传统育种与转基因育种,谁更任性?-基因农业网

传统育种与转基因育种,谁更任性?

2015-09-16 | 作者: Layla Katiraee | 标签: 传统育种与转基因育种

按:传统育种与转基因育种,谁给作物基因组带来的改变更多?谁更安全?之前都是人们的理论推导,那么,科学事实来了,死理性派科学家对比了两者在基因表达水平上非预期结果的情况,明晰的结论是,与诱变育种比,转基因更精确,产生更少非预期结果。该文也在很大程度上回答了陕西师范大学生命科学学院教授侯颖春转基因引发“复杂大分子网络”严重后果的担忧。

“突变是我们人类进化的关键所在。因为突变,我们从一个简单的单细胞生物演变为这个星球上的’主宰者’。这个进程经历了成千上万年,但每几十万年就会发生一次跨越式的发展。” Xavier教授说,

我钟爱这句来自《X战警》中的台词。

突变以相当恒定的速率悄悄发生着,而且无时无刻地发生于每一个细胞当中。人们常常认为突变与遗传疾病或者癌症等噩耗相关,但一些突变是有益的。例如,突变使得藏族人更加适合高海拔环境,同时免受心脏病的侵害。同样,突变使植物更加抗虫;当然,突变也让杂草对除草剂更有抗性。

然而,就像在电影中Xavier教授所言,这个进程异常缓慢。因此,我们如何推进有益的突变呢?历史上,我们已经通过所谓的化学或放射性诱变来产生新的优良性状。

最近发表的文章指出,由于这种诱变率较低,植物育种学家开始青睐更高突变频率的方法,获得更多的优良品种。诱变育种被认为是传统育种方式,其产生的新品种通过了美国农业部(USDA)有机认证。相较而言,人们认为转基因作物发生了极大地改变,从而不被纳入有机认证。

传统育种,包括诱变育种,真的胜过转基因技术吗?一些文章对两种育种方式进行了详细的比较,且每个回合都有相应的文献支持。

第一回合:诱变育种

2008年,由Batista及其同事在美国国家科学院院刊(PNAS)上发文称,通过检测基因差异表达,作者分析了上万个基因来研究在转基因育种和诱变育种中意外突变的情况。研究通过测定RNA的表达量来确定关闭或打开基因表达的数量。根据中心法则,DNA转录成RNA,然后再翻译成蛋白质。一般认为,蛋白质是基因表达的最终产物。蛋白质并不是孤立的,而是与其它蛋白相互作用,共同发挥功能。例如,如果在细胞内蛋白A和B共同发挥作用,改变蛋白A的表达量,那么也会影响蛋白B的表达量。如果你事先知道蛋白A和B共同发挥作用,那么非常容易检测B表达量的变化。但是,有时候,你看到蛋白C表达量的一些变化,你会搅尽脑汁想知道这个结果是否是被蛋白A所影响。因此,在这个研究中,作者们想去测定两个品种之间增加一个基因后在基因表达方面是否存在一些预期外的差异,一个是利用更“传统”的诱变育种方式所产生的品种(例如伽马射线),另一个是转基因品种。是的,伽马射线是真实存在的,但它并非为了创造绿巨人和其他的超级英雄。

作者们比较了转基因育种、诱变育种所培育的水稻品种以及作为比照组的普通水稻品种之间的差异。所有的水稻材料均种植于实验室中。科学家采用基因芯片以同时检测上千个基因的差异表达情况。他们发现,在所有的品种中,都存在着非预期基因表达,它们大多与植物的胁迫、抗性有关。一些特定基因表达的改变与转化以及诱变的基因具有密切的关系(就像我以前所解释的A蛋白引起B蛋白的改变一样)。

作者得出结论:1,尽管诱变育种和转基因育种都没有出现大量的非预期结果,但是转基因品种的基因改变更少。2,诱变或转基因技术促使一些基因表达发生变化,从而改变植物材料的性状,并且这一变化可以传递很多世代。

第一回合的结果:转基因胜出。

第二回合:标记辅助回交

2013年,发表在《BMC Genomics》期刊上的一篇文章中,作者检测了两个具有相同性状的水稻品种,但是它们用了不同的育种技术。标记辅助回交的原理是通过杂交将具有目标性状(供体)传递给受体。从回交一代开始,每代都从产生的杂种中选择具有目标性状的个体与受体杂交。如此反复多次,直到最后得到仅增加了目标性状的后代时为止。“辅助标记”这一技术是非常有效的,因为研究者不必再等到培育的作物生长到目标性状的出现:他们通过遗传标记对种子进行简单的检测,即可来确定哪一个带有目标性状,这类似于法医中的亲子鉴定。

