发展转基因作物的研究进展

1发展转基因作物的研究进展摘要：随着现代生物技术的不断发展和应用，依靠先进的生物技术手段，特别是以基因工程代表的现代生物技术的迅速进展。自1996年以来，转转基因作物的大规模商业化生产为人们带来了巨大的社会经济效益，更是一度解决了粮食短缺的问题。但是转基因技术存在一定的风险性，因此加强转转基因作物的安全性评价和标准化管理显得尤为迫切和重要。本文从营养学、毒理学、过敏性等方面综述转转基因作物的食用安全性评价，并举例几种转转基因作物进行详细论述，对转转基因作物的食用安全性有更加系统、全面的了解。谈诉转转基因作物的发展现状以及发展挑战。关键词:基因工程；转基因技术；安全性评价；转转基因作物；安全标准化。1、转基因技术简介目前，转基因生物技术的研究，大多分布在抗虫基因工程、抗病基因工程、抗逆基因工程、品质基因工程、品质改良基因工程、控制发育的基因工程等领域。如抗虫基因工程将Bt基因导入棉花、玉米、水稻、烟草、马铃薯等作物，毒杀害虫；或将胶蛋白酶抑制剂基因导入作物，干扰害虫消化作用，而导致害虫死亡。中国是继美国之后育成转基因抗虫棉的第二个国家。现在河北省与美国孟山都合作育成33B抗虫棉（高抗棉铃虫、抗枯萎病、耐黄萎病）。由中国农科院生物中心、江苏省农科院导入Bt基因，由安徽省种子公司，安徽省东至县棉种场共同选育的抗虫棉“国抗1号”在安徽省已通过审定。国际水稻所将抗虫基因导入水稻，育成抗二化螟、纵卷叶螟的转基因水稻。中国农科院、中国农业大学、中国科学院、河南农科院等许多科研单位和高校将几丁质酶和葡聚糖酶双价基因导入小麦育成抗病转基因小麦、转基因烟草、转基因水稻等等。英国爱丁堡大学将水母发光基因导入烟草、芹菜、马铃薯等作物，获得发光作物，驱赶害虫。目前在其它转基因工程方面也取得了许多成果，在此不能一一例举。总之在作物种类方面，大多集中在大豆、玉米、棉花、油菜、马铃薯、南瓜、木瓜、西葫芦七大类作物。2、转转基因作物的发展趋势1992年，我国成为世界上第一个实现转转基因作物在大田规模释放的国家，开始大规模种植烟草花叶病毒和黄瓜花叶病毒双抗的转基因烟草。1996年，可以延迟成熟的转基因西红柿首次被允许在美国市场上销售，自此转基因植物在全球范围内的种植面积不断扩大，己经累计种植了超过15亿hm2。随着转基因技术发展的日趋成熟和社会对转转基因作物需求量的不断增加，按照生物技术产业的划分，转转基因作物可分为3代:第1代转转基因作物是以改良农艺性状为主，这些性状的改变对2于消费者来说，与传统非转转基因作物无本质区别，因为二者在外观、风味和营养价值上是相似的，如抗除草剂大豆、抗虫玉米和抗除草剂玉米、抗除草剂和抗虫土豆等，其余还有抗病、抗旱、抗盐碱、延缓成熟的转转基因作物;第2代转转基因作物主要是提高品质性状，对消费者具有直接相关的意义和价值，包括提高蛋白质和必需氨基酸、有益脂肪酸、碳水化合物、微量元素或其他植物化学物质的水平、改善风味特征等，例如富含高赖氨酸、植酸酶和铁蛋白的玉米、含有高蛋氨酸的土豆、富集β-胡萝卜素、α-亚麻酸的大米;第3代转转基因作物主要是作为生物反应器应用于生物医药及工业领域，如生产高附加值的预防龋齿、骨质疏松、糖尿病和禽兽疾病等优质药物蛋白、疫苗、抗体，以及生产可降解塑料的转基因植物等，使消费者直接受益。此外，包含两种或多种特征的复合性状转转基因作物也成为近年新型转转基因作物的研究热点，例如一株转转基因作物可以具有多种抗虫性状，或者同时含有抗虫和耐除草剂性状，较大程度提高了资源利用效率，将成为未来转转基因作物的发展趋势。3、转转基因作物的食用安全性评价3.1、转转基因作物安全性评价的原则转转基因作物的安全性评价原则主要包括两方面内容：遗传工程体特性分析和实质等同性原则。3.1.1遗传工程体特性分析在对转转基因作物安全性进行评价时，首先要考虑的就是遗传工程体的特性分析．这有助于评价一种新型食品与传统食品是否有明显差异。