转基因蚕

2013-06-26 | 作者: | 标签:


图自wired.com

家蚕是重要产业昆虫,也是国际公认的鳞翅目昆虫模式。家蚕作为整个蚕丝产业的基础,对产业的结构和整体效益具有决定性的作用。在今后相当一段时间内,家蚕转基因仍将集中在以下三个方面:一是以建立有效家蚕转基因平台为目标的关键技术研究;二是以克隆家蚕重要经济性状相关功能基因和对其进行功能鉴定为目标的功能研究;三是以利用转基因技术进行功能基因的遗传改良和培育优良新品种为目标的应用研究。
 
转基因蚕的标志性事件:
 
2000年,首次以鳞翅目昆虫piggyBac转座子为基础,通过显微注射法成功获得了转基因蚕,转入的目的基因可稳定遗传给后代。
 
2008年,中国培育出了首例转基因有色蚕,可产有色蚕丝。
 
家蚕转基因技术的最初探索始于上世纪40年代,1997年,受果蝇等转基因研究启示,日本学者田村俊树发现来源于鳞翅目昆虫的piggyBac转座子在家蚕中也能够发生转座,随后于2000年利用piggyBac转座子介导、获得了稳定遗传的转基因蚕。
 
日本是开展家蚕转基因研究最早和最具丰富积累的国家。自2000年以来,包括日本农业生物资源研究所、信州大学、广岛大学等研究机构均建立了以piggyBac转座子为介导的家蚕转基因技术。在此基础上,相继建立了GAL4/UAS系统、Enhancer trap系统、热激诱导系统、四环素诱导系统等多种转基因研究工具,并完成了KMO、CBP、JHE等多个家蚕基因的功能解析或验证。与此同时,还建立了丝腺(包括丝素和丝胶)生物反应器基础技术体系,在转基因家蚕丝腺中表达了红色荧光蛋白、绿色荧光蛋白、蜘蛛丝泌丝蛋白、人胶原蛋白、猫干扰素、人血清白蛋白、鼠单克隆抗体等多个外源蛋白。
 
在日本的支持或合作下,法国、印度等国家的研究人员也相继利用该技术获得了转基因蚕,并开展了利用转基因技术提高家蚕抗NVP病毒病的研究。此外,美国的圣母大学(University of Notre Dame,有军方合作背景)也开展了家蚕转基因研究,据悉其利用家蚕丝腺生物反应器开发出了新型高强度蚕丝纤维材料。
 
中国的家蚕转基因研究虽起步较早,但由于国外技术封锁等原因,转基因家蚕在中国一直未获实质性突破,这也成为制约中国蚕丝基础学科和产业发展的重要瓶颈。所幸的是,从2002年筹备家蚕基因组计划开始,西南大学等研究机构就启动了中国自己的转基因蚕研究,至2004年突破并克服了piggyBac介导的家蚕转基因关键技术障碍,成功获得了稳定遗传的转基因家蚕。目前,西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室的家蚕转基因效率(阳性率在30%以上)和平台规模已居国际领先水平,受到国外同行的高度重视和认可,并与国外合作开展了蜜蜂丝蛋白转基因等多项国际合作研究。近年来,西南大学还突破建立了实用蚕品种转基因技术,目前已建立了多个实用蚕品种转基因素材。此外,浙江大学、苏州大学、中科院上海生命科学研究院等家蚕研究机构也陆续建立了家蚕转基因技术。总的来看,中国的家蚕转基因研究目前主要集中在三个方面:一是利用建立的GAL4/UAS、转基因干涉、基因打靶等技术开展家蚕重要基因功能研究;二是利用外源靶标基因或家蚕重要经济性状相关功能基因进行蚕品种分子改良和品种培育研究;三是开发出了家蚕丝腺和脂肪体生物反应器,并利用其进行高附加值外源蛋白生产或新型蚕丝纤维素材开发研究。
 
利用转基因技术提高蚕丝产量是蚕品种改良的重要内容之一。研发过程如下:根据癌变基因能够导致肿瘤不可控增殖的特点,自家蚕中鉴定克隆了类癌基因BmRas1,该基因突变后具有致瘤效果。转基因系通过激活Ras1基因在后部丝腺特异表达,从而产生类似肿瘤的效果,即促进后部丝腺中丝蛋白合成量的增加,最终使蚕丝产量增加。
 
针对当前蚕业生产中的主要病害BmNPV,根据其侵染家蚕的整个过程,在BmNPV侵染、复制增殖的不同时期上调或者下调靶标基因,抑制杀灭病毒,提高家蚕对病毒的抗性。目前,中国西南大学和印度中央蚕业研究所等研究机构采用转基因技术开展了抗BmNPV病毒病研究。
 
就家蚕而言,其转基因安全评价的关键在于整合至家蚕基因组中的外源piggyBac转座元件及其携带的目的基因是否有物种内再次转座或物种间水平转移的风险。目前国内外尚无家蚕转基因存在安全风险的报道或证据,这是因为:1)目前家蚕转基因技术的研发已发展至实验室阶段或产业化前期,尚无在产业上大规模推广应用的转基因素材或品种;2)家蚕经过了长达5000余年的人工饲养驯化,至今仍采取室内专用蚕房饲养,并建立了非常成熟和有效的生产技术体系,其制种、保种、饲养、扩繁、蚕病防控等均在人为严格控制之下。日本研究人员曾对转基因家蚕进行了连续20代以上的跟踪调查,未发现整合至家蚕基因组中的外源piggyBac转座元件再次转座的证据。中国西南大学研究人员曾对转基因家蚕进行了连续18代的调查,证实外源piggyBac转座元件在家蚕基因组中是稳定的。综上,基于piggyBac转座子介导的家蚕转基因技术是稳定、安全和可靠的。
 
家蚕转基因研究的主要产业目标包括两个方面:一是针对长期以来影响蚕丝产业健康可持续发展的关键制约瓶颈,包括蚕茧产量、绢丝品质、蚕品种健康性等,开发新型优质蚕品种;二是利用家蚕(主要是丝腺和蚕蛹/脂肪体)高效合成和生产蛋白的潜力,开发家蚕生物反应器,用于规模化生产高附加值外源蛋白或新型蚕丝纤维素材。
 
目前国内外虽无进入大规模产业化推广应用的转基因产品,但相关研究积累已经十分丰富,部分成果已开始进入产业化前期、中试或临床试验阶段。如:日本农业生物资源研究所利用转基因家蚕生产的重组蛋白已进入II期临床试验阶段(具体目标基因不详);日本信州大学利用转基因家蚕生产的含有蜘蛛丝蛋白成分的蚕丝生产出了袜子等丝织样品;美国圣母大学利用转基因家蚕生产出了可用于制作防弹衣、手术缝合线等用途的高强度蚕丝;西南大学利用转基因家蚕生产出了彩色蚕丝(特异表达绿色荧光蛋白),创建了中国第一个转基因绿色茧家蚕品种,农村饲养试验获得成功,并生产出了转基因绿色蚕丝服装样品;西南大学与中科院上海植物生理生化研究所合作,获得了产丝量提高约30%的转基因家蚕素材;西南大学通过操控靶标基因超量表达和转基因干涉等手段,获得了抗BmNPV病毒(家蚕核型多角体病毒,为蚕业生产上的主要病害)的实用蚕品种转基因素材,其抗性提高了约30%;西南大学利用建立的蚕蛹(脂肪体)表达系统,获得了具有较高生物活性的植酸酶实用蚕品种转基因素材等。
 
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
 

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