4生态系统的基因流与物种流.

授课人:吴林坤[e-mail]13809511917生命科学学院生物科学系生态系统的基因漂流与物种流动（第九章、第十章）生态系统的基因漂流基因漂流的基本概念遗传物质扩展的方式基因污染转基因的生物安全转基因------机遇与挑战并存?拓宽了农作物品种的生物多样性的范围;改善了农作物的农艺性状;提高了农作物的品质和产量;为解决世界粮食和能源等危机提供了途径;生物多样性破坏问题;基因污染问题;转基因产品的安全性问题。超级杂草1、基因漂流的基本概念主要指生物的个体或群体之间由于杂交而导致的基因交流，或指将基因从一个群体的基因库传递到另一个群体的基因库。目前通常是指转基因生物和与其有亲缘关系的生物间的流动。1.1基因漂流的涵义1.2基因漂流的实现方式花粉漂流(pollendrift):在自然状态下携带转基因的花粉通过风媒（或虫媒）传布，与受体植物杂交形成携带转基因的后代，或转基因植物作为花粉受体形成携带转基因的后代，通过花粉传布的基因漂流。近缘杂交(closehybridizmion):转基因植物收获后，其种子散落在环境中形成自播植物(volunteers)，开花后与其野生近缘种杂交。1、基因漂流的基本概念1.3基因漂流的影响因素花粉源供体及受体植物的生物学特性植物远缘杂交水平花期的相遇程度花粉源的大小花的形状和花粉活力传粉载体（风媒或虫媒）环境因素1.4基因漂流的研究方法研究方法绿色荧光蛋白(GFP）标记基因的应用1996年，Stewart等将来自苏云金杆菌的rylA基因转入油莱中，获得了抗鳞翅目害虫(如小菜蛾)的转基因油菜。该方法采用一种绿色荧光蛋白(GFP)基因代替抗生素基因作为标记基因，成熟油菜叶片在长波段紫外灯或蓝灯下很容易用肉眼观察到GFP的存在，简化了检测程序，且在细胞质中或内质网上表达GFP不会带来任何适合度代价，成为检测转基因油菜与其近缘种间的基因漂移的有效手段。GENESYS模型GENESYS模型由Colbach等在1977年建立，可用于定量研究农作区的耕作制度对新油莱品种基因漂移的影响。该模型中包含的变量有：（1）田间设计，包括生长有自然植被的农田和道路及其边际，有生长着的油菜自播植株；（2）每块农田上作物的替换情况；（3）不同耕作技术的模式(采后和播种前的耕耘、播种日期和播种率、播种密度、除草剂的使用情况等)和日期；（4）作物品种的基因型组成(转基因的存在与否，编码植株高度、花粉形态、雄性不育及其恢复基因)。控制基因漂移的源头花粉源和种子源、传播媒介和受体三个环节阻断交流过程，可以取得控制基因漂流预期的效果。1.5基因漂流的控制技术作物名称隔离距离/m备注玉米小麦大麦芸香属棉花水稻大豆番茄烟草高梁马铃薯西葫芦辣椒3001001001000150100100100400400100700100盛花期隔离25天以上盛花期隔离20天以上盛花期隔离20天以上----盛花期隔离25天以上----盛花期隔离25天以上------------------------主要农作物田间隔离距离利用物理距离进行隔离2002年3月20日中国农业部颁布实施的《农业转基因生物安全评价管理办法》2、遗传物质的扩展方式垂直基因传递(verticalgenetransfer，VGT):指世代间的DNA传递方式称为垂直基因传递。垂直基因传递水平基因传递遗传物质的扩展水平基因传递(horizontalgenetransfer，HGT)：又称为侧向基因传递(1ateralgenetransfer，LGT).指差异生物个体之间或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质交流。质粒或病毒介导的水平基因传递基因的“直接”水平传递2、遗传物质的扩展方式接合作用接合性质粒：质粒可以在细菌间转移，两种有关细菌接合时，有的质粒如F质粒和R质粒，能在细菌间转移。转导是指以噬菌体为媒介，将细菌的小片段染色体或基因从一个细菌转移到另一个细菌的过程。