基因工程在农业中的应用

基因工程在农业中的应用摘要：基因工程技术在农业中的应用及在农业上应用时相应的问题，论述了基因工程给目前农业的发展带来机遇与挑战。关键词：基因工程；农业；应用基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其他载体分子,构成遗传物质的新组合,并使之渗入到原先没有这类分子的寄主细胞内,而能持续稳定地繁殖。从定义上看,它首先强调外源核酸分子在另一种寄主生物细胞中进行繁殖的问题,这种跨越天然物种屏障的能力,是基因工程的第一重要特征。这表明,应用基因工程技术,人们就可以按照自己的主观愿望,创造出自然界原先并不存在的新的生物类型。科研人员正是利用这一特征,已在提高农作物作物产量,改善品质,增强抗逆性和抗病虫害的能力等方面取得令人瞩目的成就。1基因工程在农业中的应用1.1利用基因工程技术减少农药使用量农作物在生长过程中容易受到致病菌及害虫的影响,因此在作物种植过程中往往需要使用大t的农药控制病虫害,这是造成食物中农药残留及环境污染的主要原因。如何减少农药的使用量是绿色食品生产中的一项关键技术。采用策衍害虫天敌、诱杀或生物防治的方法虽然可以部分替代合成农药,但是最直接有效的方法是利用荃因工程技术使作物获得抗病、虫的能力;目前已采用基因工程技术将各种抗病、虫基因转移到包括大豆、玉米、水稻等多种重要农作物中,利用转基因植物自身的能力抵抗外界病、虫的危害,从而达到减少药使用的目的。1996年以来,仅北美地区由于采用转基因抗病、虫作物已使农用化学品的使用量减少了450万吨。与普通的大豆相比,种植转Bt杀虫蛋自墓因的大豆可以使杀虫剂的用量减少80%。踞统计,1996一1998年之间,全球种植的转基因抗虫作物不但使产量提高了10%,而且减少了250亿元的杀虫剂使用量。由此可见,利用基因工程技术增强农作物心沙品种对角虫、可以大大降低作物种植过程中农药的使用,从而减少食物中的农药残留,并且能够产生良好的生态效益和经济效益,将是发展绿色食品的一个有效手段。1.2利用基因工程技术改良作物品质随着生活水平的提高,人们越来越关注口味、口感、营养成分和欣赏价值等品质性状。实践证明,利用基因工程可以有效地改善植物的品质,并且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域,取得了很好的效果。种子及其他贮藏器官(块茎、块根、鳞茎等)中蛋白质的含量及其氨基酸的组成、淀粉和其他多糖化合物以及脂类物质的组成,直接关系到其营养价值或在工业上的用途。由于不少贮藏蛋白的基因或与这些贮藏物质有关的代谢过程的改变,而改变这些器官中的物质组成,甚至使植物产生的反义RNA基因,就有可能通过调控有关的代谢过程而改变这些器官中的物质组成,甚至使植物产生新的或者修饰过的化合物。在蛋白质改良方面,由于特定作物种子中往往缺少某几种必需氨基酸,人们的注意力集中于通过基因工程改变蛋白质的必需氨基酸的组成来改善植物的营养价值。美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋质合成基因,成功地导入到马铃薯中,培育出高蛋白马铃薯品种,其蛋白质含量接近大豆,营养价值大大提高,受到农场主及消费者的普遍欢迎。Meijer将富脯氨酸基因成功地导入水稻中,获得转基因植株,提高了籽粒的蛋白质含量,改善了稻米的品质。将巴西坚果的富含蛋氨酸的2S清蛋白基因转入烟草,在菜豆种子的贮藏蛋白基因的启动子的驱动下,表达的蛋白质中18%的氨基酸为蛋氨酸,在转基因烟草的蛋白质中蛋氨酸的含量增加了30%。有人将编码高含硫氨基酸的蛋白质基因导入豆牧草,使之在茎中高度表达,大大提高了其作为饲料的营养价值。基因工程在调控植物的淀粉及其他多糖化合物方面也取得较大进展。在改变油料作物油脂的组成方面,近年来已取得了一系列重要的突破,这方面的主要目标是改变油脂的不饱和度以及脂肪链的长度。通过导入硬脂酸ACP脱氢酶的反义基因,在转基因油菜和芜菁的种子中硬脂酸的含量由2%增加到40%,增加了20倍。我国在利用基因工程改良植物品质方面也取得较大成就。