基因工程在農業(yè)中的應用

基因工程在農業(yè)中的應用摘要：基因工程技術在農業(yè)中的應用與在農業(yè)上應用時相應的問題，論述了基因工程給目前農業(yè)的發(fā)展帶來機遇與挑戰(zhàn)。關鍵詞：基因工程；農業(yè)；應用基因工程是指在體外將核酸分子插入病毒、質粒或其他載體分子,構成遺傳物質的新組合，并使之滲入到原先沒有這類分子的寄主細胞內，而能持續(xù)穩(wěn)定地繁殖。從定義上看,它首先強調外源核酸分子在另一種寄主生物細胞中進行繁殖的問題這種跨越天然物種屏障的能力,是基因工程的第一重要特征。這表明，應用基因工程技術，人們就可以按照自己的主觀愿望,創(chuàng)造出自然界原先并不存在的新的生物類型?？蒲腥藛T正是利用這一特征，已在提高農作物作物產量，改善品質,增強抗逆性和抗病蟲害的能力等方面取得令人矚目的成就。1基因工程在農業(yè)中的應用1.1利用基因工程技術減少農藥使用量農作物在生長過程中容易受到致病菌與害蟲的影響,因此在作物種植過程中往往需要使用大t的農藥控制病蟲害,這是造成食物中農藥殘留與環(huán)境污染的主要原因。如何減少農藥的使用量是綠色食品生產中的一項關鍵技術。采用策衍害蟲天敵、誘殺或生物防治的方法雖然可以部分替代合成農藥，但是最直接有效的方法是利用荃因工程技術使作物獲得抗病、蟲的能力;目前已采用基因工程技術將各種抗病、蟲基因轉移到包括大豆、玉米、水稻等多種重要農作物中,利用轉基因植物自身的能力抵抗外界病、蟲的危害,從而達到減少藥使用的目的。1996年以來，僅北美地區(qū)由于采用轉基因抗病、蟲作物已使農用化學品的使用量減少了450萬噸。與普通的大豆相比,種植轉Bt殺蟲蛋自墓因的大豆可以使殺蟲劑的用量減少80%。踞統(tǒng)計,1996—1998年之間，全球種植的轉基因抗蟲作物不但使產量提高了10%,而且減少了250億元的殺蟲劑使用量。由此可見,利用基因工程技術增強農作物心沙品種對角蟲、可以大大降低作物種植過程中農藥的使用，從而減少食物中的農藥殘留,并且能夠產生良好的生態(tài)效益和經濟效益，將是發(fā)展綠色食品的一個有效手段。1.2利用基因工程技術改良作物品質隨著生活水平的提高，人們越來越關注口味、口感、營養(yǎng)成分和欣賞價值等品質性狀。實踐證明,利用基因工程可以有效地改善植物的品質，并且越來越多的基因工程植物進入了商品化生產領域，取得了很好的效果。種子與其他貯藏器官（塊莖、塊根、鱗莖等）中蛋白質的含量與其氨基酸的組成、淀粉和其他多糖化合物以與脂類物質的組成，直接關系到其營養(yǎng)價值或在工業(yè)上的用途。由于不少貯藏蛋白的基因或與這些貯藏物質有關的代謝過程的改變，而改變這些器官中的物質組成，甚至使植物產生的反義RNA基因,就有可能通過調控有關的代謝過程而改變這些器官中的物質組成,甚至使植物產生新的或者修飾過的化合物。在蛋白質改良方面,由于特定作物種子中往往缺少某幾種必需氨基酸，人們的注意力集中于通過基因工程改變蛋白質的必需氨基酸的組成來改善植物的營養(yǎng)價值。美國國際植物研究所的科學家們從大豆中獲取蛋質合成基因，成功地導入到馬鈴薯中，培育出高蛋白馬鈴薯品種，其蛋白質含量接近大豆,營養(yǎng)價值大大提高,受到農場主與消費者的普遍歡迎。Meijer將富脯氨酸基因成功地導入水稻中，獲得轉基因植株，提高了籽粒的蛋白質含量，改善了稻米的品質。將巴西堅果的富含蛋氨酸的2S清蛋白基因轉入煙草，在菜豆種子的貯藏蛋白基因的啟動子的驅動下，表

