摘要:以昆明種雄性小白鼠為試驗對象,在室內用轉基因雜交水稻Bt汕優63及其親本普通雜交水稻汕優63的稻米配制小鼠人工飼料,分別進行喂飼,在喂飼不同時間后測定小白鼠體內的保護酶和解毒酶活性變化。結果表明,昆明種雄性小白鼠在取食轉基因雜交水稻和普通雜交水稻配制的飼料后,小白鼠體內的4種保護酶(過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶)活性無顯著差異(P>0.05);同時,昆明種雄性小白鼠取食轉基因稻米配制的飼料后,乙酰膽堿酯酶和谷胱甘肽-S-轉移酶活性與取食普通稻米配制的飼料之間也無顯著差異(P>0.05)。顯示出轉基因雜交水稻Bt汕優63配制的飼料對昆明種雄性小白鼠體內的保護酶和解毒酶無顯著的影響,說明轉基因水稻對昆明種雄性小白鼠的生理代謝無明顯副作用。
關鍵詞:轉Bt基因水稻;雄性小白鼠;保護酶;解毒酶;生態風險
中圖分類號:Q788;S511;S865.1+3 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2011)24-5200-05
Effects of Transgenic Bt Rice on the Activities of Protective Enzymes and Detoxification Enzymes in Kunming Male Mouse
XIONG Yan-fei1,QIN Tong-cheng1,CHEN Chao1,LI Jun-sheng2,WU Gang1
(1. Department of Biology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)
Abstract: In this experiment, Kunming male mouse were fed with the diets of transgenic Bt rice cultivar 'Shanyou 63' and conventional rice cultivar ‘Shanyou 63’ respectively to study the effects of transgenic Bt rice on its enzyme activities. The activities of protective and detoxification enzymes of Kunming male mouse were detected at different times after feeding. The results showed that there was no significant difference in the activities of four protective enzymes, such as superoxide dismutase, catalase, peroxidase and glutathione peroxidase, in the body of Kunming male mouse fed on artificial diet of transgenic Bt rice compared with conventional rice diet (P>0.05). There were also no significant difference in the activities of detoxification enzymes, such as acetylcholine esterase and glutathione S-transferase (P>0.05). It suggested that the artificial diet of transgenic Bt rice cultivar ‘Shanyou 63’ has no significant effect on activities of protective and detoxification enzymes of Kunming male mouse, which indicated that the transgenic Bt rice has no obvious negative effect on the physiological metabolism of Kunming male mouse.