基因的“直接”水平传递感受态细胞直接摄取具转化活性的外源DNA医用抗生素农用杀菌剂基因水平传递的新证据进化历史的网状树或网络树（1）海栖热孢菌是一种属于细菌域的嗜热细菌，在其基因组中含有1872个预测的编码，其中有1014个(54％)功能已知，比对发现有24％的基因与古细菌基因相近，即有近1/4的基因来源于古细菌。（2）耐放射异常球菌中含有几个仅在植物中才有的基因；（3）结核分枝杆菌的基因组也至少含有5个来自人类的基因，而且这些基因编码的蛋白质能帮助细菌逃避宿主的防御系统。（4）人类基因组上已发现了223个来源于细菌的基因。实例：3、基因污染基因污染（genecontamination）：人工组合的基因通过转基因作物或家养动物扩散到其他栽培作物或自然野生物种并为后者基因的一部分。基因污染的危害污染传统作物污染自然界的生物基因库影响自然界的生态平衡污染“微生态”菌群在自然界中增殖和扩散如何防治基因污染？保持作物的遗传隔离距离，在可能发生花粉交换的距离内清除作物的野生亲缘种；同时采取某些措施如在作物周围设置某种设施，防止和减少花粉从试验地流失，或在收获后使用除草剂等，都可以有效地减少转基因逃逸的风险。对栽培地区存在的作物与其亲缘种的杂交性进行研究，重点评估杂种的适合性,以了解转基因的可能性和生态风险迁移的特性。移去与作物有性亲和的种类，调整开花时间以及在其周围种植同种的非转基因作物作为缓冲区。用雄性不育品种来阻止转基因花粉的逃逸。此外，杂交的成功与作物种类、特定的基因型和环境条件有关，相应的防治措施也可能成为防治基因污染的有力工具。4、转基因的生物安全生物安全:一般指由现代生物技术开发和应用所能造成的对生态环境和人体健康产生的潜在威胁，及对其所采取的一系列有效预防和控制措施。CDC定义为：生物安全指在研究和使用具有潜在感染性的微生物时，实验室操作、程序、实验设备和仪器设备的安全性。4.1生物安全的定义我国对生物安全的定义:指在一个特定的时空范围内，由于自然或人类活动引起的外来物种迁入，并由此对当地其他物种和生态系统造成改变和危害；人为造成的环境剧烈变化而对生物的多样性产生影响和威胁；在科学研究、开发、生产和应用中造成对人类健康、生存环境和社会生活有害的影响。转基因生物转基因生物：利用基因工程技术将外源基因整合到受体生物基因组，改变其遗传组成后产生的生物及其后代，统称为转基因生物。4.2转基因生物安全性商业化转基因作物：(1)转基因油菜籽：l6个商品化的品系。主要用于榨取供人类食用的油，其次用作动物饲料。l6个品系分为两类，一类为具有耐除草剂功能，另一类是改变油脂成分和含量。(2)转基因大豆：7个商业化品系。主要是耐除草剂转基因大豆是最主要的商业化种植的转基因作物。早在1994年，Monsanto公司开发的抗草甘膦转基因大豆(商品名：RoundupReady)就在美国被批准可以供人类食用。(3)转基因玉米：共有21个品系，主要改变的性状是抗虫、其次是抗除草剂，有8个转基因玉米品系具有抗虫、抗除草剂两种性状，还有这2个品系（MS3、MS6）的转基因玉米不用于榨油，由于原因是食用这2个品系的转基因玉米榨的油会引起不育。(4)转Bt基因抗虫棉：我国有：GK1、GKI2、GK19、GK22等，准许在中国进行商品化生产的国外抗虫棉品种主要有33B、32B、99B等。4.2转基因生物安全性早在1973年美国新罕布什尔州举行的Gorden会议，许多生物学家就对即将到来的大量基因工程操作的安全极为担忧，并建议成立专门的委员会来管理重组DNA的研究，制定指定性法规。1975年2月24-27日在美国加利福尼亚州Asilomar举行的国际会议则是世界上第一次提出转基因生物安全性的会议。这两次会议的召开标志着人类开始正式关注转基因生物的安全性问题。4.3转基因生物的风险评价4.3.1转基因生物的环境安全性评价对人畜健康的影响；对其它生物的生态或遗传影响；对生物多样性或生态系统的影响。