達的蛋白質中18%的氨基酸為蛋氨酸，在轉基因煙草的蛋白質中蛋氨酸的含量增加了30%。有人將編碼高含硫氨基酸的蛋白質基因導入豆牧草，使之在莖中高度表達，大大提高了其作為飼料的營養(yǎng)價值?；蚬こ淘谡{控植物的淀粉與其他多糖化合物方面也取得較大進展。在改變油料作物油脂的組成方面，近年來已取得了一系列重要的突破,這方面的主要目標是改變油脂的不飽和度以與脂肪鏈的長度。通過導入硬脂酸ACP脫氫酶的反義基因，在轉基因油菜和蕪菁的種子中硬脂酸的含量由2%增加到40%,增加了20倍。我國在利用基因工程改良植物品質方面也取得較大成就。1997年我國第1個獲準進行商品化生產的基因工程番茄品種）））華番1號，在13?30e下可貯藏45d左右,大大延長了保鮮期，解決了由于果實具有呼吸躍變期而難貯藏的難題。北京農林科學院工作人員經4a努力，將來自美國的優(yōu)質面包小麥品種CHEYENNE的谷蛋白亞基導入到北京地區(qū)推廣種植的抗病、高產品種,獲得蛋白質含量較高的小麥類型，具有較好的前景。1.3利用基因工程技術培育抗逆性強的作物植物對逆境的抗性一直是植物學家關心的問題。由植物生理學家、遺傳學家和分子生物學家協(xié)同作戰(zhàn)，耐澇、耐鹽堿、耐旱和耐冷的轉基因作物新品種（系）已獲得成功。Hhomashow等將CBF1（C-repeatingbind-ingfactor）基因導入擬南芥，誘導一系列低溫調節(jié)蛋白的表達，使未經低溫馴化的植株具有較強的抗寒能力，從而能夠抵御比較寒冷的天氣。Murata等通過向煙草導入擬南芥葉綠體的甘油-3-磷酸乙酰轉移酶基因，以調節(jié)葉綠體膜脂不飽和度，使獲得的轉基因煙草的抗寒性增加?？茖W家發(fā)現(xiàn)極地的魚體內有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增長,從而免受低溫的凍害，正常地生活在寒冷的極地中。將這種抗凍蛋白基因從魚體內分離出來導入植物體獲得轉基因植物,目前這種基因已被轉入番茄和黃瓜中。相信在不久的將來，會有各種具有強抗寒特性的轉基因植物出現(xiàn)，使它們能在高寒地區(qū)或者驟冷的氣候下生存。2基因工程技術應用對有機農業(yè)生態(tài)環(huán)境潛在的生物安全性問題2.1基因流和基因污染基因流來自英文“GeneFlow”，指轉基因在轉基因生物和與其有親緣關系的生物間的流動?；蛭廴緛碜杂⑽?GeneContamination”，指轉基因生物的外源基因通過某種途徑轉入并整合到其他的生物基因組中,使得其他生物尤其是植物的種子或產品中混雜有轉基因成份,造成自然界基因庫的混雜和污染。從基因流與基因污染的關系來看■，基因流是原因，基因污染是后果。2.2基因污染的風險性研究由于幾乎所有的農作物在其分布區(qū)都存在有性繁殖兼容性（可交配）的野生種和近緣種,因此從理論上講，基因污染的發(fā)生完全是有可能的。如果在有機農業(yè)生產基地周圍種植轉基因作物，有機農場就有可能受到基因污染，基因污染主要存在如下幾種形式。2.2.1轉基因作物有可能演變?yōu)椤俺夒s草”“超級雜草”概念首先由E.Anderson提出，特指那些來自馴化作物與野生近緣種雜交而產生的有害植物。