第15章转Bt基因作物的回顾与前瞻

第15章转Bt基因作物的回顾与前瞻S.卡斯塔尼奥拉女友和胡安·路易斯·Jurat-富恩特斯摘要在过去的二十年,那些从苏云金芽孢杆菌Bt里得到的，能够表达杀虫毒素基因的转基因作物的发展和商业化带给了农业新的改革。有关杀虫bt蛋白的鉴别和描述与在植物方面的改造和基因工程技术取得的进步共同促进了这一革命在害虫的科学管理方面的发展。虽然这项技术的商业化，目前被仅限制于一些国家，但是这些转基因“bt作物”正在替代传统的作物品种，在大多数的情况下，原因是其抗虫性，降低喷涂的要求，和更高的产量。然而,相关的担忧影响着这项技术不断增加采用的趋势，包括基因流到野生亲戚,进化的抵抗目标害虫,和对环境产生意想不到的影响。在这一章中，我们将讨论在转Bt基因作物的发展历史中的关键事件，并总结现行法规，旨在减少风险增加这种技术的采用。通过分析Bt转基因作物的历史和当前的市场趋势和问题,我们的目标是检查当前和即将到来的前景Bt作物作为以及潜在的问题,可能会出现在他们的将来使用。关键词Bt基因作物毒素基因转bt基因作物的风险Bt作物的影响抗性15.1介绍杀虫产品基于苏云金芽孢杆菌(Bt)使用了几十年控制鳞翅类(毛毛虫),双翅类昆虫(蚊子和黑苍蝇),和甲虫类之昆虫(甲虫幼虫)害虫(Sanchis2010)。据估计bt产品约占全球销量的80%(Whalon生物农药和Wingerd2003)。bt产品被采用的一个主要动力因素是其有有机产品认证的全球性扩散,这在很大程度上依赖于Bt来控制昆虫。当与可用化学合成的农药相比时，其优势体现于特异性和高的相对毒性的杀虫蛋白产生的高效率和环境安全的转基因结果。然而，有几个因素限制了Bt产品更多的利用，包括短期持久性和低残留的活动，其原因是环境降解和隧道或根的害虫控制不良（SA-nahuja等。2011年）。这些限制因素直接导致人们有兴趣发展拥有更持久和直接交付的Bt毒素替代系统来控制农业害虫。例如,封装的Bt毒素在非致病性的假单胞菌荧光细胞被杀之前释放，从而导致增加环境退化和毒性的抗性(Gaertneretal。1993)毫无疑问，最有效的输送系统，以控制鳞翅目和鞘翅目害虫，是具有杀虫Bt基因植物的转型。这些转基因Bt作物，通过表达转入的Bt毒素基因和在植物组织中积累bt毒素来避免害虫的攻击。直接交货到昆虫在取食植物时应减少暴露于非靶标动物面前，并允许管理,否则很难控制隧道和根喂养害虫。15.2发展，有利于转Bt基因作物15.2.1对Bt毒素基因的研究早期的研究在识别Bt蛋白质负责杀虫活性密度和进展的方法来改变植物对bt作物的发展起了重要的作用。发现、描述和分类的Bt纯种，通过使用鞭毛H抗原输入的营养细胞(deBarjac和Bonnefoi1968)鉴别能够产生有毒物质的菌株与潜在控制特定的害虫提供了极大便利。最近,杀虫活性测定一直主要关注生物测定法纯化Bt毒素(vanFrankenhuyzen2009),因为一个Bt血清型菌株可以产生多个和多样化的杀虫成分。在几个毒力因素,Bt毒素细胞产生有能力的杀虫活性,包括植物杀虫蛋白(Vip)、晶体毒素(cry),细胞溶解的(Cyt)毒素。虽然Vip毒素产生在植物生长过程中(Estruchetal。1996),cry和Cyt毒素合成是在孢子形成(-汉内饰和女1955)和后期指数增长阶段(Salamitouetal.1996)。Cry和Cyt毒素都被作为结晶体而存储（Bullaetal。1977),这可能是由单个或多个毒素组成来杀虫(Crickmoreetal.1995)。单个bt毒素活性范围的测定和编辑（Frankenhuyzen2009）为可以识别高效能的毒素，在防治转基因作物的中作为最佳的选择。由于其早期的发现和表征,cry毒素基因一直以来被显著地用于植物改造中,尽管有关vip基因的发现和描述允许生产转基因Bt作物(Table15.1)。编码cry和Vip毒素的基因(Kronstadetal.1983)(Wuetal。