分析的内容主要有以下三个方面：一是供体的来源、分类、学名，与其他物种的关系，作为食品食用的历史，有无毒史、过敏性、‘传染性、抗营养因子、生物活性物质，该供体的关键营养成分等：二是被修饰基因及插入的外源基因的来源、结构、功能、用途、安全性、转移方法等：三是受体与供体相比的表型特征和稳定性，外源基因的拷贝量，引入基因转移的可能性以及引入基因的功能与特征。3.1.2实质等同性原则在联合国粮农组织(FAO)、世界卫生组织(WHAO)、经济合作与发展组织(OECD)的倡议下，欧盟、美国等国家一般都采用“实质等同性”原则来构建食品安全性评估程序。所谓实质等同性．是指如果一种新食品或食品成分与传统食品或食品成分等同，就安全性而言，它们可以等同对待，也就是说．生物技术生产的食品或食品成分能够被认为与传统食品或食品成分一样安全。实质等同性分析本身不是危险性分析，而是对新型食物与传统食品相对的安全比较，是一种动态过程。在1996年FAO!WHO召开的第二次生物技术安全评价专家咨询会议，实质等同性根据产品的特性分为三类：一是与传统食品具有完全实质等同性，该食品与传统3食品具有相同的安全性，无须做进一步的安全性分析：二是与传统食品具有实质等同性，但存在特定差异，须对引入的基因遗传物质进行安全性分析；三是与传统食品无实质等同性．应全面分析食品的营养成份和安全性。对受体细胞、外源基因、基因载体和表达产物的分子生物学特征及营养特性做全面的评价分析，再结合毒理学方法做体内动物实验，确保其安全性。3.2转转基因作物安全性评价的方面加强对转转基因作物安全管理的核心和基础是安全性评价，其中既要考虑期望效应又要考虑非期望效应，是一项复杂、精细的系统性工作。目前国际上对转转基因作物安全评价遵循以科学为基础、个案分析、实质等同性和逐步完善等原则。转转基因作物的食用安全评价内容涵盖营养学、毒理学、致敏性及结合其他资料进行的综合评价。3.2.1营养学评价对新作物品种进行营养成分分析是营养学评价的基础。即便用传统育种方式培育的作物品种也会存在营养成分上的显著性差异，因此更加需要对转转基因作物与其非转基因亲本进行营养成分的显著性差异分析，主要包括蛋白质、纤维、脂肪、灰分、水分、碳水化合物、氨基酸、脂肪酸、维生素、矿质元素等与人类健康营养密切相关的营养素，以及植物体内的抗营养因子(如植酸、胰蛋白酶抑制剂、单宁等)。若根据基本资料不能确定转转基因作物与传统食品相同或相似时，应充分考虑这一差异是否在这一类食品的参考范围内，且需要进一步对其进行营养评价。若营养成分变化与不同基因的导入有关，则应该对除了目标成分以外的其他成分的营养水平进行全面的比较分析，如瑞士先正达公司研发的富含类胡萝卜素的转基因大米。另外，可以通过动物实验对转转基因作物进行营养学评价，观察转转基因作物或饲料对动物消化率和采食量、健康和生长性能的影响口，并对体质量、器官大体病理和食物利用率等指标进行检测。从目前的多项研究结果来看，大多数转转基因作物如抗虫玉米、耐除草剂玉米、抗虫大米以及富含直链淀粉的大米等转转基因作物的营养成分与传统食品是基本一致的。但有些针对性改良营养成分的转转基因作物其目标成分会有较大变化，如富含高赖氨酸的玉米。对第二类食品应集中于比较转转基因作物与传统食品的不同点，必要时，某一特殊的转转基因作物在动物试验确定对人体安全后，应进行志愿者试验以确定营养研究的结果。对转转基因作物营养价值的评价包括3个要素：组成成分、在膳食中的作用（是否补充某种营养素）和在膳食中的应用情况，结合人体的膳食摄人情况对其营养价值进行评价。对在膳食中的作用是补充营养的食品则应对营养素的生物利用率进行研究。如果该食品的摄入使得某个营养素超过RDA（美国膳食营养素供给量）的15%，则要对转转基因作物中该营养素的数量与生物利用率、摄入量重新考虑。43.2.2毒理性分析在许多人类食品植物中产生大量的毒性物质和抗营养因子，如蛋白酶抑制剂、溶血剂、神经毒剂等，以抵抗有害生物的入侵。现有食品中毒剂含量并不会引起中毒，但如果没有得到恰当的处理，某些食品也会导致严重的生理问题甚至死亡。