1999年，在加拿大Saskatchewan省的11塊地的田間確認了抗多種除草劑的轉基因油菜自播植物的存在，并且在相鄰油菜地的小麥田間也發(fā)現(xiàn)了能抗除草劑的轉基因油菜自播植物，同時該油菜已經變成了麥田中的雜草,而且難以治理，以上情況出現(xiàn)的緣故就是基因流的緣故。最近,EnglishNature報道上加拿大出現(xiàn)抗3種除草劑油菜自播植物的整個過程，并再次提出了“超級雜草”的說法。所以，那些原本具有雜草特性的植物如向日葵、油菜、草莓等在進行基因遺傳轉化時,應該重視可能出現(xiàn)的雜草化問題。2.2.2轉基因作物通過基因流對近緣物種造成潛在威脅的影響隨著轉基因作物在環(huán)境中的大量釋放,不斷有研究證實這些不同來源的轉基因通過花粉

向相關近緣物種轉移的事實。2001年11月Chapela和Quist在Nature上報道了墨西哥Oaxa-ca州的玉米受到基因污染的分子證據，同時墨西哥政府也兩次分別證實了本土玉米受污染的事實,這一發(fā)現(xiàn)令全世界感到震驚。在墨西哥,有超過300種的玉米地方種和野生種可能會因為這種基因污染而消失。另外，被轉基因植物無意授粉產生的種子有可能成為轉基因向其他品種或野生近緣種轉移的“遺傳橋梁”。我國是大豆的起源地和品種多樣性集中地有6000多份野生大豆品種,占全球90%以上。目前遼寧、吉林和黑龍江大面積種植有機大豆，而2001年美國向中國出口了大約540萬t的大豆，在美國，大約70%的大豆是孟山都公司生產的轉基因抗草甘麟大豆。如果這部分轉基因大豆從運輸到加工的過程中，有一部分產品遺落到野外或者被農民私自種植，就有可能成為我國有機大豆基因污染的源頭，對我國的有機大豆造成污染，使我國大豆的遺傳多樣性喪失！2.2.3轉基因作物對非靶生物的影響基因工程Bt殺蟲作物持續(xù)而不可控制地產生大劑量的Bt毒蛋白，能大規(guī)模地消滅害蟲,但同時也傷害了部分靶昆蟲，因為Bt毒蛋白通過食物鏈轉移到了非靶昆蟲身上，使昆蟲的腸胃破裂，如飛蛾類（飛蛾與蝴蝶）和甲殼類（甲蟲）。而且基因工程Bt殺蟲作物產生的Bt毒蛋白可以從植物的根部滲透到土壤或隨葉子進入土壤,Stotzdy與其同事研究表明,Bt毒素會被吸收到土壤微粒中并殘留234天或更久，這對土壤和水體中的無脊椎動物具有危害性，而傳統(tǒng)的Bt殺蟲菌粉則沒有這種危害。Birch等報道食用植物凝集素轉基因番茄植株上蚜蟲和瓢蟲與對照組相比，產卵率減少38%,壽命僅為對照組的50%。2.2.4轉基因作物對生物多樣性和天然生物基因庫的影響生物繁殖的本質就是基因的復制,轉基因可隨被污染生物的繁殖而得到繁殖，再隨被污染生物的傳播而發(fā)生擴散,這種擴散使得大量轉基因進入野生植物基因庫,進而影響基因庫的遺傳結構，破壞遺傳多樣性，給生物多樣性造成危害。進化理論預測一個含有優(yōu)勢基因的品種會增加該品種在該物種中所占的比率。例如，我們可以預期一個抗蟲基因（如Bt基因）所表現(xiàn)的優(yōu)勢和該優(yōu)勢在種群中比例的上升，結果便使其他基因型品種比例降低,同時伴隨基因多樣性的喪失。天然的野生植物基因庫對人類是一個巨大的寶藏，也是人類發(fā)展有機農業(yè)的天然基礎，然而令人堪憂的是:我們現(xiàn)在還能守住這最后一片“凈土”嗎？2.2.5轉基因作物對自然界生態(tài)平衡的影響自然界生物被基因污染后的結果可能使某些野生物種從轉基因中獲得新的性狀，如耐寒、抗病、速長、高產、抗鹽等,使其具有更強的生命力并可能打破自然界的生態(tài)平衡。有機農場一旦被基因污染打破生態(tài)平衡,將不再適宜種植原有的作物品種。