转基因水稻

2013-06-26 | 作者: | 标签: 水稻


图自bio.utexas.edu

水稻是世界上大部分人口的重要主食,尤其是东方、南方、东南亚、中东、拉丁美洲、非洲和西印度。它是人类营养和能量摄入的最重要的谷物,提供五分之一以上全世界热量消耗。水稻是一种很好的蛋白质来源,也是世界很多地方的主食,但是它所含的蛋白质不全面:它所包含的对健康有益的必需氨基酸不全面,应该结合其他种类的蛋白质,如坚果、种子、豆类、鱼类或肉类。
 
水稻的主要产地为印度、中国、日本、印度尼西亚、泰国、缅甸和孟加拉国。亚洲农民依旧占到了世界水稻总产量的92%。最大的三个水稻输出国是泰国、越南和美国。主要进口国包括印度尼西亚、孟加拉国、菲律宾巴西和一些非洲和波斯湾国家。尽管中国和印度是世界上两个最大的水稻产地,两个国家生产的绝大部分水稻都在本土消费,只有很少部分流向了世界其他各地。
 
早在上世纪八十年代早期国际水稻生物技术的研发就在洛克斐勒基金的资助下开展。至今在水稻生物技术方面的专利超过三百项,涉及四百多个组织和机构。从1993年起在美洲、欧洲、亚洲和澳洲的许多国家陆续开始了转基因水稻的田间试验。目前,已有6个转基因水稻品种获得了不同的批准许可,涉及种植、食用、饲用、进口和加工等方面。
 
1 抗除草剂转基因水稻
 
当前,美国的水稻种植者主要通过除草剂、轮作和种植技术如灌溉和耕作等方法的结合来控制杂草,而草丁膦类除草剂是水稻田间杂草控制的常用除草剂。
 
水稻品系LLRICE06和LLRICE62由美国Aventis CropScienc公司研发,应用基因重组技术表达bar基因从而耐受草铵磷(草丁膦类除草剂的活性成分)的转基因水稻,而bar基因编码草丁膦乙酰转移酶(PAT),从而使水稻具有耐除草剂的特性。目前该水稻品系已在6个国家获得了种植、食用、饲用等不同方面的批准。
 
草铵磷的应用导致植物组织谷氨酸盐下降和氨上升,使得光合作用停止,致使植物在几天内死亡。在动物体内草铵磷也抑制相同的酶,但它能够被生物高度降解,且没有残留活性,对于人和野生动物具有极低的毒性。
 
关于转基因品系LLRICE06和LLRICE62在环境和食用安全性方面也进行了大量的研究。在美国(1997年到1998年)进行的田间试验表明与非转基因水稻对照相比,转基因水稻在农艺性状,种子萌发及病虫害方面没有发现明显区别。杂交方面的研究表明水稻的杂交率小于1%,且还受到水稻诸多生物学特性(包括花的形态、花粉活力的持续性和昆虫媒介的缺少等)的影响。在美国,与栽培稻无生殖隔离的野生品种为普通野生稻(O.rufipogon)和赤稻(red rice)。普通野生稻只存在于弗罗里达的沼泽地,远离栽培稻种植区,因此不可能与栽培稻发生杂交。只有赤稻被认为是在美国能够受到转基因水稻基因渗入影响的唯一野生稻。虽然从栽培稻到赤稻的基因飘移率非常低,但这种基因飘移确实能够发生。因此,具有草胺磷耐受性的bar基因是可以渗入到赤稻并导致赤稻群体具有草胺磷耐受性。研究表明杂交群体中可能出现的草胺磷耐受性将不会改变它们的适应性,也不会增加它们的杂草性(如:发芽活力、株高、抗病性、繁殖力、落粒性和休眠性)。即使杂种具有了草胺磷耐受性,现有的杂草控制手段(如耕作或其他除草剂)也能够对其进行有效控制。
 
针对LLRICE06和LLRICE62品系对非靶标生物影响的试验表明没有发现对田间益虫、鸟类和其他经常出没田间的其他物种的有毒物质产生,且这些物种的群体水平也没有显著变化。
 
有益物种的群体水平在转基因和非转基因水稻之间没有显著区别。除了产生PAT酶,这些转基因水稻和商业稻没有区别。大量研究表明这些转基因水稻品系对有益于作物或农田的生物体没有显著的负面影响,也不会导致物种灭绝。
 
由于LLRICE06和LLRICE62品系不具有新的表型使其能够超越现有水稻种植的种植范围。因此种植LLRICE06和LLRICE62品系水稻和种植非转基因水稻栽培体系对环境影响具有等同性。
 
对喷施草胺磷除草剂和没有喷施草胺磷除草剂的LLRICE06和LLRICE62品系生产的谷粒、秸秆和各种加工部分(如:稻壳、糙米、半熟糙米、精米、米粉、米糠、米糠油)的样本的检测表明水分、无机盐、脂肪、蛋白质、膳食纤维和碳水化合物等指标均在在商业化水稻品种允许的正常数据范围内。这些转基因品系谷粒中的氨基酸和脂肪酸特性与非转基因品种相似。
 
