探访舆论漩涡中的“转基因实验室”

2014-11-04 | 作者: 蝌蚪五线谱 | 标签: 转基因实验室


对话专家:

章旺根博士 中国种子生命科学技术中心转基因育种部总监

马崇烈博士 中国种子生命科学技术中心转基因育种部分子生物学实验室经理

题记

2014年10月16日-17日,全球转基因农作物发展现状和未来展望国际研讨会举办期间,“全国媒体转基因报道研修班”在湖北武汉同期开班。研修班由农业部科教司支持,北京市科技记者编辑协会主办,北京科技报社和华中农大生物科学传播中心联合承办。蝌蚪五线谱作为专业科普网站,蝌蚪君也有幸受邀参与研讨,并实地探访了位于武汉东湖高新区的中国种子生命科学技术中心。

中国种子生命科学技术中心位于武汉国家生物产业园(即“光谷生物城”),从一路拥堵的市区驶入东湖高新区,视野顿时变得敞亮。据此前报道,生物农业园是以生物农业为主导产业的主题园区,总占地面积两千多亩,涵盖生物育种、动物疫苗、生物饲料添加剂与微生态制剂等农业产业链中相对高端的产业,包括2家央企、2家上市公司、3家准上市公司和4家院士领衔企业,其中就有央企中国种子集团有限公司投资建设的中国种子生命科学技术中心。

本次探访的中国种子生命科学技术中心,分为实验室和育种基地两个部分,从实验室到基地还有约十分钟车程的距离,沿途看到的单位也多跟生物技术相关,除了企业,还有一些生物农业领域的政府管理机构也坐落在此,毗邻育种基地的就是国家粮食质量监测站,生物产业园区内还有湖北省食品药品安全评价中心、湖北省食品药品监督管理局、 武汉市食品药品监督管理局东湖分局等。


远处的玻璃房子即是育种基地的温室


负责科普讲解的章旺根博士是中国种子生命科学技术中心转基因育种部总监,也是中化集团高级专家,曾入选武汉东湖高新技术开发区第四批“3551人才计划”。在此之前,因为转基因的话题争议较大,再加上技术保密等缘故,育种基地从未如此透明地向媒体开放,随手拍更是不可能。

一张科普图表背后的科学故事

挂图是科普的一种常见形式,内容简单也方便展示,但这个优点有时也是劣势,由于过于精简,很多人没办法通过一张图看懂背后的科学道理,尤其是那些专业门槛高、技术复杂的学科领域。正如下面这组图示,主要是介绍转基因研究发展史和技术原理,陈列在生命科学技术中心四层的走廊。


虽然看起来非常简单的图表,但估计没多少人能真正看懂。这也折射出科普的一种典型困局——科学家眼中的入门常识,对于普通民众来说,犹如天书。

中心四层主要是研究分子生物学的实验室,负责介绍的是实验室经理马崇烈博士。作为科研一线的专家,马博士很耐心地为我们讲解这些科普图,介绍基因转化的基本原理和过程,光是讲述农杆菌在转基因技术中的作用,就花了将近半小时的功夫。

这也是蝌蚪君第一次如此认真地聆听图表背后的科学。


实验室中正在育种的工作人员

“天然转基因”:你知道农杆菌吗?

你可能没听说过农杆菌,但是你肯定见过树上长“瘤”。农杆菌是普遍存在于土壤中的一种细菌,主要有两种:根癌农杆菌和发根农杆菌。农杆菌通过感染大多数双子叶植物的受伤部位,将自己的一段DNA分子(T-DNA)拷贝到植物细胞中,农杆菌的T-DNA携带的基因改变植物体内的代谢,使植物合成很多类似于植物生长素的有机物,作为农杆菌的营养源,为己所用。这个过程的另一结果就是对应产生冠瘿瘤(根癌农杆菌)或发状根(发根农杆菌)。人类利用农杆菌这个特点,把想要改进的基因注入农杆菌,产生目标效果。比如将抗病毒基因转入小麦,将抗棉铃虫基因转入棉花等等。农杆菌作为天然的植物遗传转化体系,也被誉为“自然界最小的遗传工程师”。



