水稻臺粳209。項友斌等[5]利用農桿菌介導法成功地將密碼子經過優化的Bt殺蟲基因Cry1A（b）導入了許多水稻品種。復旦大學遺傳所與中國水稻所、湖北農科院等單位合作利用基因槍法將雪花蓮凝集素基因導入粳稻品種鄂宜105和鄂晚5號中，得到了一批轉基因株系[6]。

1.1.2 抗除草劑 雜草為害嚴重影響水稻的產量和質量，每年稻谷因雜草減產損失巨大。將抗除草劑基因導入水稻使其產生對除草劑的抗性，有助于田間雜草控制。主要的除草劑抗性基因是來自鏈霉菌的Bar基因，因為與其對應的除草劑Basta被德國Aventis公司所壟斷，所以使該基因的廣泛應用受到很大限制[7]。施利利等[8-10]將來自細菌的阿特拉津氯水解酶基因atzA轉入津稻107中，并成功地利用除草劑阿特拉津對轉基因植物進行了篩選和鑒別。抗除草劑轉基因雜交水稻組合應用于田間栽培的報道較少。侯海軍等[11]對轉Bar基因抗除草劑兩系雜交早稻株進行了高產栽培試驗研究，結果表明，供試組合各項經濟性狀穩定，生長整齊，抗倒伏能力比對照強。肖國櫻等[12]利用抗除草劑親本Bar68-1與香125S配組育成了轉基因抗除草劑雜交稻香125S/Bar68-1，秧田噴施除草劑能明顯提高大田的雜種純度，顯著提高產量。

1.1.3 抗病 病害是影響水稻高產穩產的重要因素之一。目前，抗病轉基因水稻包括轉抗病毒基因、抗真菌病毒基因和抗細菌病毒基因3個方面。許多抗病基因如Xa21，Pib，CecropinB，Cp等已被成功導入水稻，并取得了顯著的成績。中國農業科學院生物技術研究中心與作物所合作，將幾丁質酶和葡聚糖酶雙價基因導入小麥，育成雙價抗病轉基因小麥，抗赤霉病（Fusarium graminearum）、紋枯病（Fusarium solani）和根腐病（Bipolaris soroki-nianum）等真菌性病害[13]。水稻抗白葉枯病基因克隆進展較迅速，從水稻中克隆了抗白葉枯病的2個基因，即Xa21和Xa1[14-16]。Wang等[17]通過微彈轟擊法將水稻抗白葉枯病菌基因Xa21 導入感病品系 Oryza sativa（var.Taipei309），測定了來自印度、印度尼西亞、哥倫比亞、中國、菲律賓、尼泊爾、朝鮮和泰國8個國家的32個水稻白葉枯病菌菌株在T1轉基因系、受體品種TP309以及原初抗病品種IRBB21上的致病表型變化[18]。

1.1.4 抗逆 環境脅迫（如干旱、土壤鹽漬化和極端溫度等）嚴重影響作物的生長和發育，降低作物產量。2009年，中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所植物分子遺傳國家重點實驗室獲得了一份較強抗旱、耐鹽、而且遺傳穩定的水稻突變體，將該突變體命名為DST（drought and salt tolerance），為作物抗逆分子育種提供了具有自主知識產權的重要新基因[19]。

華中農業大學科研人員成功分離出1個對水稻抗旱改良有顯著作用的基因OsSKIPa，它能調動其他水稻抗旱基因的表達，從而增強水稻細胞的活力，提高水稻在缺水條件下的生存能力，可以顯著提高水稻抗旱性[20]。Xu等[21]將大麥Lea蛋白基因（HVA1）用基因槍法導入水稻懸浮細胞系后發現，其耐旱能力明顯提高。Zhu等[22]將P5CS基因轉入水稻，使用ABA或逆境誘導的特異啟動子，在逆境脅迫下轉基因植株脯氨酸含量增加。研究表明，耐鹽性狀屬于數量性狀，受多基因控制，易受環境影響而變異。在目前的種質資源耐鹽性遺傳分析中，除了在突變體或轉基因植株中發現有單個主基因控制的耐鹽性以外，大多數水稻耐鹽性受多基因控制[23]。水稻是喜溫植物，溫度是限制其生長的重要因子。有研究表明，轉CBF1基因的水稻中脯氨酸含量和抵抗逆境的能力明顯提高[24-25]。林秀鋒等[26]通過農桿菌介導法將CBF1基因導入水稻品種沈6014和松粳3號中，以期獲得耐低溫的轉基因水稻材料。