2004年；Francoriveraetal.2004)都位于质粒或细菌染色体。第一个cry的毒素基因的克隆及其作为一个活跃的杀虫毒素在大肠杆菌内的表达(Schnepf和怀特利1981)暗示在不同生物内的cry毒素基因潜在的转化来增强疗效或增加活动范围。目前,超过400的Bt毒素基因已经被克隆和测序,包括218cry和28Vip毒素重要性(Crickmoreetal2011).指导Bt毒素基因表达机制的全面描述(AgaisseandLereclus1995),和与控制这个过程有关的小数量的遗传基因座,大大促进了遗传操作高效除压力在异种的系统(安德鲁斯etal.1987)。不同种类微生物的范围最先被BT毒素基因转化的，其中包括芽孢杆菌(Shivakumaretal。1989),假单胞杆菌(Gaertner。1993;Obukowiczetaletal。1986),根瘤菌(Skøtetal。1990),宿根矮化病菌(Lampeletal。1994)。在植物上的Bt毒素基因的表达要求有效发展植物转化和选择方法和有效的启动子序列的识别Bt毒素基因直接表达1522植物表达系统鉴定的串联重复35s启动子从花椰菜花叶病毒(CaMV35S)(凯etal.1987)和泛素(ubi)玉米(玉蜀黍属玉蜀黍)启动子(克里斯腾森etal。1992),是至关重要的实现增强非植物基因的表达在跗基节,包括Bt毒素基因。尽管激活子操纵表达系统最初用于Bt作物,也有被后来的例子使用组织优先提升目标表达式。当目标害虫专门取食一个特定的植物组织时，这一策略尤其令人满意。例如,cry34Ab1/cry35Ab1毒素基因的表达来控制根喂养幼虫(Diabrotica西部玉米根虫virgifera)最近通过使用小麦(小麦)peroxi-dase基因启动子驱动根转基因表达(Gaoetal.2004)。表达式的转基因还可以针对于一个特定器官通过使用交通肽基因,一种被提议的策略来帮助防止逃跑的Bt转基因野生亲戚。例如,叶绿体运输肽基因(cab22L)从佩妮矮牵牛是用于驱动基因的表达cry9c玉米叶绿体在明星-链接玉米(简森斯etal.1997)。在这之后产品撤出市场,替代发起人如大米和交通血红肽序列(tp)已经被用于目标和提高表达的基因在叶绿体哭(金吗etal.2009)。另外,一个叶绿体表达载体包含网站的ho-mologous重组和叶绿体启动子Prrn用于指导chroroplast表达cry1Ac(麦克布莱德etal.1995)或cry2Aa在烟草(哥打etal。1999),和cry1Ab在卷心菜(刘etal.2008)。15.2.3Bt杀虫基因的转化和选择的转化发现的有效推动者和设计在足底表达式磁带同时先进的开发有效的植物转化方法。德-研制生产各种根癌土壤杆菌协议(Zambryskietal。1983)允许的稳定转换成dicotyledoneousBt基因的植物,如番茄和烟草。在这个系统中,农杆菌属Ti质粒载体被修改通过移除肿瘤生成部分和插入Bt毒素基因的兴趣和可选的标记,以便植物感染导致系统性基因整合和随后的转基因植物的再生。替代转换冰毒-ods如电穿孔,即peg介导法轰击(戈登•卡姆etal。1990),这也可以用来转换monocotyledoneous作物(玉米、大米、或吗小麦),也用于发展Bt作物(Kozieletal.1993)。在这些方法,质粒DNA含有Bt毒素基因的兴趣和可选择的标记为植物细胞交付使用毛孔引起电击(elec-troporation)或涂层的质粒与重金属粒子,然后使用它向植物胚胎与基因枪。改造后,成功的transformants通常选择使用抗生素抗性基因的多样化。最常用的选择基因Bt作物一直是新霉素磷酸转移酶II(NPTII)基因(neo)从E。杆菌(贝茨etal。2000),使抗生素卡那霉素、新霉素一样。另一种选择方式,已经被用于Bt作物的成长transformants包含6磷酸甘露糖异构酶(Pmi)基因从E。