农杆菌介导法,并不是一张图这么简单

所以说,转基因并不是像有些人以为的那样,直接把其他物种的基因注入植物的基因组里,而是利用大自然的转化体系,巧妙地完成这一过程。

马崇烈博士介绍说,目前大部分的转基因农作物都是利用农杆菌进行。以前科学家也曾经用基因枪的方法注射金粉,但是效率很低,而且成本很高。因为金粉的价格相当贵,以0.2微米直径的金粉为例,6000块钱才能买到0.25克。

离不开的农药:没有最少只会更少

围绕转基因的争论里,有很多基础性的常识是关于农业生物技术的。上面说的农杆菌算代表之一,下面要说的苏云金杆菌则是代表之二。武汉研修班期间,吴孔明院士与媒体座谈时提到了它的名字。在生物科学技术中心的育种基地里,蝌蚪君再次听到了它的故事。

你听说过Bt吗?(求种子?请注意此Bt非彼BT。)Bt是苏云金芽孢杆菌的英文Bacillust huringiensis的缩写。

19世纪末20世纪初,科学家发现这种细菌能杀死鳞翅目动物(蝴蝶和蛾),对其他动物却没有影响。因为提取的样本来自德国苏云金省一个面粉厂,之后便被命名为苏云金杆菌。上世纪20年代末,美国政府试着用Bt控制森林害虫舞毒蛾,效果不错。法国在1938年成功地研制出第一个商业化的Bt杀虫剂。到上世纪50年代,Bt作为绿色有机农药,在美国开始被大规模应用。

苏云金杆菌杀虫的原理是什么呢?利用苏云金芽孢杆菌研发的杀虫制剂喷射在作物上,害虫把Bt细菌吃到肚子里,溶液化的毒素在幼虫易受影响的中肠细胞膜上形成孔洞,导致害虫肠穿孔(相当于人类的败血病)死亡。很多人追问说,为什么虫子吃了抗虫转基因作物会死,人吃了怎么会没事?其实很简单,首先Bt蛋白是高度专一的杀虫蛋白,这种蛋白在酸性的条件下(人和动物的肠胃液多为酸性)很快分解,而在中性偏碱(昆虫的肠道胃液为中偏碱性)的条件下则能发挥作用;其次这种蛋白只能与鳞翅目害虫肠道上皮细胞的特异性受体结合才能被吸收,而人类肠道细胞根本没有它的结合位点。

可是,Bt作为生物农药的缺陷也很明显。它价格昂贵,也不稳定。作为喷洒剂,它很容易被雨水冲走,在紫外线的照射下也很快被分解。随着更便宜的化学合成杀虫剂出现,Bt农药的市场份额大幅度下降,只有那些搞有机种植的人才会使用它。但是合成杀虫剂对环境造成的破坏越来越大,还威胁到了人类自身的健康。

这个问题的解决,得益于现代生物技术的诞生。20世纪50年代中期,科学家发现Bt蛋白对部分昆虫的毒性来自孢子形成过程中产生的晶体蛋白质。1981年,科学家提纯了这种蛋白质并命名为cry。随后他们克隆出了cry的基因。几年以后,美国的科学家把cry的基因转入玉米和棉花中。1996年,转基因玉米和棉花在美国上市,转基因抗虫棉大大降低了杀虫剂的使用量。在中国,转基因技术让棉花的农药使用率降低了三分之一。(数据来自吴孔明院士的报告)

很多人会误解Bt就是杀虫蛋白或者杀虫毒蛋白,甚至因为它经常和转基因在一起出现,把它当成转基因的代名词。这其实是不准确的。我们现在说的Bt转基因,更确切的说法是cry转基因。


培养皿中的转基因水稻

转基因育种基地为什么要养虫子?


这么大面积的育种基地,因为全是自动化操控,工作人员只有四个。

温度和湿度是影响作物生长的重要因素,通过电脑自动化控制实时监控,出现异常立刻报警。


育种基地有专门的昆虫培养室,用于检测转基因作物的抗虫害效果,培育昆虫数目上百万个。

同为防虫害促增产的重要手段,转基因经常被拿来和农药对比,这里面有一些共识,也难免有些误区。比如说,转基因技术大幅降低了农药的使用,这是大家都能接受的事实,但是很多人就想当然的以为转基因作物就不用再喷洒农药了。并非如此。前面提到过,转基因技术具备高度专一性,为了防治害虫A转进去的目标基因,对于另一科目的害虫B可能就没有杀伤力,要想彻底杀虫,还需要辅助用其他农药,而且,为了抑制田地里与作物争夺营养的杂草,也需要喷洒除草剂。

