世界粮食日解读转基因(中)

2018-10-23 | 作者: 杨青平 | 标签: 世界粮食日解读转基因

第6讲:20世纪遗传学的发展与应用

1900年,发现孟德尔的《植物杂交试验》论文,标志着遗传学建立。

1909年,丹麦遗传学家约翰森创造了gene这个单词,用来表示孟德尔的“遗传因子”,读音为“基因”。gene这个词是从拉丁语“血统”一词改造而来,这正符合“基因遗传性状”的本义。

1928年,美国遗传学家摩尔根通过果蝇杂交实验,确认控制性状的基因存在于细胞核里的染色体上。摩尔根获得1933年的诺贝尔生物学或医学奖。
基因存在于染色体上。染色体这个名词可以顾名思义,就是细胞染色之后呈现较深颜色的棒状物体,而对细胞染色是为了在显微镜下把细胞看清楚。染色体的主要成分是脱氧核糖核酸,英语缩写为DNA,这是一个有机大分子,它的一个个片段就是一个个基因,基因是由核苷酸组成的,核苷酸是由核糖、磷酸、碱基组成的。如此看来,DNA的分子结构一定很复杂,那么这个复杂的结构到底是怎样的呢?

1953年,美国人沃森,英国人克里克,在英国剑桥大学共同发现DNA的结构是双链螺旋状结构。二人获得1962年的诺贝尔生物学或医学奖。克里克2004年去世,沃森仍健在,已经90高寿,2016年123名诺贝尔奖获得者签名支持转基因,也有沃森。

发现DNA的双链螺旋状结构,是遗传学的分水岭。以前是细胞遗传学,以后是分子遗传学,在分子水平上研究遗传学,我的理解,就是遗传学回归化学,研究化学分子的变化,主要是研究DNA这个分子的变化。那么DNA的双链螺旋状结构到底是个什么结构?我们不妨把它拉展,拉展以后它就像一条铁路,两个相邻火车站之间的这段铁路就是一个基因。

铁路的结构的确与DNA的结构非常相似。大家想象一下,一条铁路横在你的眼前,一根枕木与铁轨,组成一个“工”字;这个“工”字,可分解为一个正立的T和一个倒立的T;一个T就是一个核苷酸,两个T就是两个核苷酸;核苷酸有4种,排列组合为一个“目”字,“目”的4横就是4根枕木,“目”的两竖就是铁轨。很多个“目”组成1个基因,每个基因的“目”的数量都不相等,当然核苷酸的数量也不相等。

1957年,科学家预测,酶协助DNA制造了RNA,RNA是单链螺旋状结构,相当于半拉DNA,RNA制造了蛋白质。这种定向三角关系叫“中心法则”,后被实验所证明。“中心法则”可以具体表述为:在细胞核里,有核苷酸,有酶,有DNA;基因是DNA的片段,酶是有催化作用的蛋白质;酶协助基因,催化核苷酸合成核糖核酸,核糖核酸的英语缩写为RNA;RNA从细胞核里出来,在细胞质里催化氨基酸合成蛋白质。这个过程叙述起来比较复杂,可以简化为:基因(DNA片段)“翻译”产生RNA片段,RNA“翻译”产生蛋白质;不同的基因产生不同的RNA片段,不同的RNA片段产生不同的蛋白质。还可以把RNA简化掉,简化为两句话:基因转录产生蛋白质,不同的基因产生不同的蛋白质。

我们通常说蛋白质是生命的载体,为什么蛋白质是生命的载体呢?因为生物体内各种细胞的结构是由各种蛋白质为框架组成的。还因为生物体内有很多种酶,不同的酶催化不同的化学反应,而酶也是蛋白质。

我们通常说基因决定性状,基因是怎样决定性状的呢?是这样的:基因转录产生蛋白质,不同的基因产生不同的蛋白质,不同的蛋白质构成不同的细胞,不同的细胞构成不同的组织及器官,不同的蛋白质、组织及器官都可能表现不同的性状,归根结底是基因决定性状。酶也是蛋白质,也是基因产生的,不同的酶催化不同的化学反应,化学反应就是生命活动,生命活动就是生命性状,归根结底是基因决定性状。