1997年我国第1个获准进行商品化生产的基因工程番茄品种)))华番1号,在13~30e下可贮藏45d左右,大大延长了保鲜期,解决了由于果实具有呼吸跃变期而难贮藏的难题。北京农林科学院工作人员经4a努力,将来自美国的优质面包小麦品种CHEYENNE的谷蛋白亚基导入到北京地区推广种植的抗病、高产品种,获得蛋白质含量较高的小麦类型,具有较好的前景。1.3利用基因工程技术培育抗逆性强的作物植物对逆境的抗性一直是植物学家关心的问题。由植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战,耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品种(系)已获得成功。Hhomashow等将CBF1(C-repeatingbind-ingfactor)基因导入拟南芥,诱导一系列低温调节蛋白的表达,使未经低温驯化的植株具有较强的抗寒能力,从而能够抵御比较寒冷的天气。Murata等通过向烟草导入拟南芥叶绿体的甘油-3-磷酸乙酰转移酶基因,以调节叶绿体膜脂不饱和度,使获得的转基因烟草的抗寒性增加。科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长,从而免受低温的冻害,正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼体内分离出来,导入植物体获得转基因植物,目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。相信在不久的将来,会有各种具有强抗寒特性的转基因植物出现,使它们能在高寒地区或者骤冷的气候下生存。2基因工程技术应用对有机农业生态环境潜在的生物安全性问题2.1基因流和基因污染基因流来自英文“GeneFlow”,指转基因在转基因生物和与其有亲缘关系的生物间的流动。基因污染来自英文“GeneContamination”,指转基因生物的外源基因通过某种途径转入并整合到其他的生物基因组中,使得其他生物尤其是植物的种子或产品中混杂有转基因成份,造成自然界基因库的混杂和污染。从基因流与基因污染的关系来看,基因流是原因,基因污染是后果。2.2基因污染的风险性研究由于几乎所有的农作物在其分布区都存在有性繁殖兼容性(可交配)的野生种和近缘种,因此从理论上讲,基因污染的发生完全是有可能的。如果在有机农业生产基地周围种植转基因作物,有机农场就有可能受到基因污染,基因污染主要存在如下几种形式。2.2.1转基因作物有可能演变为“超级杂草”“超级杂草”概念首先由E.Anderson提出,特指那些来自驯化作物与野生近缘种杂交而产生的有害植物。1999年,在加拿大Saskatchewan省的11块地的田间确认了抗多种除草剂的转基因油菜自播植物的存在,并且在相邻油菜地的小麦田间也发现了能抗除草剂的转基因油菜自播植物,同时该油菜已经变成了麦田中的杂草,而且难以治理,以上情况出现的缘故就是基因流的缘故。最近,EnglishNature报道上加拿大出现抗3种除草剂油菜自播植物的整个过程,并再次提出了“超级杂草”的说法。所以,那些原本具有杂草特性的植物如向日葵、油菜、草莓等在进行基因遗传转化时,应该重视可能出现的杂草化问题。2.2.2转基因作物通过基因流对近缘物种造成潜在威胁的影响随着转基因作物在环境中的大量释放,不断有研究证实这些不同来源的转基因通过花粉向相关近缘物种转移的事实。2001年11月Chapela和Quist在Nature上报道了墨西哥Oaxa-ca州的玉米受到基因污染的分子证据,同时墨西哥政府也两次分别证实了本土玉米受污染的事实,这一发现令全世界感到震惊。在墨西哥,有超过300种的玉米地方种和野生种可能会因为这种基因污染而消失。另外,被转基因植物无意授粉产生的种子有可能成为转基因向其他品种或野生近缘种转移的“遗传桥梁”。我国是大豆的起源地和品种多样性集中地,有6000多份野生大豆品种,占全球90%以上。目前辽宁、吉林和黑龙江大面积种植有机大豆,而2001年美国向中国出口了大约540万t的大豆,在美国,大约70%的大豆是孟山都公司生产的转基因抗草甘膦大豆。