正在滋滋生长的转基因玉米苗

提到除草剂,蝌蚪君又想到另一个代表性生物技术。所有的田都会长草,以前农村有很多食草动物,比如牛羊兔等等,所以草的问题不算大问题。后来由于农业现代化的提高,加上城镇化农民进城,缺少自然机制来应对田里疯长的杂草,除草剂的作用就大大凸显了。根据吴孔明院士提供的数据,除草剂在农药使用量中占50%左右。问题就来了,以农达(草甘膦)为代表的除草剂,杀灭杂草的同时,也能杀死其他禾本作物,包括玉米。怎么办呢?科学家在生产草甘膦工厂的下水管道里发现有些生物依然能残留,因此提炼了抗农达基因,与农作物结合,应对草甘膦的杀伤力,由此生产出了转基因玉米。

转基因水稻的杂交小伙伴


另一项经常拿来和转基因对比的是杂交。中国种子生命科学技术中心的育种基地也有杂交的项目同时进行。对于两者的差异,章旺根博士概括的相当简练——杂交是两个品种结合以获取性状更加优良的后代(比如驴和马生出了骡子,既能负重又省草料),转基因是把一种或多种优良性状结合在某一品种上(比如把胡萝卜素转化酶系统转入到大米胚乳中,以应对维生素A的不足)。杂交所使用的还是传统育种的方法,因为不能保证每次都可以获得理想后代,所以需要多次、大量的尝试,获得新品种比较缓慢,结果也难以预测。转基因的定向选择相对来说更加高效。


全球首张水稻全基因组育种芯片


华南晚籼稻

颗颗饱满的杂交玉米

西葫芦新品种


你能看出它们的差别吗?



工作人员正在仔细地进行杂交育种

但转基因技术并非无所不能。很多人以为转基因是基因的跨物种转移,把动物的基因转给植物,把植物的基因转给人。借用中科院姜韬老师的一句话——“这也太高估转基因了”。转基因只能选择来自基因编码区的部分,而不能改变决定物种属性的遗传性特征。

后记

在中国种子生命科学技术中心,蝌蚪君第一次见到了转基因水稻、转基因玉米和转基因棉花,不论是在育种基地的温室大棚,还是在实验室的培养皿里,看起来都与农田里广泛种植的那些同类没什么差别。在中心的一层展示区,常规水稻种子和转基因水稻种子并排陈列,看起来别无二致。如果科学仅仅浮于表象,那所有的争议就不存在了。正是因为这相似背后蕴含着更多看不到看不懂的问题,让转基因变得越来越神秘。

不过,在专家眼中,关于转基因的问题相当简单。在整个讲解过程中,章旺根博士说得最多的一句话也是“转基因并不神秘,很好理解”。无论是从科学原理,还是从技术手段上,并没有外界想象的那么复杂高深。

但是,化解争议澄清误区并不是一句话那么简单。很多在科学家看来“没必要也没工夫”一一澄清的低级谣言,包括“吃了转基因会不育”、“美国人不吃转基因”、“转基因大豆致癌”、“圣女果和彩椒是转基因”等等,借助互联网的广泛传播,已经把这个话题和它背后的科学家群体拉入了难以翻身的尴尬境地。

甚至是参与此次研修班的各路媒体,在这个问题也难以达成一致。坚定支持者有之,依然质疑者有之,冷眼旁观者有之,不明就里者亦有之。离科学家更近一步的媒体况且如此,更别说普通大众了。虽然科学家始终强调“科学是一元的,掺不得更多成分”,但科技的产业化一旦涉及到人和利益,势必成为多维度难厘清的复杂话题。

一项科学技术的发展大概有三个层面,第一是科学研究,主要推动力是科学家,第二是科学普及,主要推动力是媒体,第三是科学管理,主要推动力是市场和监管机构的相互作用。关于转基因的话题,当很多国家已经进入科学管理层面时,我们还在期待科学家和媒体发力。但事实上,全球化早已把所有人都卷入了同一个超级市场,即便争论再激烈立场再坚决,我们也很难完全辨别出,哪一滴油哪一粒米不是基因改造的产物。

此次武汉之行,虽然谈的是全球最前沿争议最火爆的高大上话题,折射的却是所有科学技术都可能遭遇的科普困局,每一个引人深思的发问,每一个针锋相对的瞬间,都让蝌蚪君印象深刻。

来源:蝌蚪五线谱

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