水稻含有少量的抗营养素因子,集中分布在稻麸上,除了肌醇六磷酸外其余均受热变性。这些抗营养素因子包括:肌醇六磷酸,其在植物种子中储存磷元素,在动物的消化道中螯合钙、锌、铁盒镁,从而妨碍这些营养的吸收;胰蛋白酶抑制剂;凝集素,一个蛋白家族,对细胞壁和质膜上的糖蛋白结合位点有特殊的亲和力,并且与一系列抗营养素效应和一些病理学疾病有关。研究表明在非转基因和转基因LLRICE06糙谷中,胰蛋白酶抑制剂和凝集素含量都低于最低检测极限,而肌醇六磷酸的含量在两者中没有太大区别。一个为期42天的雄性肉用鸡饲喂实验也确认了两者之间的营养组成和品质没有任何区别。
 
PAT酶没有发现任何毒性特征。它对草胺磷具有特异性识别,且在其他生物中没有发现任同源蛋白。总之,人类和动物的食物中有少量PAT酶不会有任何可预测的负面影响。比对公共氨基酸序列数据库,没有发现有PAT酶与任何已知的有毒物质或过敏原具有同源性,也没有发现其具有任何过敏原特性。PAT酶对热和酸不稳定,在75度条件下蒸30分钟后完全失活。或在PH小于或等于4的条件下30分钟也会失活。如果蒸煮没有破坏酶的话,PAT酶也会经人类摄食后迅速消化。研究显示在模拟胃酸环境条件下,PAT酶会再几分钟内分解。
 
此外,该公司研发的含有Bar基因的LLRICE601转基因抗除草剂水稻也已经于2006和2008年分别在美国和哥伦比亚获得了环境释放和食用/饲用许可。
 
2 抗虫转基因水稻
 
目前,已研发成功并获得批准的转基因抗虫水稻均含有Bt外源基因。Bt基因一般是从苏云金杆菌(Bt)中分离出来的一种能够表达杀虫蛋白的一类基因。
 
2005年,伊朗的农业生物技术研究所利用基因枪法研发的具有条纹螟虫抗性的转基因水稻获得了在本国种植、食用和饲用的批准。该水稻品系含有人工合成的cry1Ab外源基因,其是Bt基因的一种。 
 
2009年,由中国华中农业大学利用农杆菌介导法研发对鳞翅目害虫具有抗性的转基因水稻(cry1Ac Event)获得了在本国种植、食用和饲用的安全证书。
 
3 抗花粉过敏转基因水稻
 
2007年,日本国家农业科学研究所利用农杆菌介导法研发的具有抗花粉过敏的转基因水稻(7Crp#10和7Crp#242-95-7)在本国获得种植批准。这两个品系均含有雪松花粉蛋白基因Cryj I和Cryj II。该基因编码一段能够被人体内雪松特异过敏原T细胞识别的人工氨基酸序列。含有该基因的水稻品系能引起抗原反应,有助于降低花粉过敏反应。
 
4 金稻
 
金稻(golden rice)是利用遗传工程方法产生的能合成beta-胡萝卜素(维生素A前体)的栽培稻品种。该品种在维生素A摄入量不足的地区作为一种功能食品被开发,其目的是为了满足部分以水稻为主食的人群对维生素A的摄入量,以避免他们由于维生素A缺乏而导致的各种疾病。2005年新品种金稻2(Golden Rice 2)研发成功,其产生的beta-胡萝卜素是金稻的23倍。
 
金稻的研发由瑞士联邦理工学院植物科学研究所的Ingo Potrykus教授和德国弗莱堡大学的Peter Beyer于1992年共同启动, 2000年正式对外公布时,由于研究者改良了整个生物合成途径,故金稻被认为是生物技术领域取得的显著突破。它是通过向水稻中转化2个beta-胡萝卜素合成基因,这两个基因来自水仙花和土壤欧文氏细菌。
 
金稻已经与菲律宾、台湾的地方品种及美国的水稻品种“Cocodrie”进行了选育杂交。这些品种在2004年美国路易斯安那州立大学进行了第一次田间试验。初步结果表明田间种植的金稻比在温室中种植时能多产生4-5倍的beta-胡萝卜素。2005年Syngenta生物技术公司将金稻中的crt1基因与玉米中的番茄红素合成酶基因结合,研发出了金稻2。该品种能产生超金稻23倍的胡萝卜素,达到37μg/g,其中beta-胡萝卜素达到31μg/g。
 
2005年6月,金稻研发者Peter Beyer得到了比尔和梅丽达盖茨基金会的资助用于进一步改良金稻,增加维生素A前体、维生素E、铁和锌的水平。虽然目前任何金稻品种还都没有被批准用于食用,但据估计最终的金稻品种可能会在2013年投放市场。
 
资料来源:
 
农业部农业转基因生物安全管理办公室等,《转基因30年实践》,中国农业科学技术出版社,2012

来源:

相关文章