如果这部分转基因大豆从运输到加工的过程中,有一部分产品遗落到野外或者被农民私自种植,就有可能成为我国有机大豆基因污染的源头,对我国的有机大豆造成污染,使我国大豆的遗传多样性丧失!2.2.3转基因作物对非靶生物的影响基因工程Bt杀虫作物持续而不可控制地产生大剂量的Bt毒蛋白,能大规模地消灭害虫,但同时也伤害了部分靶昆虫,因为Bt毒蛋白通过食物链转移到了非靶昆虫身上,使昆虫的肠胃破裂,如飞蛾类(飞蛾与蝴蝶)和甲壳类(甲虫)。而且基因工程Bt杀虫作物产生的Bt毒蛋白可以从植物的根部渗透到土壤或随叶子进入土壤,Stotzdy及其同事研究表明,Bt毒素会被吸收到土壤微粒中并残留234天或更久,这对土壤和水体中的无脊椎动物具有危害性,而传统的Bt杀虫菌粉则没有这种危害。Birch等报道食用植物凝集素转基因番茄植株上蚜虫和瓢虫与对照组相比,产卵率减少38%,寿命仅为对照组的50%。2.2.4转基因作物对生物多样性和天然生物基因库的影响生物繁殖的本质就是基因的复制,转基因可随被污染生物的繁殖而得到繁殖,再随被污染生物的传播而发生扩散,这种扩散使得大量转基因进入野生植物基因库,进而影响基因库的遗传结构,破坏遗传多样性,给生物多样性造成危害。进化理论预测一个含有优势基因的品种会增加该品种在该物种中所占的比率。例如,我们可以预期一个抗虫基因(如Bt基因)所表现的优势和该优势在种群中比例的上升,结果便使其他基因型品种比例降低,同时伴随基因多样性的丧失。天然的野生植物基因库对人类是一个巨大的宝藏,也是人类发展有机农业的天然基础,然而令人堪忧的是:我们现在还能守住这最后一片“净土”吗?2.2.5转基因作物对自然界生态平衡的影响自然界生物被基因污染后的结果可能使某些野生物种从转基因中获得新的性状,如耐寒、抗病、速长、高产、抗盐等,使其具有更强的生命力并可能打破自然界的生态平衡。有机农场一旦被基因污染打破生态平衡,将不再适宜种植原有的作物品种。2.2.6转基因作物对害虫抗性增加的影响由于Bt基因在植物体内的持续表达,使得害虫在整个生长周期都受到Bt杀虫蛋白的选择,可促使害虫对转抗虫基因植物产生相应的抗性。害虫对转基因植物的抗性发展,能够削弱转基因植物本身的效益,对环境产生负面影响。2002年6月3日,绿色和平与中国农业生物技术学会、国家环境保护总局南京环境科学研究所在北京联合发布了《转Bt基因抗虫棉环境影响研究的综合报告》,该报告综合分析了中国农科院植物保护所、中国农科院棉花所、中国农业大学植物保护系和南京农业大学植物保护系4家中国权威机构的研究数据,提出大田连续种植8—10年抗虫棉后,抗虫棉可能丧失对棉铃虫的抗性,从而失去其利用价值。这一事件是继Pusztai事件、帝王蝶(Monarchbutterfly)事件、巴西坚果事件和墨西哥玉米污染事件后的又一件大事,再次在学术界掀起了轩然大波,引进了世界各国对转基因作物安全性的高度注意。如今,在有机农场大量使用的Bt杀虫剂在面对害虫抗性不断增加风险的情况下,还能继续保持其高效的杀虫效果吗?2.2.7转基因作物引起新病原菌产生的可能性转基因引起新病原菌产生的可能性,即病毒发生异源重组和异源包装的可能性。转基因作物表达的病毒外壳蛋白在体外试验中,可包装入侵另一种病毒的核酸,从而产生新病毒。虽然,迄今在田间试验中尚未发现病毒的异源包装,但小规模的田间试验得到的结论不一定与大规模生产应用结果相同。3基因工程体及其产品食用安全性由于基因工程可以使基因对生态环境和人类健康可能带来的后果难以预料。目前的科学水平不能精确地预测转基因可能产生的所有表型效应,也很难明确地回答公众对基因工程产品提出的各种各样的安全性问题。因此,为了加强农业生物工程产品的安全性,应根据本国的国情,采取积极、认真、慎重的态度与务实、具体的保护措施,参照国际组织的研究结果与标准,设立安全评价与管理机构,制定法规,采取防范措施。在目前科学技术尚难以完全检测、鉴别的情况下,充实和完善实验和隔离设备,利用健全的食品检测手段,对转基因产品农业生态环境与人民的食物安全、健康的影响,实施严格的把关和保护。转基因植物食品的实质等同性分析包括几个层次的内容：表型性状:如植物的形态、生长、产量、