Key words: transgenic Bt rice cultivar; male mouse; protective enzymes; detoxification enzymes; ecological risk
所謂“轉基因生物”(Genetically modified organisms,GMO),是指人類按照自己的意愿,把某個生物物種的基因或外來化合物的小片段轉移或插入到其他生物物種的細胞中去,改變原有物種的遺傳信息,使之成為具有或增強人類所需要的目的性狀與品質的新品種(類型)。轉基因技術在緩解資源短缺、環境惡化、保障糧食安全、農業可持續發展等方面顯示出了巨大的潛力[1-3]。水稻是世界上最重要的糧食作物之一,全球約1/3以上的人口以水稻為主食,但水稻也是受作物害蟲危害最為嚴重的糧食作物之一;轉Bt基因水稻的面世為農業害蟲的防治帶來了福音,不過水稻作為人類的首選主糧,要是在安全性上出現問題的話,勢必給人類帶來巨大的災難。因此,對于轉Bt基因水稻的可食用性及其商業化推廣需要特別謹慎。2009年10月22日,中國農業部農業轉基因生物安全管理辦公室在中國生物安全網上公布了“2009年第二批農業轉基因生物安全證書批準清單”,由華中農業大學研發的2種轉基因雜交水稻華恢1號和Bt汕優63名列其中。這是中國首次頒發轉基因水稻的生產應用安全證書,也是全球首次為轉基因主糧發放的安全證書。轉基因雜交水稻Bt汕優63的抗蟲性主要源于Bt 殺蟲蛋白基因編碼的伴孢晶體蛋白(Insecticidal crystal proteins,ICPs),ICPs為堿溶性蛋白,被敏感昆蟲取食后,在昆蟲消化道內由于消化酶的作用,蛋白被水解,釋放出的抗蛋白酶核心肽段作用于昆蟲中腸上皮細胞,與中腸上皮細胞紋緣膜上的特異性受體結合,使細胞膜穿孔,消化道細胞的滲透壓平衡遭到破壞,最終導致昆蟲死亡。ICPs的殺蟲特異性受ICPs的溶解性和昆蟲消化酶體系的影響[2,3]。由于Bt殺蟲蛋白只能特異地與靶標昆蟲中腸上皮細胞的受體結合,而哺乳動物的組織中無此類特異性受體,且哺乳動物的胃液呈酸性,因而不產生毒性。轉基因水稻未來的商業化應用將帶來巨大的經濟利益和社會影響,但轉基因水稻的大規模環境釋放及其商品化生產可能帶來潛在的生物安全問題,轉基因水稻對人類是否安全,目前的爭議還比較大[4]。因此,對轉基因水稻開展相關的動物毒理和致突變試驗、進行嚴格的生物安全評價是極其必要的。
采用農業部批準的轉基因抗蟲雜交水稻Bt汕優63為試驗飼料材料,以中國昆明種雄性小白鼠為試驗動物,系統觀察轉基因雜交水稻Bt汕優63稻米對小白鼠保護酶和解毒酶活性的影響,保護酶有超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(Catalase,CAT)、過氧化物酶(Peroxidase,POD)和谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-Px),解毒酶有乙酰膽堿酯酶(Acetylcholinesterase,AChE)、谷胱甘肽-S-轉移酶(Glutathione S-transferase,GSTs);以期為農業部批準發放的轉基因抗蟲雜交水稻Bt汕優63商業化推廣提供理論支撐。
1 材料與方法
1.1 小白鼠飼料的制備
將收獲的轉基因雜交水稻Bt汕優63及其親本普通雜交水稻汕優63的稻谷去殼并粉碎,并將兩種水稻稻米委托武漢工業學院加工制成小白鼠人工飼料,普通雜交水稻小白鼠飼料具體配方為27.0%(質量分數,下同)玉米、19.0%麩皮、15.3%魚粉、16.0%豆餅、3.0%磷酸氫鈣、3.0%鈣粉、0.5%食鹽、0.1%復合維生素、0.1%微量元素、16.0%普通雜交稻米;轉Bt基因雜交水稻小白鼠飼料配方是將上述配方中普遍雜交稻米換成16%轉基因雜交水稻Bt汕優63稻米即可。
1.2 試驗動物
試驗中所使用的小白鼠為20日齡昆明種雄性小白鼠,由武漢生物制品研究所提供。隨機分成試驗組、對照組和空白組,每組32只,試驗組喂飼轉基因水稻Bt汕優63配制的飼料,對照組喂飼普通水稻汕優63配制的飼料,空白組喂飼常用飼料。每日定時更換食物與飲水,測定取食量和排糞量;從第14日開始,每隔1周(分別是試驗實施的14 d、21 d、28 d、35 d,共4次)分別隨機選取各組小白鼠8只(每次24只),斷頭處死,取全血、血漿、腦、肝、胃及中腸等材料測定有關酶的活性。