1959年,科学家发现不同细菌之间的转基因现象,即一种细菌的一个基因可以插入另一种细菌的DNA之中。

1961年,发现同一种细菌内部,一段DNA脱落下来,转移并插入到别处DNA的链条之中。

1963年,发现一种病毒DNA,可以随机插入细菌DNA之中。

1967年,在大肠杆菌中发现DNA连接酶,这种酶可以让两段DNA连接起来。

1968年、1970年、1971年,三个科学家分别发现细菌的限制性内切酶,这种酶可以将DNA切断。

总结一下:DNA分子结构像铁路一般,一段铁路可以移走并插入他处,一段DNA也可以移走并插入他处;移走一段铁路并插入他处需要工具,移走一段DNA并插入他处需要酶;在酶的帮助下,一段DNA可以跨物种转移并插入,这就是天然的转基因现象。基因为什么可以跨物种转移并插入呢?因为各个物种的DNA、基因都是由几种相同的核苷酸连接而成的,基因的转移并插入,其实就是核苷酸的重新连接。不妨把核苷酸拟人化,在核苷酸眼里没有物种,只认同类,只要是核苷酸,就可以携手。

1971年,美国旧金山斯坦福大学教授保罗·伯格根据以上理论,利用内切酶将一种病毒的DNA切开,又利用连接酶将另一种病毒的DNA片段插入进来,基因工程由此诞生。基因工程就是人工进行跨物种的DNA重组或者基因重组,俗称转基因。在保罗·伯格之后,别的科学家又完成了两种不同细菌的基因重组,以及动物与细菌的基因重组。这种动物是非洲的一种青蛙。

这时,在生物科学家内部产生了一种担心,担心人工重组的DNA若从实验室泄露到自然界,会不会侵染自然界的细菌和病毒从而产生新的细菌和病毒。这种担心在科学界酝酿了5年,到1976年,美国国家卫生研究院公布《重组DNA研究准则》 ,规定生物实验室必须与其他建筑物隔离开来,实验室内的气压必须低于外界的气压,这样,实验室内的空气就不会流向外界,实验的细菌、病毒就不能迁移到实验室之外。如此,则可消除转基因实验室的潜在风险。但是,全世界对转基因安全性的潜在风险却展开了激烈争论,至今仍然争论不休。

请注意,所谓“潜在风险”指的是实验室的潜在风险,而不是经过安全评估后的转基因应用的潜在风险。实验室的潜在风险是完全可以防范的,而经过安全评估后的转基因应用的“潜在风险”是根本不存在的。如果谁说现在市场上的转基因食品有潜在风险,那他要么是不懂转基因,要么就是故意妖魔化转基因。我们科普转基因,不能说“转基因食品与非转基因食品都不是绝对安全的,都有潜在风险”,如果这样说,公众越听越糊涂,越听越怀疑。我们必须说“转基因食品至少与非转基因食品同样安全,并没有带来额外的潜在风险”。

上个世纪七十年代,转基因研究和应用在社会争论中继续发展。

1978年,人胰岛素基因成功转入大肠杆菌。这里需要解释。不是把人的基因取出来转入大肠杆菌,而是把人的这个基因进行人工合成,然后转入大肠杆菌。基因是分子,是分子就可以人工合成,把人工合成的人胰岛素基因转入大肠杆菌的DNA之中,大肠杆菌有了人胰岛素基因,就会产生人胰岛素,和人体内产生的胰岛素一模一样。大肠杆菌很容易繁殖,繁殖得越多,产生的人胰岛素就越多,这就可以进行工厂化生产,转基因大肠杆菌因此被称为工程菌。接着,把人胰岛素基因转入酵母菌,也可以生产人胰岛素。