2.2.6轉基因作物對害蟲抗性增加的影響由于Bt基因在植物體內的持續(xù)表達，使得害蟲在整個生長周期都受到Bt殺蟲蛋白的選擇，可促使害蟲對轉抗蟲基因植物產生相應的抗性。害蟲對轉基因植物的抗性發(fā)展，能夠削弱轉基因植物本身的效益，對環(huán)境產生負面影響。2002年6月3日,綠色和平與中國農業(yè)生物技術學會、國家環(huán)境保護總局南京環(huán)境科學研究所在北京聯(lián)合發(fā)布了《轉Bt基因抗蟲棉環(huán)境影響研究的綜合報告》，該報告綜合分析了中國農科院植物保護所、中國農科院棉花所、中國農業(yè)大學植物保護系和南京農業(yè)大學植物保護系4家中國權威機構的研究數據，提出大田連續(xù)種植8-10年抗蟲棉后,抗蟲棉可能喪失對棉鈴蟲的抗性,從而失去其利用價值。這一事件是繼Pusztai事件、帝王蝶（Monarchbutterfly）事件、巴西堅果事件和墨西哥玉米污染事件后的又一件大事，再次在學術界掀起了軒然大波，引進了世界各國對轉基因作物安全性的高度注意。如今，在有機農場大量使用的Bt殺蟲劑在面對害蟲抗性不斷增加風險的情況下,還能繼續(xù)保持其高效的殺蟲效果嗎？2.2.7轉基因作物引起新病原菌產生的可能性轉基因引起新病原菌產生的可能性，即病毒發(fā)生異源重組和異源包裝的可能性。轉基因

作物表達的病毒外殼蛋白在體外試驗中，可包裝入侵另一種病毒的核酸，從而產生新病毒。雖然，迄今在田間試驗中尚未發(fā)現(xiàn)病毒的異源包裝，但小規(guī)模的田間試驗得到的結論不一定與大規(guī)模生產應用結果相同。3基因工程體與其產品食用安全性由于基因工程可以使基因對生態(tài)環(huán)境和人類健康可能帶來的后果難以預料。目前的科學水平不能精確地預測轉基因可能產生的所有表型效應,也很難明確地回答公眾對基因工程產品提出的各種各樣的安全性問題。因此，為了加強農業(yè)生物工程產品的安全性,應根據本國的國情，采取積極、認真、慎重的態(tài)度與務實、具體的保護措施，參照國際組織的研究結果與標準，設立安全評價與管理機構，制定法規(guī),采取防范措施。在目前科學技術尚難以完全檢測、鑒別的情況下,充實和完善實驗和隔離設備，利用健全的食品檢測手段，對轉基因產品農業(yè)生態(tài)環(huán)境與人民的食物安全、健康的影響，實施嚴格的把關和保護。轉基因植物食品的實質等同性分析包括幾個層次的內容：表型性狀:如植物的形態(tài)、生長、產量、抗病性與育種家關心的其他農藝性狀；成分比較:包括關鍵性營養(yǎng)成分（脂肪、蛋白質、碳水化合物）、毒性物質（該物固有的有毒物質與其含盈）等。在分析時,應考慮到不同地區(qū)、不同文化背景和社會活動的差異;》插人性狀:如果轉基因植物品種與原親本品種除某一個插人的特定性狀外，具有實質等同性，則安全性分析應集中于插人的基因表達的產物，即蛋白質的結構、功能與專一性，以與由墓因表達產物產生的其他物質.插人性狀的分析主要包括有無過敏性蛋白與抗生素抗性等標記墓因的安全性.若插人基因來自已知的過敏原體，其編碼的蛋白在遺傳工程體的食用部分表達，則不管過敏原是否常見,均需確定該基因是否編碼過敏原若插人基因來自未知是否有過敏性的生物,如病毒、細菌、昆蟲、非食品植物等,則分析比較困難。最有名的例子是巴西堅果的富酸蛋白轉基因大豆可產生過敏原的問題。