1.3 材料處理
將肝素抗凝全血在4 ℃環境下3 500 r/min離心12 min,取血漿待測酶活性。取組織塊0.2~1.0 g,用預冷的普通生理鹽水漂洗去血液,濾紙拭干;用預冷的質量濃度為8.6 mg/mL的生理鹽水勻漿,制備成勻漿液,在4 ℃環境下,2 500 r/min離心12 min,取上清液待測酶活性。
1.4 酶活性的測定
采用南京建成生物工程研究所生產的酶測定試劑盒及其提供的測定方法,檢測血液和各組織勻漿液中有關酶的活性。組織蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定。
1.4.1 1∶49溶血液、1%肝組織勻漿液中過氧化氫酶(CAT)活性的確定 過氧化氫酶酶活單位定義為在每毫升溶血液或每克組織蛋白中,過氧化氫酶每秒鐘分解吸光度值為0.50~0.55底物的過氧化氫相對量為一個CAT酶活單位。
1.4.2 10%血漿、10%肝組織勻漿液及10%腦組織勻漿液中過氧化物酶(POD)活性的確定 過氧化物酶酶活單位定義為在37 ℃條件下,每毫升血漿或每毫克組織蛋白每分鐘催化產生1 μg的底物酶量定義為一個POD酶活單位。
1.4.3 20%血漿、1%肝組織勻漿液中超氧化物歧化酶(SOD)活性的確定 超氧化物歧化酶酶活單位定義為每毫升血漿或每毫克組織蛋白在1 mL反應液中,SOD抑制率達50%時所對應的SOD量為一個SOD酶活單位。
1.4.4 20%血漿、0.25%肝組織勻漿液中谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)活性的確定 肝組織里谷胱甘肽過氧化物酶酶活單位定義為每毫克組織蛋白每分鐘使反應體系中還原型谷胱甘肽(GSH)濃度降低1 μmol/L為一個GSH-Px酶活單位;血漿谷胱甘肽過氧化物酶酶活單位定義為每0.1 mL血漿在37 ℃反應5 min,使反應體系中的GSH濃度降低1 μmol/L為一個GSH-Px酶活單位。
1.4.5 10%血漿、10%肝組織勻漿液及10%腦組織勻漿液中谷胱甘肽-S-轉移酶(GSTs)活性的確定 谷胱甘肽-S-轉移酶酶活單位定義為每毫升血漿或每毫克組織蛋白在37 ℃反應1 min,扣除非酶促反應,使反應體系中GSH濃度降低1 μmol/L為一個GSTs酶活單位。
1.4.6 10%血漿、10%腦組織勻漿液中乙酰膽堿酯酶(AChE)活性的確定 乙酰膽堿酯酶酶活單位定義為每毫升血漿或每毫克組織蛋白在37 ℃保溫6 min,水解反應體系中1 μmol基質為一個AChE酶活單位。
1.5 統計分析
所有酶活性測定數據均以”平均值±標準差”表示,應用SAS 6.12(SAS Institute Inc. USA,1996)統計分析軟件分析處理間試驗數據的顯著性差異,單因素方差分析比較不同飼料處理同一喂飼時間對小白鼠保護酶和解毒酶活性的差異,處理間的顯著性差異采用t測驗進行檢驗。
2 結果與分析
2.1 過氧化氫酶活性
每一批小白鼠都進行試驗組與對照組、試驗組與空白組的1∶49溶血液和1%肝組織勻漿液中過氧化氫酶活性的比較,結果(表1)表明,各批次之間、每一批各組之間過氧化氫酶活性的差異都不顯著,說明食用轉基因水稻Bt汕優63配制的飼料后,對小白鼠血液和肝臟中過氧化氫酶的活性沒有明顯的影響。細胞在代謝過程中會產生多種活性氧,包括超氧陰離子自由基(O2-·)、羥自由基(·OH)、分子氧(O2)、單線態氧(1O2)、過氧化氫(H2O2)等。其中,羥自由基(·OH)是化學性質最活潑的活性氧,幾乎可與細胞內的糖、蛋白質、核酸、磷脂等各種生物分子反應,并且有非常高的速率常數,對生物大分子及細胞結構的破壞性極強;過氧化氫酶可催化過氧化氫分解,減少羥自由基的生成,保護生物大分子免受損傷,防止細胞老化,這對維持細胞正常的生理活動具有重要的意義。
2.2 過氧化物酶活性
每一批小白鼠都進行試驗組與對照組、試驗組與空白組的10%血漿、10%腦組織勻漿液和10%肝組織勻漿液中過氧化物酶活性的比較,結果(表2)表明,各批次之間,每一批試驗組與對照組、試驗組與空白組之間過氧化物酶活性的差異都不顯著,說明食用轉基因水稻Bt汕優63配制的飼料后,對小白鼠血漿、腦組織和肝組織中的過氧化物酶活性沒有明顯的影響。過氧化物酶是一類氧化還原酶,主要存在于細胞的過氧化物酶體中,以鐵卟啉為輔基,以過氧化氫為電子受體,能催化多種底物氧化,還可催化過氧化氫氧化酚類和胺類化合物,具有消除過氧化氫和酚類、胺類毒性物質的雙重作用,也是細胞內的重要保護酶。