此前,医用胰岛素是从猪、牛的胰腺中提取的,价格昂贵,产量很少,不足所需,而且疗效差、副作用大,这是因为猪胰岛素有1个氨基酸和人胰岛素不一样,牛胰岛素有3个氨基酸和人胰岛素不一样,有差异,人体免疫系统就会产生排异反应,所以疗效差、副作用大。转基因胰岛素使糖尿病治疗成本及效果发生根本性改变。

至如今,转基因药品已有几十种,常用的除了胰岛素,还有生长激素(治疗侏儒症),干扰素(抗病毒),白介素(提高免疫力),促红细胞生成激素(治疗肾病和贫血),重组人P53腺病毒注射液(抗癌),使用最普遍的是转基因疫苗,有乙肝疫苗、丙肝疫苗、百日咳疫苗、狂犬病疫苗  、轮状病疫苗、弓形虫疫苗等。这些转基因药品都是直接注入血液的,如果有风险,那要比口服的风险大得多。反对转基因食品、不吃转基因食品的人,按照逻辑也别使用转基因药品。

1980年,美国联邦最高法院对生物专利法涵盖的范围做出新的解释,根据这一解释,动物、植物、微生物的基因组合、基因修饰都应得到专利保护,简言之,就是转基因可以申请专利。这一解释源于一起细菌专利诉讼案。早在1972年,细菌学家查克拉巴迪将4种细菌基因重组,培养出可以分解石油的新细菌,用于清除石油污染,效果非常好。他申请专利却未获批准,因为当时的生物专利法只包括动物、植物,不包括细菌和基因重组的细菌。查克拉巴迪坚持8年,持续上诉,终于得到联邦最高法院的解释而获得专利。这个划时代的判例推动了转基因技术的发展,许多公司因此开始投资研究转基因。后来的转基因巨头孟山都就是在这个判例之后从化工领域进入生物技术领域的。

1983年,美国培育出世界首例转基因植物——转基因抗除草剂烟草。

1986年,美国白宫科技政策办公室发布《生物技术管理协调框架文件》 ,确立“农业生物技术产品与传统农作物实质等同”原则。

1991年,美国智库“竞争力委员会”向布什总统提交《国家生物技术政策报告》 ,提出“调动全部力量进行转基因技术开发并促其商业化”。

1994年,美国批准转基因抗除草剂棉花商业化种植。

1996年,美国批准商业化种植的转基因作物有:转基因抗除草剂大豆、转基因抗除草剂油菜、转基因抗虫玉米、转基因抗虫棉花、转基因延熟西红柿。从此,美国转基因农业迅速发展。

第7讲:中国转基因农作物种植与转基因农产品进口

1996年我国批准种植转基因延熟番茄,几年后被引进的以色列非转基因的延熟番茄所取代。

1997年我国开始推广转基因抗虫棉,20年来我国的棉花基本上都是转基因的。

1999年我国批准种植转基因抗病毒病甜椒,因抗病性不强,几年后被市场淘汰。

2006年我国推广转基因抗病毒病番木瓜,现在市场上基本上都是转基因番木瓜。

2009年农业部给两个转基因抗虫水稻、1个转基因植酸酶玉米颁发安全证书,但是一直没有推广。

我国进口的转基因农产品主要是转基因大豆,2017年进口9500多万吨。进口的转基因农产品还有转基因玉米、转基因油菜籽,每年各有数百万吨。


第8讲:全球转基因农作物种植概况

1996年以来,全球转基因农作物种植面积逐年递增,到2016年,全球28个国家种了28亿亩转基因作物,占全球耕地的12%。28亿亩中有27亿多亩是大豆、玉米、棉花、油菜,其中——
大豆13.7亿亩,占全球大豆总面积的78%;
玉米9.09亿亩,占全球玉米总面积的33%;
棉花3.34亿亩,占全球棉花总面积的13%;
油菜1.29亿亩,占全球油菜总面积的33%。
其他转基因作物还有甜菜、苜蓿、木瓜、南瓜、土豆、茄子、甘蔗、苹果。