从理论上讲．任何外源基因的转入都有可能导致遗传工程体产生不可预知或意外的变化，其中包括多向效应。这些效应需要设计复杂的多因子实验来验证。如果转转基因作物的受体生物有潜在的毒性，应检验其毒素成分有无变化，插入的基因是否导的：蛋、甲壳纲、鱼、奶、花生、大豆、坚果和小麦。国际食品生物技术委员会与国际生命科学研究院的过敏性和免疫研究所一起制定了一套分析遗传改良食品过敏性树状分析法。该法重点分析基因的来源、目标蛋白与已知过敏原的序列同源性，目标蛋白与已知过敏病人血清中IgE能否发生反应，以及目标蛋白的理化特性。在2001年FAO/WHO举行了有关生物技术食品安全的专家咨询会议，在会议的报告中，提出了新的过敏原评价决定树。评价主要分为两种情况：（1）在转转基因作物中含有的外源基因来自已知含有过敏原的生物，在这种情况下．新的决定树主要针对氨基酸序列的同源性和表达蛋白对过敏病人潜在的过敏性。（2）在转转基因作物中含有外源基因来自未知含有过敏原的生物，则应该考虑与环境和食品过敏原的氨基酸同源性：用致毒素含量的变化或产生新的毒素。欧洲新食品领导小组建议的转转基因作物的毒理学评价试验项目，包括毒物动力学和代谢试验、遗传毒性、增殖性、致病性、啮齿类动物90d亚慢性喂养试验及其它毒性试验（根据化学结构分类、人体接触水平决定是否进行繁殖试验和致癌试验等）。此外，还需要考虑人体试验，包括人体对该食品耐受性、对人肠道正常菌群和生物学指标影响的研究。3.2.3过敏性分析食物过敏是人类食物食用史上一个由来已久的卫生问题，它常发生在某些特殊人群，全球有近2%的成年人和4%-6%的儿童有食物过敏史。食物过敏是指食品中的某些抗原分子能引起人产生不适应的反应，这些抗原分子主要是一些蛋白质。1995年，联合国粮食及农业组织将8种食物认定为全球最常见的过敏原，分别是奶、蛋、花生、坚果、小麦、大豆、鱼和贝类，成人和儿童的过敏反应有90%以上是由8类食物引起的，称作“八大过敏原”目前有超过150种食物涉及过敏反应，但绝大多数都是由少数的食物诱发的。转转基因作物与传统食品最主要的区别在于前者含有用基因工程技术导入的外源基因，并由其表达特定的蛋白质。无论外源基因编码蛋白是己知过敏原，还是与己知过敏蛋白的氨基酸序列在免疫学上有明显的同源性，或是所属的某类蛋白家族中的有些成员是过敏蛋白，均可能产生过5敏反应。因此，在评价新食品的安全性时，必须对外源基因产生的新蛋白进行致敏性评价，以确保新作物或其衍生食品的安全性。3.2.4标记基因的安全评价在植物转基因过程中，外源基因对于植物受体细胞的转化频率相当低，因此通常将标记基因与目的基因构建在同一表达载体转入植物，帮助转化子的筛选和鉴定。常用的标记基因包括新霉素磷酸转移酶基因(nptII、潮霉素磷酸转移酶基因(hph)等可使抗生素失活的蛋白酶基因，以及草甘麟抗性基因(bar,pat)和5一烯醇丙酮酞草莽酸一3-磷酸合成酶基因(epsps等可使除草剂失活的基因[}ss};另外还有冠瘦碱基因COpine、氯霉素乙酞转移酶基因(Cat)等报告基因。人们食用含有标记基因的转转基因作物后，可能会对人体产生直接效应，也有抗生素抗性基因水平转入肠道上皮细胞或者环境微生物中的潜在可能性。虽然目前人目前，植物遗传转化中所使用的标记基因尚无直接毒性和过敏性的证据。WHO提出了标记基因安全性分析与评价原则:1)明确标记基因的分子、化学和生物学特征;2)标记基因的安全性应与其他基因一样进行评价;3)原则上某一标记基因的资料一旦积累，可用于任何一种植物，且可用于与任何一种目的基因连接。虽然抗生素和除草剂等抗性基因的使用方便了植物的转化筛选，但是一旦转化成功，标记基因便不再有用，甚至对生态环境和食品安全存在潜在威胁，因此提高转基因植物标记基因安全性成为研究热点。目前提高转基因植物中选择标记基因安全性的策略包括利用无争议的生物安全标记基因(如与糖和氨基酸代谢相关的基因)，在转化时使用标记基