1.2 改良品質的轉基因水稻

Ye等[27]獲得的轉基因黃金稻的出現，可以幫助以稻米為主食的發展中國家的人們解決維生素A缺乏的問題。日本還通過轉基因技術先后獲得了抗過敏功能性稻米、低蛋白功能性稻米、高半胱氨酸功能性稻米[28]。對高鐵功能型水稻的研究表明，水稻中鐵的含量差異顯著，水稻的不同部位、品種、環境以及籽粒的形狀、顏色等使鐵的含量都存在很大差異。我國成功選育一批高鐵香稻新種質，其中，晚秈新品種特3029和晚粳糯新品種紫香糯糙米中鐵含量分別達47.6，46.1 mg/kg。賴來展等采用稻穗離體雜交、孤雌誘導及子房培養的方法，培育出鐵含量高達52.20 mg/kg的新品種黑優粘3號[29]。迄今為止，國內外已有許多改良品質的品種（系）被選育成功。

1.3 轉基因水稻其他方面的研究進展

轉基因高產水稻的培育主要是集中于C4水稻的研究上，目前高光效的水稻研究策略以轉入C4植物來源的C4光合作用途徑相關基因為主，也有過量表達C3來源的C4循環相關基因的報道。幾個與C4光合作用相關的基因都被一一轉入到水稻進行實驗。比較常見的有PEPC、丙酮酸正磷酸雙激酶（pyruvate,orthophosphate dikinase，PPDK）基因、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK） 基因、依賴 NADP 的蘋果酸酶（NADP-malic enzyme，ME）基因、依賴NADP的蘋果酸酶脫氫酶（NADP-malate dehydrogenase，MDH）基因等[30-33]。

一些研究者也嘗試通過過量表達某些氨基酸轉氨酶來改變植物體內氨基酸合成和氮代謝的水平，以期增強轉基因水稻中氮的利用效率。Shrawat等[34]發現在水稻根中特異性表達來源于大麥的丙氨酸轉氨酶（alanine aminotransferase，AlaAT）。磷是植物生長發育必不可少的大量元素之一。Yi等[35]在磷高效利用水稻品種Kasalath中鑒定出了1個磷缺乏誘導的轉錄因子OsPTF1。在低磷敏感水稻品種日本晴中過量表達OsPTF1基因，可以顯著增強磷的利用效率。

2 轉基因水稻的安全性

轉基因食品安全性一直飽受爭議，尤其是主要的糧食作物轉基因水稻。有些學者認為，轉基因水稻是完全安全的，食用轉基因水稻對人體無害[36]；也有學者認為，轉基因水稻是人造物，若大量種植會對生態環境造成影響，而且對人體產生副作用。

賀曉云等[37]從轉基因水稻的營養成分實質等同性分析、動物營養學評價、體內及體外毒理學評價、致敏性評價及外源基因的水平轉移5個角度對轉基因水稻的國內外食用安全性評價工作進行了概括。現代分子生物學手段也開始滲透到轉基因的安全性評價中，目前常用的轉基因水稻的檢測方法主要有PCR（聚合酶鏈反應技術）、ELISA（酶聯免疫吸附法）和基因芯片法等。盡管人們對轉基因水稻的安全性還存在疑慮，但不可否認，轉基因水稻具有普通水稻無法比擬的優勢。相信隨著轉基因技術的進步，轉基因食品安全性評價方法的不斷完善，轉基因水稻將為世人所接受，并將成為21世紀人類解決糧食問題的一條重要途徑。

3 展望

轉基因水稻的研究大部分還處在實驗室階段，還未能定點、定量地將外源基因引入到水稻受體基因組中，從而未能獲得穩定遺傳、高效率表達的轉基因植株。同時，由于基因沉默等原因，阻礙了轉基因技術在水稻上的推廣應用。外源基因的穩定遺傳、高效表達及目的基因的沉默等遺傳機理仍有待于進一步研究。

在轉基因水稻研究中，選育多抗性品種，比如利用抗除草劑基因結合其他抗性基因質粒如抗逆、抗病蟲、改良農藝性狀或產品風味的基因，選育高抗且優質的品種。在改善功能方面，加入質量性的基因，比如黃金稻，能夠解決人體維生素缺乏情況；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[38-39]。利用重組哺乳動物細胞生產藥用蛋白極其昂貴，而用植物生產成本較低，以轉基因植物為生物反應器，可望在農田里廉價收獲大量的藥用蛋白。

盡管轉基因水稻的安全性仍頗具爭議，至今也尚無任何轉基因水稻被允許進行商業化生產，但是其前景仍然被看好，新的轉基因水稻還在不斷問世。我國從2004年開始啟動轉基因水稻的環境和食用安全性評價工作，目前這項工作仍在緊張地進行之中。相信隨著轉基因技術的進步，轉基因食品安全性評價方法的不斷完善，轉基因水稻及其他轉基因作物能得到推廣，從而解決我國的糧食問題。

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