说文解字“转基因”

2016-12-15 | 作者: 旷乐 王萍 章旺根 | 标签: 说文解字转基因

提要:1986年转基因作物开始进入田间实验,当时有人惊叹:人类开始有了一双创造新生物的“上帝之手”。

转基因的关键技术——转化

顾名思义,遗传工程中转化是指受体细胞获得外源基因片段而发生相应性状改变的过程。“‘转’,运也”(《说文解字》),义从车,音从专,是“用车子来运输物资,将东西转移到其他地方”的意思。这里转化中“转”的主体是外源基因,即把这个基因从细胞外面运输到细胞内,基因本身只是发生了位置改变,没有化学和物理变化。

“转”是手段,“化”是目的。“化”,古字为“匕”,“匕”意为“变”(《说文解字》)。“化”是会意字,如同两人背靠背,一正一反,取变之意。现代汉语中,“化”可作动词,指性质或形态发生改变,如“化茧成蝶”;也可跟在名词、形容词后,指转变成某种性质或状态,如“规模化”、“绿化”。“化”的主体是受体细胞,即受体细胞的性状发生本质的改变。说白了,“转化”就是“运”个基因让受体性质生“变”。它只做一件事情,就是努力把基因运到受体细胞中去,实现生命的变化。有意思的是,英文里面的“transformation”(转化)也由二个词根所组成,即“trans”(穿越,改变之意)和“formation”(形成之意),同中文含义完全切合。

那么,基因怎样被运到细胞内里面去呢?

这个过程有点类似快递。首先得把基因打包(构建载体),然后选择合适的交通工具(转化方法)转运。目前作物上最常用的两种基因快递的方法是农杆菌介导法和基因枪法。两种方法各有优劣。农杆菌介导法如坐船,经济而且效果好;基因枪法像乘飞机,速度快、成本高。

先说目前应用广泛、经济适用的农杆菌介导法。众所周知,细菌常在动植物的伤口处富集形成脓包,并侵入动植物体内寄生繁衍。农杆菌就是一种广泛存在且具有特异功能的细菌。它在植物创伤处聚集、入侵的同时,会将其细胞内的一小段DNA带进植物基因组中,这就是著名的T-DNA。T-DNA转入植物基因组后可以随植物基因组稳定遗传。于是,科学家就把目标基因“打包”装载到T-DNA上面,借着农杆菌侵染植物时T-DNA转移的这股“东风”,实现目标基因向植物细胞的转移、整合和遗传。

要知道,农杆菌浸染植物早在几千年前就已经发生了。有研究人员对红薯基因组进行测序,发现了很多农杆菌T-DNA的同源基因,可以说红薯是一种早期天然的转基因植物。

经过科学家们不懈努力,农杆菌介导法转化大多作物已是比较成熟的技术体系,比如鼎鼎大名的“黄金大米”即出于此。科学家将控制胡萝卜素转化酶系统的基因搭载在T-DNA上,利用农杆菌侵染转化水稻,使稻米胚乳能够合成胡萝卜素,大米因此呈现淡淡的金黄色,故被称为金米。胡萝卜素可以补充人体必需品维生素A。作为人道主义产品,金米安全性已获得权威认证,超百名诺贝尔奖科学家签署联名信力挺金米,认为黄金稻米与普通的农作物是一样安全的,对环境的破坏更小,可以减少全球因缺乏维生素A而导致失明及死亡的儿童数量。

再说基因枪法。这个枪也是有“子弹”上膛的,而且是用金粉做的“子弹”,外源基因就粘附在这些粉末的表面。一声枪响,高压驱动的“子弹”会带着外源基因高速前进,穿破植物细胞壁和细胞膜,进入细胞。手枪打靶可以百步穿杨、百发百中,但基因枪命中细胞并实现基因整合的概率低得多,十发“子弹”命中其一已是相当高的命中率了。对于受限于基因型、无法使用农杆菌介导法转化的一些单子叶植物来说,基因枪法是很好的转化方法。

转化的主角——基因

通俗地讲,基因是具有遗传效应的DNA片段,是遗传物质。遗传物质是老外发现的,取名为“gene”,译为“基因”,既贴近于音又贴切于意。从汉字角度看,“基”是形声字,从土义,从其音,《说文》释义为“墙始”,有“根本”和“起始”这两层意思。“因”是会意字,从口从大,意指事物群体规模扩大、数量增长的基本框架,可引申为事物发生前已具备的条件,也就是原因。合在一起,基因就是最初的原因或根本的条件,这不正是遗传物质的特征吗?中西方文化在遗传物质的取名上不谋而合。

1865年,被誉为“怪人”的修道士孟德尔种豆8年,发现了“遗传定律”,首次提出遗传因子决定生物外露性状。40年后,遗传学家约翰逊在孟德尔遗传规律的基础上著成《遗传学原理》一书,“gene”概念首出于此。历史的长河延绵向前,人类对生命的探索也未止步,从宏观到微观,越来越清晰。1944年到1953年,关于遗传因子的研究不再停留于推测和猜想。三位美国科学家提取出细菌的DNA,发现DNA是携带遗传物质的分子,“生命之谜”的大门从此打开。紧接着,美国的沃森和英国的克里克成功揭示了高分子DNA的双螺旋结构,真实地揭开了基因的神秘面纱。