196年國際食品生物技術委員會等制定出一套分析遺傳改良食品過敏性的樹狀分析法，已用于分析轉基因食品潛在的過敏性。標記基因是與插人的目的基因一起轉人目標作物中的，它包括抗生素抗性基因與抗除草劑基因等,其中常用的是抗生素抗性標記基因。1993年WHO提出了標記基因安全性分析與評價原則：標記基因的分、化學和生物學特征。標記基因的安全性應與其他基因一樣進行評價：原則上，某一標記基因的資料一旦積累可用于任何一種植物,且可用于與任何一種目的基因連接.標記基因本身并無安全性問題,問題在于是否存在水平轉移的可能。人們食用轉墓因食品后，絕大多數DNA被降解并失活，其余極小部分（＜0.1%）是否會有安全性問題呢?抗生素標記基因是否會水平轉移到腸道徽生物或上皮細胞中，從而降低抗生素臨床治療的有效性?目前的結論是:這種可能性非常小.已經對一些主要標記基因的安全性有了較充分的認識，部分標記基因已被列為可安全使用的標記基因.應該看到，與人畜疾病中抗生家的滋用相比轉墓因作物引起的抗性增加是微不足道的?？茖W家也正在研究更安全的標記基因，如甘露糖一P異構酶。同時，轉荃因大豆和玉米產,包括耍兒食品，迄今在美國市場上已接近4儀X）種，尚未發(fā)生一例食品安全事件。轉基因食品的安全性問題已在世界范圍內成為人們瑯焦的熱點，許多國家的政府正忙于制定轉基因食品安全管理的指導方針，我國目前也在準備建立轉基因食品的安全性評價體系，同時加強“生物安全”問題的研究也相當重。由于許多公眾對新技術的模糊認識而產生的焦慮。日本已經建立了新的轉基因食品標簽體系，將轉基因食品分為與實質等同性一致的3類。4建議和對策

4.1健全法律規(guī)章，加強貫徹執(zhí)行在我國，原國家科委于1993年頒布了《基因工程安全管理辦法》，農業(yè)部于1996年頒布了《農業(yè)生物基因工程安全管理實施辦法》,1997年又發(fā)布了《關于貫徹執(zhí)行（農業(yè)生物基因工程安全管理的實施辦法）的通知》,2001年6月6日國務院頒布了《農業(yè)轉基因生物安全管理條例》，2002年，農業(yè)部發(fā)布了與該條例相配套的《農業(yè)轉基因生物安全評價管理辦法》、《農業(yè)轉基因生物標識管理辦法》和《農業(yè)轉基因生物進口安全管理辦法》。上述制訂的法規(guī)覆蓋生物安全的各個方面一一從實驗室到田間試驗，到商品化生產、加工和經營，甚至到出口，每一個環(huán)節(jié)都加以嚴格、科學的安全評價和把關。法律法規(guī)客觀上為保證轉基因產品不能進入有機農業(yè)產業(yè)鏈提供了可能,但遺憾的是,目前在我國市場上流通的轉基因產品絕大多數都沒有實行標識管理。針對當前轉基因技術研究和生產開發(fā)快速發(fā)展的實際現(xiàn)狀,國家應確保有關轉基因方面的法律法規(guī)隨轉基因技術的發(fā)展而不斷修訂完善，同時加強執(zhí)法的力度。4.2加強職能部門的協(xié)調合作與管理目前，我國介入轉基因生物管理的行政部門包括農業(yè)部、輕工業(yè)部、商務部、衛(wèi)生部和質量技術監(jiān)督檢驗檢疫總局，而有機食品業(yè)務則由國家環(huán)?？偩譅款^管理，由于涉與管理部門數量的眾多,各部門在轉基因作物和有機農業(yè)的研究、開發(fā)、生產、銷售和進出口等方面的管理環(huán)節(jié)上各自為政。因此迫切需要建立合理的機制，確保各部門在各司其職的同時能協(xié)調一致，提高管理的效率和效能。4.3加