转基因作物种植面积前10位的国家有——
美国10.94亿亩,种植的转基因作物有玉米、大豆、棉花、油菜、甜菜、苜蓿、木瓜、南瓜、土豆、苹果,其中转基因大豆占本国大豆面积的94%,转基因棉花占本国棉花面积的93%,转基因玉米占本国玉米面积的92%;
巴西7.37亿亩,分别是大豆、玉米、棉花;
阿根廷3.57亿亩,分别是大豆、玉米、棉花;
加拿大1.74亿亩,分别是油菜、玉米、大豆、甜菜、苜蓿;
印度1.62亿亩,主要是棉花;
巴拉圭5400万亩,分别是大豆、玉米、棉花;
巴基斯坦4350万亩,主要是棉花;
中国4200万亩,分别是棉花、番木瓜;
南非4050万亩,分别是玉米、大豆、棉花;
乌拉圭1950万亩,分别是大豆、玉米。

第9讲:转基因农作物的科学原理

抗虫的转基因,转的是苏云金芽孢杆菌的基因。苏云金芽孢杆菌的英语缩写为Bt,它的基因就叫Bt基因,Bt基因产生的蛋白就叫Bt蛋白,Bt蛋白被目标害虫(比如鳞翅目昆虫)吃了以后,与昆虫肠道壁上的糖蛋白结合,导致昆虫肠穿孔而死。把一个Bt基因转入农作物的DNA,就可产生Bt蛋白,就可抗虫。Bt基因产生的Bt蛋白对人和哺乳动物无害,因为人和哺乳动物的肠道壁上没有那种糖蛋白,而且人和哺乳动物肠道里的核酸酶和蛋白酶可以分解Bt基因和Bt蛋白,所以它对人和哺乳动物无害。

目前转基因抗虫棉、转基因抗虫玉米、转基因抗虫水稻,转的都是Bt基因,抗的都是鳞翅目害虫。鳞翅目害虫是农业的主要害虫,减轻虫害,必然增产,一般增产15%以上。转基因抗虫,减少了农药用量,既降低了种田成本,又减少了环境污染。

抗除草剂的转基因,转的是土壤农杆菌的基因。除草剂有几十种,其中草甘膦除草效果最好、毒性最低、残留最低,因而使用量最大。草甘膦除草原理是抑制植物氮代谢的酶的活性,氮代谢的终端产物是蛋白质,蛋白质是细胞的主要成分,氮代谢的酶没了活性,氮代谢就停止了,蛋白质就不能产生了,新的细胞也不能产生了,那么植物就死亡了。土壤农杆菌里也有氮代谢的酶,酶是基因产生的,把土壤农杆菌的氮代谢酶基因转入作物,可以让作物氮代谢酶增加50倍,抵消了草甘膦的作用还绰绰有余,所以草甘膦只能除草,不能伤害作物。

抗病毒病的转基因,转的是病毒的基因。病毒的结构是蛋白质外壳包裹着基因组。病毒只有侵入植物、动物的细胞内利用细胞内的资源才能复制,复制之前,病毒基因组与蛋白质外壳分离。病毒基因组的一个基因产生复制酶,这个基因就叫复制酶基因。复制酶基因产生的复制酶,催化病毒基因组和蛋白质外壳分别不停地复制,复制后又不停地组合,组合成更多新的病毒,再侵入更多的细胞,从而造成病害。

转基因抗病毒的原理是:把病毒基因组的复制酶基因转入作物细胞的基因组,因为转入的只是一个复制酶基因而不是病毒的基因组,所以作物并不染病;病毒的复制酶基因转入作物的基因组,就成了作物的基因,不再是病毒的基因;当病毒侵入作物细胞后,这个复制酶基因会阻止病毒基因组的复制酶基因发挥作用,这叫“基因沉默”,沉默是因为内源、外源两个基因结构相同,沉默的机制很复杂,细说艰深,简单而通俗地说就是“相克”,是“内源外源基因结构相同而相克”,相克,病毒便不能复制,也就不能致病。转基因抗病毒病以番木瓜为代表。番木瓜病毒病常常使番木瓜绝收,推广转基因番木瓜以后年年丰收。