杆菌在媒体含有甘露糖为唯一碳源(长etal.2007)。其他例子的标记用于植物的选择与Bt基因改造包括氨基糖苷类39-adenyltransferase(aadA)的基因,它阻力-例如对壮观霉素链霉素(Kotaetal。1999),和潮霉素b磷酸转移酶(aph4)基因,这使得转化细胞上的选择培养基含有潮霉素(卢埃林etal.2007)。15.2.4转Bt基因作物的早期发展和面临的挑战一旦感兴趣的Bt毒素基因鉴定和转换和选择方法优化公共和私人研究小组很快开始前做实验目标开发转基因Bt植物。初始尝试变换完整的晶体毒素基因导致植物毒性(巴顿etal。1987),转移利益表达的截断晶体毒素基因编码的杀虫n端毒素一半,发现不被有毒的植物。截断cry1A毒素基因用来开发转基因番茄(Fischhoffetal。1987),烟草(Vaecketal。1987;巴顿etal。1987),和棉花(Perlaketal.1990)。尽管其中的一些初始转基因Bt植物抵抗喂养了由选定的鳞翅类的幼虫,它是公认的,水平的毒素基因外压力仍低和性能考虑为commercializa不足-优化。低水平的毒素mRNA在转基因植物表明毒素成绩单是不稳定的,可能是由于效率低下的转录后的过程-ing或快速周转(巴顿etal。1987;穆雷etal.1991)。这种现象最初是归因于在丰富自然的Bt毒素基因,导致植物细胞的识别监管机制作为外国,引发聚-adenylation与信使核糖核酸的不稳定性。转化效率得到了很大的提高经过改性的Bt毒素基因编码序列匹配植物优先,导致多达100倍更高水平的Cry1Ab毒素在转基因烟草和番茄(Perlaketal.1991)。实验室和现场试验使用转基因烟草行包含该截断cry1Ab毒素基因的控制下CaMV35s启动子(Carozzietal.1992)提供的证据的有效防护烟草天蛾的幼虫(Manducasexta)和烟草蚜虫(Heliothisvirescens)(华伦等。1992年)。玉米植株与优化合成cry1Ab转变基因被报道可以抵抗欧洲玉米螟(Ostrinianubilalis)下现场条件(Kozieletal.1993)。进一步增加生产效率在烟草Cry1Ab毒素是通过使用点突变,以避免低效率的神秘的接头地点,抑制核记录处理和运输的细胞质(Aarssenetal.1995)。甚至更高水平的毒素堆积在哭报告cry1Ac毒素基因的表达在烟草叶绿体,ac-累积的Cry1Acprotoxin总数的5%在烟叶可溶性蛋白(麦克布莱德etal.1995)。在1960年代以前,知识产权并不容易执行和科学技术的价值制定并未完全实现。一群生物技术公司承认上述生物技术的重要性发展和转移了大部分资金计划的人——从化学ufacturing基本的生物技术。孟山都等公司或Mycogen开始尝试各种各样的推动者,抗生素抗性基因,transforma-优化组织培养系统,研究小说Bt杀虫蛋白质。这些重要的投资新技术迫使保护知识获得经济回报产权。通过实施措施agricul-tural公司来保护他们的投资的商业可行性insecticid-转基因技术是进一步探索艾尔(Horsch1993)。穷的专利——对其的转基因Bt技术包括发起人、表达策略,选择标记和技术,以及转基因植物和特征表示。加强知识产权注明商业成功和市场性的Bt转基因作物害虫控制产品,如exem-plified在14倍增加研究与开发支出的植物育种相关的科学和技术来源于私人资金来源。酒吧——印度人寿保险公司支出模式,这也有助于投资趋势,变化很小在这段时间里,进一步巩固了因果代理人的进步知识支柱-erty执法(Fernandez-Cornejo2004)。早期农业的行为生物技术公司重组他们的商业标识和永久农业生物技术领域的领导主要从学术到最历史上竞争病虫害管理市场。转基因作物下跌的管辖联邦杀虫剂、杀真菌剂、和杀鼠剂法》(FIFRA),因此被监管机构作为农药登记的