2.3 超氧化物歧化酶活性
超氧化物歧化酶對生物機體的氧化和抗氧化平衡起著至關重要的作用,此酶能清除超氧陰離子自由基,保護細胞免受損傷。參試的各批次小白鼠都進行試驗組與對照組、試驗組與空白組的20%血漿和1%肝組織勻漿液中超氧化物歧化酶的活性比較,從結果(表3)可見,每一批試驗組與對照組、試驗組與空白組之間超氧化物歧化酶的活性差異都不顯著,說明食用轉基因水稻Bt汕優63配制的飼料對小白鼠血液和肝臟超氧化物歧化酶的活性沒有明顯的影響。
2.4 谷胱甘肽過氧化物酶活性
谷胱甘肽過氧化物酶能特異性地催化還原型谷胱甘肽對過氧化氫的還原反應,生成H2O及氧化型谷胱甘肽(GSSG),起到保護細胞膜結構和功能完整的作用,是機體內廣泛存在的一種重要的保護酶。參試的每一批小白鼠試驗組與對照組、試驗組與空白組的谷胱甘肽過氧化物酶活性測定結果(表4)表明,飼養14 d、21 d以及35 d的小白鼠20%血漿中,試驗組、對照組、空白組之間谷胱甘肽過氧化物酶的活性差異都不顯著。0.25%肝組織勻漿液中谷胱甘肽過氧化物酶的活性,在各批次試驗組與對照組、試驗組與空白組之間的差異也不顯著,說明食用轉基因水稻Bt汕優63配制的飼料對小白鼠血漿及肝臟中谷胱甘肽過氧化物酶的活性沒有明顯的影響。
2.5 谷胱甘肽-S-轉移酶活性
谷胱甘肽-S-轉移酶廣泛存在于哺乳動物的各組織中,是一類與肝臟解毒有關的酶,在肝細胞中含量較高;當肝細胞受損傷時,谷胱甘肽-S-轉移酶常常較早釋放到血中,血中谷胱甘肽-S-轉移酶的升高常早于谷丙轉氨酶(SGPT)和谷草轉氨酶(SGOT),因此,谷胱甘肽-S-轉移酶的升高可作為肝臟受損的敏感指標。谷胱甘肽-S-轉移酶催化還原型谷胱甘肽與化學物質的親電子基團結合,最終形成硫醚氨酸排出體外,在體內起重要的解毒作用。在谷胱甘肽過氧化物酶活性較低的情況下,谷胱甘肽-S-轉移酶具有清除體內脂質過氧化物(LPO)的功能。因此,谷胱甘肽-S-轉移酶具有消除體內過氧化物及解毒的雙重作用。參試的每一批小白鼠試驗組與對照組、試驗組與空白組的10%血漿、10%腦組織勻漿液和10%肝組織勻漿液中谷胱甘肽-S-轉移酶的活性測定結果見表5,從表5可見,每一批數據中,試驗組、對照組、空白組之間的谷胱甘肽-S-轉移酶的活性差異都不顯著,說明食用轉基因水稻Bt汕優63配制的飼料對小白鼠血液中谷胱甘肽-S-轉移酶的活性沒有明顯的影響。
2.6 乙酰膽堿酯酶活性
乙酰膽堿酯酶主要存在于神經系統中,具有羧肽酶和氨肽酶的活性。研究顯示,乙酰膽堿酯酶在神經元發育和神經再生中起著重要作用;在神經發育過程中,乙酰膽堿酯酶可能作為一種特異的神經分泌蛋白,在細胞內或分泌到細胞外調節神經元的增殖和突起的長出,具有調節和促進神經組織發育與神經再生的神經營養因子功效。參試的每一批小白鼠試驗組與對照組、試驗組與空白組10%血漿和10%腦組織勻漿液中乙酰膽堿酯酶活性的測定結果見表6,從表6可見,各批次的試驗組與對照組、試驗組與空白組之間乙酰膽堿酯酶的活性差異都不顯著,說明食用轉基因水稻Bt汕優63配制的飼料對小白鼠血液中乙酰膽堿酯酶的活性沒有明顯的影響。
3 小結與討論
試驗以昆明種雄性小白鼠為對象,以普通雜交水稻汕優63為對照,觀察了轉基因雜交水稻Bt汕優63稻米對小白鼠體內幾種保護酶和解毒酶活性的影響,從一個側面探討食用轉基因稻米對脊椎動物生理代謝活動是否存在危害這一課題,結果表明,食用轉基因雜交水稻Bt汕優63稻米飼料的小白鼠與食用普通雜交水稻汕優63稻米飼料小白鼠體內的4種保護酶(過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶)及2種解毒酶(乙酰膽堿酯酶和谷胱甘肽-S-轉移酶)的活性都無顯著性差異。試驗期內,從兩類酶活性方面說明轉基因水稻Bt汕優63稻米對小白鼠相關生理代謝活動不產生明顯的影響。但本試驗是從20日齡的小白鼠開始飼養,并且僅喂飼轉基因水稻Bt汕優63稻米飼料35 d,且小白鼠與人體的新陳代謝活動也不完全相同。因此,并不能據此說明轉Bt基因水稻對人類是安全的,試驗僅僅是從一個側面提供了參考數據。
