從轉基因技術角度談轉基因植物的安全性

葉興國　杜麗璞

從轉基因技術角度談轉基因植物的安全性

葉興國杜麗璞

（中國農業科學院作物科學研究所，北京100081）

目前，將外源基因轉入植物的方法主要包括基因槍介導法和農桿菌介導法，以轉基因技術為基礎的基因組編輯技術尤其是CRISPR/Cas9技術正在植物改良中迅速發展。

1　基因槍轉化技術與轉基因植物的安全性

基因槍法屬于一種物理操作，以高壓氦氣作為驅動力，即將擬轉化的基因包裹到直徑為1.0μm左右的金粉顆粒表面，均勻涂抹在載體膜片上，按動擊發按鈕后高壓氣體沖破壓力控制膜片，載體膜高速向下運動，被稍下位置的金屬阻擋網阻擋，上面攜帶的金屬微粒脫離后繼續高速向下運動，擊中樣品室中的植物組織靶材料，目標基因隨金屬微粒進入植物細胞，進一步進入植物細胞核，并整合到植物染色體上（圖1），通過篩選和組織培養再生環節獲得轉基因植株。轉入的目標基因隨植物細胞的分裂而復制，隨植物的開花結實而穩定遺傳。利用基因槍轉化植物所改良的性狀由轉入的目標基因決定，基因槍轉化技術并不能引起植物基因組的改變和性狀的變異。基因槍轉化法已經在很多作物上取得了成功，如小麥、玉米、大麥、大豆等，并將一些與抗病性、抗逆性、品質、生長發育等性狀改良相關的基因轉入了上述植物，但迄今為止只有美國孟山都公司利用基因槍轉化獲得的抗蟲轉基因玉米獲準商業化生產，利用基因槍轉化改良的其他植物品種還沒有獲準在生產上種植。基因槍轉化法雖然有轉化受體品種范圍寬、可以進行細胞器轉化等優點，但同時具有操作比較復雜、成本比較高、轉化片段不明確、轉入基因容易沉默等缺點，所以，該方法目前主要用于基因功能鑒定、亞細胞定位等基礎研究。

圖1　基因槍轉化植物技術示意圖

2　農桿菌轉化技術與轉基因植物的安全性

農桿菌轉化屬于一種生物操作，所有農桿菌細胞內除了染色體之外，都含有數量不等的環狀Ti質粒或Ri質粒，上面攜帶一段可以自然轉入植物的DNA片段（transfer DNA，T-DNA）。在農桿菌侵染植物組織，使植物產生冠癭瘤的過程中，T-DNA即進入植物細胞，在一些植物蛋白質的保護和協助下進入植物細胞核，并進一步整合到植物染色體上（圖2），通過在含有抗生素的培養基上篩選和組織培養再生環節獲得轉基因植株。轉入基因同樣隨植物細胞的分裂而復制，隨植物的有性繁殖或無性繁殖而穩定遺傳。作為革蘭氏陰性細菌的成員之一，農桿菌廣泛存在于土壤中，可以天然轉化雙子葉植物，是天然的“遺傳工程師”。2015年比利時、中國、美國和國際馬鈴薯研究中心的科學家們合作在頂級刊物PNAS上發表文章，他們對291個非轉基因的栽培甘薯品種進行了DNA分子檢測和基因表達分析，在所有的檢測樣品都發現了農桿菌序列的存在，并發現其中4個基因與農桿菌中的Acs、C-prot、iaaH和iaaM基因同源，這4個基因在甘薯的莖、葉和塊根中都有表達。認為在甘薯的進化過程中，農桿菌和甘薯祖先之間發生了水平基因轉移，自然選擇又保留了這些性狀。表明甘薯是一種天然的轉基因植物，轉基因在甘薯生長發育過程中已經自然發生。而人類種植甘薯的歷史可以追逐到8000～10000年前，即人類在不知不覺中食用了幾千年的天然轉基因甘薯。

圖2　農桿菌轉化植物技術示意圖

農桿菌既然可以天然侵染和轉化甘薯，同樣可以天然侵染和轉化其他雙子葉植物，亦即人類食用的其他雙子葉植物或許也含有農桿菌天然轉入的基因。20世紀90年代以前，人們僅認識到雙子葉植物是農桿菌的天然宿主。此后，經過科學家們對農桿菌侵染條件的優化，農桿菌可以侵染并轉化水稻、玉米、小麥、大麥等單子葉植物。由于農桿菌轉化技術具有操作簡單、成本低廉、轉基因沉默幾率小、插入基因拷貝數低等優點，已經成為培育轉基因植物品種的首選技術。截至近幾年，利用農桿菌轉化成功的植物已達到100多種。事實上，目前全球大面積推廣的轉基因大豆、玉米、棉花、油菜和木瓜大多都是借助農桿菌轉化技術獲得的產品。需要再次強調的是，利用農桿菌轉化技術轉入植物中的僅僅是人為構建到其環狀質粒T-DNA區的目標基因，農桿菌染色體上和環狀質粒上T-DNA區之外的基因并不進入植物。農桿菌轉化技術不會導致植物中非目標基因控制性狀的遺傳變異，所以，天然的農桿菌轉化技術不具有風險性。只要經過嚴格安全性評價的目標基因對植物、人類、環境、動物和微生物無害，利用農桿菌轉化法獲得的轉基因產品勢必具有安全性。

3　 CRISPR/Cas9基因組編輯技術及其產品的安全性

CRISPR/Cas9技術是根據擬編輯、修飾或激活的目標基因序列，設計一段20bp左右的引導RNA序列（gRNA），將該gRNA序列與核酸酶Cas9編碼序列（具有酶切功能，類似一把剪刀）構建到表達載體上，利用農桿菌或基因槍方法轉入植物細胞，gRNA引導Cas9對與gRNA具有同源性的目標基因進行編輯，達到優化、沉默或激活目標基因的目的。基因編輯技術可以不涉及到外源DNA序列的整合，盡管在獲得的T0代轉基因植株中外源gRNA序列、Cas9序列和篩選標記序列有可能插入到植物基因組上，但由于gRNA序列、Cas9序列和篩選標記序列與目標基因不存在連鎖關系，在T0代轉基因植株自交后產生的T1代轉基因植株中，能夠非常容易地篩選到目標基因編輯而不含有表達載體上任何序列（包括gRNA、Cas9和篩選標記）的期望植株。因此，基因組編輯只對植物中原本存在的目標基因進行了修飾，沉默植物中的不良基因，激活植物中的優良基因或增強優良基因的表達水平，但基因編輯植株中不含體外轉入的DNA序列，基因組編輯植株并非真正意義上的轉基因植株，在本質上等同于傳統育種方法獲得的遺傳變異，進一步培育的植物品種安全可靠。因而，一些國家已出臺政策，將不對利用基因組編輯技術獲得的植物產品進行任何形式的安全性評價。最近，美國農業部宣布免除對CRISPR/ Cas9基因組編輯工具進行遺傳修飾的蘑菇進行監管，批準種植和銷售，成為第一例得到美國政府上市許可的CRISPR/Cas9基因組編輯生物品種。

2016-06-29）