DNA的中文名叫脱氧核糖核酸,由四种脱氧核苷酸小分子(A、T、C、G)组成。这四种宛如彩珠的小分子自由排列,组成多姿多彩项链般长长的双链大分子DNA。按照进化而成的天然法则,DNA能够忠实自我复制:细胞生长分裂时,其双链如同衣服拉链,拉开以后,在装配酶(细胞内特定蛋白质)的作用下,细胞中游离的A、T、C、G按照A-T、C-G的配对规则以两条单链为模板组装上去,单链重新变成双链,生物的基本特征得以保存。

基因是DNA链上存储生命遗传信息的部分。每三个核苷酸组合在一起,形成一个密码子,比如:ATG、TCG,它们编码不同的氨基酸序列,从而形成不同的蛋白质,表现出各异的生物性状。就似音乐,仅7个音符的排列组合,就能谱写出无数旋律,有如《生命交响曲》振奋人心,亦有《秋日私语》般沁人心脾。有人一语道破DNA的奥秘,“大自然将生命的音符隐匿于一套密码之中,创造出数以千万的物种,待其完成使命后,自行销毁,终而复始,生生不息。”

在生命科学领域,生物体的生、长、衰、病、老、死等一切生命现象皆缘起于基因,取决于基因,最终也回归于基因。它是决定生命存在、生长和衰老的根本,既具信息储备性也具物质存在性。

基因转化的成果——转基因

宏观世界日趋开放,微观世界终将开启。基因成为打开微观世界这个潘多拉魔盒的第一把钥匙。继而人们发现蜜蜂酿蜜,蝴蝶采花,风儿吹散花粉,山谷飘香,这些自然场景中都有“基因”和“转基因”的身影。基因的演变成为“物竞天择,适者生存”这一进化法则的原始驱动力。

从“刀耕火种”到机械化、智能化耕种,从自然选择育种到人为干预,农业文明的发展史就是育种技术的进步史,也是人类对基因的转移和改造的前进史。甜玉米、油玉米、玉米饲料,都有一个共同的祖先——大刍草。大刍草枝叶分散而张扬,穗子小而干瘪,与我们今天看到的挺拔的植株、饱满的玉米穗子全然不同。究其原因,就是人类改变了大刍草既定的遗传过程,通过控制基因的传递让人们需要的基因型得以保存,淘汰掉那些对人们“无意义”的基因型。简而言之,转基因现象不仅是一种自然想象,并且存在于人类农业文明的发展过程中。

杂交育种是人类较早掌握的并得以推广的遗传物质转移的技术之一。杂交育种是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起,再经过进一步的选育,获得新品种。这一过程其根本是基因重组,也是一种转基因形式。杂交水稻将这种技术推向顶峰,也有不可逾越的困难,即杂交育种不会产生新基因,且后代出现的性状分离,过程十分复杂而缓慢。

20世纪中期,分子生物学技术迅猛发展,宏观世界越来越小,微观世界越来越大,基因层面的研究成了科学界的焦点。1974年,科恩将金黄色葡萄球菌质粒上的抗青霉素基因转到大肠杆菌体内,使得大肠杆菌产生了青霉素抗性,拉开基因技术应用的序幕。将分离和修饰过的基因导入到生物体中,使物体产生可遗传的修饰性状,人工转基因技术应运而生。1983年,世界上第一株转基因烟草诞生,这是一种含有抗生素药类抗体的烟草。1986年转基因作物开始进入田间实验,当时有人惊叹:人类开始有了一双创造新生物的“上帝之手”。随后,“转基因”一词逐渐成为人们关注的焦点。

实验室转基因技术可以打破生物的界限,扩大优良基因的来源,通过目标基因与生物体内基因的重组,实现人们期望的新性状,培育出优良性状的新品种。与杂交育种相比,转基因育种年限大大缩短,且工作量也大大减少。1993年,美国向国内食品市场投放了世界上第一种转基因作物——转基因晚熟西红柿,这种西红柿耐存储的特性使其货架寿命大大延长。1996年,美国转基因大豆开放,转基因作物进入了蓬勃发展期。此后,抗虫棉花和玉米、抗除草剂大豆和油菜等10余种转基因植物获准商品化生产并上市销售。加拿大、墨西哥、澳大利亚、印度、中国等国家相继推出了转基因作物的种植和食用。20年来,转基因作物种植面积迅速扩大,从1996年的170万公顷到2016年的1.8亿公顷,增加了106倍,约占全球15亿公顷耕地的12%,增速30%以上,转基因技术成为史上普及最快的新技术。

转化,这段不平凡的“基因之旅”,标志着人类可以定向地改造生物的遗传特性。在实验室竟然可以让一段“无生命体征的分子”(即DNA片段)转到植物体内而幻化出新的生命体征。这在农业育种和生产中掀起了惊涛骇浪,为未来农业技术树立起新的里程碑。

本文作者:旷乐 王萍 章旺根 (中国种子集团有限公司生命科学技术中心 )

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来源:基因农业网

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