转基因防褐变苹果的原理也是“基因沉默”。苹果里的酚与酚氧化酶互不接触,相安无事,但是削皮或切开以后,酚与酚氧化酶就结合了,然后产生醌,醌为褐色。把苹果的酚氧化酶基因的一个片段复制下来,再转入苹果,那么苹果原来的基因片段与转入的基因片段因为结构相同而相克,结果是“同归于尽”,双双沉默,不再产生酚氧化酶,苹果削皮、切开就不会褐变了。

抗真菌的转基因,以土豆为例,转的是野生植物的基因。农作物的病害,80%是真菌感染引起的,土豆晚疫病就是真菌病害。真菌的细胞壁由几丁质和葡聚糖组成,如果农作物体内的几丁质酶、葡聚糖酶活性足够强,就可以把真菌的细胞壁溶解,从而抗病。但是,农作物体内这两种酶的活性太弱,所以都不抗病。育种家发现野生土豆抗晚疫病,于是就把野生土豆的基因转入栽培土豆,产生的几丁质酶、葡聚糖酶活性足够强,这便具有抗病性。

未来转基因的一个方向是抗旱,旱情依然制约农业增产。若让农作物抗旱,一种方法是增强根系吸收水分的能力。根系吸收土壤水分,是因为根系内的液体浓度大于土壤液体浓度,而水分总是从低浓度向高浓度渗透。如果干旱,土壤液体浓度大于根系液体浓度,根系就吸收不到水分。根系液体浓度由化学反应决定,化学反应由酶决定,酶由基因决定,所以转基因可以增强农作物抗旱能力。


第10讲:农作物为什么要转基因?

农作物为什么要转基因呢?因为农作物的优良基因有限,而且有限的优良基因与不良基因连锁,分不开,所以杂交育种很难获得更优良的性状。
杂交育种是同一物种内DNA的优化组合,DNA上有好基因,也有坏基因,好的取不走,坏的去不掉,那么优良性状就与不良性状连锁在一起,所以没有完美无缺的杂交品种,所谓优良品种只不过是好性状多一些,坏性状少一些、轻一些。

农作物本身通常不具有很强的抗虫基因,也不具有强抗病基因,所谓抗虫品种、抗病品种,只不过是虫害、病害轻一点罢了。而不同物种的野生植物,尤其是细菌中,可能存在抗病基因、抗虫基因,这就需要用转基因的方法,培育抗病、抗虫品种。

如果科学没有发展到转基因这一步,那就只好杂交、杂交、再杂交,以期获得好一点的性状。既然科学发展到了转基因这一步,为什么不用转基因的方法获得优良性状呢?

转基因育种不是不要杂交育种,而是与杂交育种相结合,以杂交育种为基础,给杂交育种锦上添花。

人类选育农作物品种经过三个阶段:1万年的自然杂交、人工选择阶段,100年的人工杂交育种阶段,如今进入人工杂交与转基因相结合阶段,这个阶段还包括与基因编辑相结合。基因编辑犹如文字编辑,文字编辑可以删掉错别字,基因编辑可以删除不好的基因,文字编辑用的是笔,基因编辑用的是酶。基因编辑与转基因结合,可以引导转基因准确插入特定位置,而单纯的转基因则是随机插入。

转基因和基因编辑仍在发展之中,未来的农作物将会更高产、更优质、更抗虫、更抗病、更抗旱。

转基因是跨物种的基因转移,但是我们不要总是想着这是人工制造新物种违背自然规律。什么是物种?达尔文的进化论认为物种就是生殖隔离,就是说,可以交配繁殖后代的生物个体都是相同的物种。转基因棉花与非转基因棉花,转基因玉米与非转基因玉米,转基因大豆与非转基因大豆,都可以繁殖后代,所以转基因不是制造新物种,不违背自然规律。

2015年,科学家发现红薯的基因组里有土壤农杆菌的基因,这是自然界的细菌给植物转基因,更有力地证明人工转基因是顺应自然,模仿自然。(待续)

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来源:基因农业网

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