这篇文章利用回交和转基因的技术分别将抗水稻叶枯病的基因从一个品种转移到另一个品种。然后,与第一回合的对比类似,他们分别分析了这两种技术产生的新品系中差异表达的基因水平,用以测定哪一个品种与原始的水稻品种更相似,即哪种技术会产生更多非预期的结果。通过RNA测序,可以在同一样本中检测所有的RNA分子的表达水平(也就是转录组测序)。所有的水稻品种都种在同一块农田中,这3种水稻品种(2个新品种和1个对照品种)从外观上看起来一样,只是对照组对于叶枯病敏感。有趣的是,作者在实验田旁边种植了一种与本实验无关的水稻,这是一个有趣的对照。

这个研究的结果是:1,与对照组相比,尽管标记辅助回交和转基因都有不同的基因差异表达。然而,转基因水稻的差异表达基因比回交辅助标记少约40%。2,修饰作物与对照作物间基因的差异程度远远低于对照与实验无关品种间的差异程度。作者由此指出,与远源水稻品种相比,转基因和MAB(标记辅助回交)育种并不会过多地改变水稻的转录组。
这一结论很重要,我将在下一部分重点解释。目前的结论是:第二回合:转基因胜出。

可重复性与实质等同性

需要指出的是,并不仅仅是这两篇文章比较了不同的育种方法非预期后果。我们还可以找到其它相关的很多文献。虽然这些研究使用不同的技术和作物,但是讲述了同一个事实:转基因作物在基因与蛋白表达水平上了发生了微乎其微的变化,这种变化远远低于环境引起的变化以及品种之间的差异。

我们假设有3个苹果品种:绿色转基因苹果、绿色普通苹果和红色苹果,并将它们种植在加利福尼亚的我家后院。我们同时在加拿大的安大略种植普通的绿色苹果树。我们分析这4种苹果树中基因的开启与关闭模式。在这4种苹果树中,基因的表达确实存在一定的差异,但是种在我后院的绿色转基因苹果与绿色普通苹果间的基因表达差异程度,远远低于同样种在我后院的红色苹果与绿色普通苹果间的差异,同时也远低于分别种植于加利福尼亚与加拿大安大略的绿色普通苹果间的差异。转基因作物确实存在基因间的差异表达,但是这种差异完全符合品种间的正常变异,这就是所谓的“实质等同性”。

实质等同性常与同一性混淆,联合国粮食及农业组织指出:实质等同性用于说明转基因生物及由此产生的特定食品的特征,它与传统的作物具有相同的特性。转基因生物具备的特征水平与变异必须在传统作物特征水平的自然变异范围之内,且这种特征水平与变异是通过科学的数据分析得到的。

反对者马上开始行动,他们认为在转基因作物和对照组之间所存在的差异,并不适用于实质等同性。然而,他们忽略了两轮对比中我们反复强调的传统育种中所产生的大量的表达差异。他们也忽略了子代与父母亲本之间的正常差异,也就是Xavier教授刚开始强调的那一点。在人类发展过程中,人们一般认为,在每一代每个基因组中天然的突变率约30-75个微小的突变(ASHG talks, 2014)。同样地,对于父母来说,我们每一个人都是一个突变体。两个同卵双胞不可能具有完全一样的基因型。同样的道理依然适用于植物界的进化过程中,科研工作者曾经研究拟南芥(一种非常普遍的用于科学研究的植物)中存在的天然突变率。然而,指责这些子代植物和他们的父本和母本不具有实质等同性是荒谬的,加利福尼亚与北达科他州同一品种的苹果都不是完全一样。

那么,两种育种方式之间的对比已有了一个清晰的结果:与传统的育种方式相比,转基因育种产生的非预期结果更少。

作者Layla Parker系多伦多大学的分子遗传学博士,本科毕业于西安大略大学生物化学专业。目前她在一家加州生物技术公司担任产品开发的高级科学家。

编译:基因农业网(苏晓峰),原文链接: http://www.biofortified.org/2015/03/conventional-breeding-vs-transgenesis/

来源:biofortified.org

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