國內許多學者利用小白鼠在轉基因水稻方面開展了大量的藥理學和毒理學研究。王忠華等[5]利用微核、精子畸變和Ames試驗,進行了轉Bt基因水稻稻米對脊椎動物的致突變和畸變毒性研究,結果未發現實驗動物出現明顯的中毒癥狀,解剖也未見異常,病理改變對實驗動物體重、進食量、食物利用率、血液生化及臟器也無損害性影響。以克螟稻米粉為材料進行小白鼠微核精子畸變和Ames試驗的研究結果表明,轉Bt基因水稻稻米對小白鼠體細胞和性細胞均無誘變活性[6]。但也有學者認為食用轉Bt基因作物對人體有害;有研究表明,通過基因改造不僅可以改變Bt毒素蛋白的靶生物和靶細胞范圍,而且還可能大幅度提高Bt毒素蛋白在植物總蛋白中的含量,并且在沒有特異性受體時,Bt蛋白也能造成生物膜穿孔現象。人工干預和自然選擇均可對轉Bt基因植物造成壓力,擴展其特異性的靶細胞范圍或提高其Bt蛋白的表達水平,將會對脊椎動物甚至人類造成潛在的免疫系統及相關功能的損傷[7-10]。2008年,美國科學家證實了長時間喂飼轉基因玉米的小白鼠出現免疫系統受到損害的現象[11]。因此,轉基因水稻的潛在風險可能短期內還看不出來,需要長期的跟蹤觀察。
試驗通過室內用轉基因雜交水稻Bt汕優63及其親本普通雜交水稻汕優63稻米配制的人工飼料,分別在喂飼不同時間后,還測定了昆明種雄性小白鼠的取食量、排糞量和營養效應指標,結果表明,轉Bt基因水稻對昆明種雄性小白鼠取食和食物利用效率是安全的,從營養效應方面的響應對轉基因抗蟲雜交水稻Bt汕優63進行了安全性評價,其結果可為農業部批準發放的轉基因抗蟲雜交水稻Bt汕優63的商業化推廣提供重要的理論支撐。
致謝:在試驗開展過程中,得到了武漢理工大學理學院2007級本科生李峰、宋雨林、王新葉、楊佳麗和2006級本科生葉侃等同學的大力協助,在此一并致謝。
參考文獻:
[1] 吳小毅,王輝芳. 中國轉基因Bt水稻面臨的挑戰與應對策略探析[A]. 中國植物保護學會. 糧食安全與植保科技創新[C]. 北京:中國植物保護學會,2009.
[2] 趙玉艷,蔡磊明,王 捷. 轉蘇云金芽孢桿菌基因作物安全性研究[J]. 衛生毒理學雜志, 2004,18(1):54-57.
[3] 王麗冰,劉立軍,顏亨梅. 轉Bt抗蟲基因水稻的研究進展和生物安全性及對策[J]. 生命科學研究,2009,13(2):56-57.
[4] 盧寶榮,傅 強,沈志成. 我國轉基因水稻商品化應用的潛在環境生物安全問題[J]. 生物多樣性,2008,16(5):426-436.
[5] 王忠華,王 茵,舒慶堯. 轉Bt基因水稻稻米的誘變活性研究[J]. 中國農業科學,2004,37(12):2042-2046.
[6] 王忠華,王 茵,崔海瑞,等. Bt水稻“克螟稻”稻米毒理性評價研究初報[J]. 中國農業科學,2002,35(12):1487-1492.
[7] FENTON B. Differential binding of the insecticidal lectin GNA to human blood cells[J]. The LANECT,1999,354:1354-1355.
[8] JAMES C. Globel status of commercilize of transgenic crops:2001[R]. ISAAA Brief ISAAA: Ithaca N Y,2001. 91-94.
[9] KUIPER H A, NOTEBORN H P J M. Food safety assessment of transgenic insetic resistant Bt tomatos[A]. In: OECD//Food Safety Evaluation[C]. Paris:OECD,1996. 50-57.
[10] SCHULER T H, POPPY G M, KERRY B R, et al. Potential side effects of insect-resistant transgenic plants on arthropod natural enemies[J].Tibtech,1999,17(5):2150-2161.
[11] ALBERTO FINAMORE, MARIANNA ROSELLI, SERENA BRITTI, et al. Intestinal and peripheral immune response to MON810 maize ingestion in weaning and old mice [J]. J Agric Food Chem,2008,56(23):11533-11539.