具体而言：（1）转基因作物作为“外来种”是否带来生态风险；（2）转基因成分在环境中残留及可能造成的基因污染；（3）转基因成分对土壤生态系统的影响；（4）转基因作物可能演变成农田杂草或将基因传递到其它杂草的风险；（5）转基因技术造成生物多样性下降的风险；（6）转基因作物可能产生新的病毒或超级病毒的风险；（7）转基因作物对非目标生物造成危害的风险。4.3.2转基因植物的食品安全性评价1）转基因食品安全性评估的原则①实质等同原则由经济合作发展组织(OECD)于1993年提出。该原则主要是指，如果通过检测证明转基因作物加工的食品以及食品成分与目前市场上销售食品的成分相同，则原则认为它们没有差异，因此无需进一步检测。如果个别成分不同，则只需对这些个别成分进行单独的毒性、过敏性等安全性检测。实质等同原则本身并不是安全性评价，而是用来构建相对于传统亲本的新食品安全性评价的起点。这一概念用来确定新食品与传统亲本食品之间的相似性与差别，有助于确定转基因食品的潜在安全性和营养问题。②个案分析原则强调不同转基因作物或转基因食品，即使它们转化的是同一种外源基因，也必须逐个进行安全性审查。同一种作物转化不同的基因也同理需要逐个进行审查。这一原则的立论就是基因环境的影响，而表现出对最终产品成分的影响；同样同一种植物对不同的外源基因的反应也不相同，对最终产品的表现也有不同的影响。③逐步完善原则指目前的安全性评估只能在目前设备条件和技术水平上进行，评估的结果不可能是尽善尽美的；随着研究的深入和技术条件的提高，需要不断地进行完善，逐步提高安全性评估手段的有效性和准确性。4.3.2转基因植物的食品安全性评价2）转基因食品安全性评价的框架①转基因食品中的新成分是否有毒；②转基因食品中新成分是否会引起过敏反应；③转基因技术是否破坏了原来食物的有益成分；④转基因食品降低牲畜及人类的免疫能力的风险；⑤转基因食品是否会促使细菌产生抗药性。虽然到目前为止，关于转基因产品的安全性问题多数并没有得到最终的证实。学术界对此问题的争议也很激烈，大多数科学家都赞同谨慎研究发展的观点。由于转基因生物的安全问题需要很长时间的验证才能确定，而基因污染一旦发生，会对人类产生不可逆的负面影响，即使是潜在危害，也要慎之又慎。4.4转基因生物的管理和检测4.4.1转基因生物的管理1992年巴西联合国环境与发展大会通过《生物多样性公约》，并在1993年12月29日生效；1994年联合国环境署组织起草了《国际生物技术安全准则》；2000年联合国通过《生物多样性公约的卡塔赫纳生物安全议定书》；2000年八国首脑会议也对生物技术的发展、安全性及贸易问题进行了讨论并发表了备忘录。我国在转基因生物管理方面起步较晚，目前也颁布了许多相关的法规。1993年中国科技部第17号令制定了《基因工程安全管理办法》；1996年中国农业部制定了《农业基因工程安全管理实施办法》；2000年国家环境保护总局颁布了《中国国家生物安全框架》；2001年5月国务院又颁布了《农业基因生物安全管理条例》。农业部专门成立农业基因工程安全管理办公室以及农业生物基础工程安全委员会，负责全国农业生物遗传工程体的安全性检查审批。(1)DNA检测法检测转基因生物基因组中是否含有外源基因，方法有定性PCR、定量PCR、DNA测序、Southern以及近来快速发展的基因芯片技术。①定性PCR方法。②定量PCR方法。③荧光PCR。④实时定量PCR法。⑤多重PCR(复合PCR)⑥Gene-Scan法。⑦DNA测序⑧SouthernBlot法。⑨基因芯片法。4.4.2转基因产品的检测方法(2)蛋白质检测法蛋白质检测方法最常用的是ELISA检测方法。该方法具备特异性高、快速、耗费低等特点，但该方法的灵敏度不够高，且即使是检测出阴性结果也不表明该样品不含转基因成分。(3)PCR-ELISA法PCR—ELISA法是利用地高辛或生物素等标记引物，扩增产物被固相板上