转基因作物的研究进展

生物与环境工程学院课程论文转基因作物的研究进展学生姓名：***学号：************专业/班级：生物工程081班课程名称：生物工程原理指导教师：陈蔚青教授浙江树人大学生物与环境工程学院2011年5月转基因作物的研究进展魏斌聪（浙江树人大学生物与环境工程学院生工081班浙江杭州310015）摘要：人们将所需要的外源基因(如高产、抗病虫害优质基因) 定向导入作物细胞中, 使其在新的作物中稳定遗传和表现,产生转基因作物新品种, 是大幅度提高作物产量的一项新技术。

本文先描述了转基因作物的发展进程，对其基因问题的研究作了讨论，并列出转基因作物目前存在的主要问题并作分析，最后对此项技术作出展望。

关键词：转基因作物；DNA技术；基因导入；安全性前言转基因植物（transgenic plant），是指基因工程中运用DNA 技术将外源基因整合于受体植物基因组、改变其遗传组成后产生的植物及其后代。

转基因植物的研究主要在于改进植物的品质，改变生长周期等提高其经济价值或实用价值。

[ 1 ]其主要范围是在作物方面，如可食用的大豆、玉米等，或者可投入生产的棉花等作物。

从表面上看来，转基因作物同普通植物似乎没有任何区别，它只是多了能使它产生额外特性的基因。

从1983年以来，生物学家已经知道怎样将外来基因移植到某种植物的脱氧核糖核酸中去，以便使它具有某种新的特性：抗除莠剂的特性，抗植物病毒的特性，抗某种害虫的特性。

[ 2 ]这个基因可以来自于任何一种生命体：细菌、病毒、昆虫等。

这样，通过生物工程技术，人们可以给某种作物注入一种靠杂交方式根本无法获得的特性，这是人类9000年作物栽培史上的一场空前革命。

[ 3 ]1 转基因作物的发展进程转基因作物的研究最早始于20世纪80年代初期。

1983年，全球第一例转基因烟草在美国问世。

1986年，首批转基因抗虫和抗除草剂棉花进入田间试验。

1996年，美国最早开始商业化生产和销售转基因作物(包括大豆、玉米、油菜、土豆和西红柿) 。

之后,许多国家也都开始对转基因作物展开研究，并进行商业化种植，转基因作物的商业化种植目前已经遍布全球25个国家。

现有的转基因作物通常分为3代：第1代转基因作物是指具有强化输入特性的作物，如具有抗除草剂、抗害虫、以及抗环境压力(干旱)的特性；第2代转基因作物是指具备增值输出特性的作物，如具有强化动物饲料营养的特性；第3代转基因作物是指可以生产药品或者改进生物基燃料和除传统食品与纤维之外产品的作物。

[ 4 ]目前，转基因作物的应用总体上限于第1代转基因作物，第2、3代转基因作物正处在不同的研发阶段。

市场上的转基因作物有大豆、玉米、油菜、棉花、木瓜、马铃薯、南瓜及西红柿等。

其中,大豆、玉米、油菜和棉花是种植最为广泛的转基因作物。

世界各国正在研发的转基因作物包括苹果、香蕉、大麦、椰子、芒果、菠萝及甘薯等。

[ 5 ]根据杜艳艳[ 6 ]的研究总结，1996～2009年，全球转基因作物种植面积增加了72. 5倍，即从0.017亿hm2 增长至1.250亿hm2。

截至2009年，全球转基因作物累计种植面积达到了8亿hm2，距首次突破4亿hm2大关仅相隔3年时间。

种植转基因作物的国家从6个增加到25个。

全球种植的转基因作物主要是大豆、玉米、棉花和油菜。

2009年大豆种植面积0.658亿hm2，占总面积的53%；玉米种植面积0.373亿hm2，占总面积的30%；棉花种植面积0.155亿hm2，占总面积的12%；油菜种植面积0.059亿hm2，占总面积的5%。

国际农作物生物技术应用服务组织（ISAAA）发布的报告[ 7 ]中，指出转基因作物在1996年至2009年期间在全球产生了大约650亿美元农业经济收益，其中44%是由于减少生产成本（耕犁更少、杀虫剂喷洒更少以及劳动力更少）的收益，56%是由于2.29亿吨可观的产量收益。

2010年转基因种子的全球市场价值为112亿美元，商业转基因玉米、大豆以及棉花产品的价值约为1500亿美元。

种植转基因作物产生了显着的效益，此外，在保护生物多样性、减轻贫困和饥饿、减少农业的环境影响、减缓气候变化方面有显着的促进作用。

所以，转基因作物将会在以后的时间里，受到更多的农民的信任，得到更广泛的种植使用。

2 转基因作物的相关研究2.1 抗病基因的研究1986 年，美国Beachy 研究小组首次将烟草花叶病毒(TMV)外壳蛋白基因(CP) 导入烟草,培育出抗TMV的烟草植株, 开创了抗病毒育种的新途径。

[ 8 ]此种途径就是将一种或几种具有某种抗病能力的外源基因，导入目的作物的基因内，从而使得作物能够在生长中，对某种疾病具有抵抗能力，相当于是给该作物打了相关疾病的疫苗。

如王振宇等[ 9 ]的研究，通过实验得知几丁质酶( Ghi) 和β-1, 3 葡聚糖酶( Glu) 这两种植物防御体系中的两种防卫因子，结合在一起有互补的协同增效作用，可抑制真菌的生长。

于是实验员就在早熟棉中导入转双价抗病基因( Glu 和Chi ) 棉花，种植观察发现，此种棉花具有良好的抗枯、黄萎病的性能。

在抗病毒的基因工程方面, 国内也取得了很好进展。

中国农业科学院生物技术研究所已成功地人工合成和改造了来自天蚕蛾的抗菌肽基因, 目前抗菌肽基因已经供给国内10 多家研究单位, 进行抗水稻白叶枯病、马铃薯软腐病、花生和番茄的青枯病、大白菜软腐病、柑桔细菌性溃疡病、桑树和桉树青枯病、樱桃根肿病等抗细菌病基因工程研究。

北京大学克隆了烟草花叶病毒TMV、黄瓜花叶病毒CMV、马铃薯X病毒等中国株系以及水稻矮缩病毒的外壳蛋白基因。

此外, 国内一些研究单位还获得了抗环斑病毒(PRSV) 的番木瓜，抗黄矮病和黄花叶病毒的小麦等抗病毒病的基因工程植株。

[ 10 ]2.2 抗虫基因的研究农作物种植的一大困扰就是虫害，农药等除虫方法对环境伤害大，转基因抗虫作物的研究不容忽视。

1987 年Vaeck 首次将苏云金杆菌(Bt) 毒蛋白基因导入烟草中得以表达, 获得了抗天蛾的转基因植株。

随后Bt 毒素基因相继被转化到棉花、水稻、玉米等50 多种植物中获得的植物。

均有不同程度的抗虫性。

[ 11 ]抗虫基因有两类: (1) Bt 杀虫蛋白基因, 来自苏云金芽孢杆菌, 现已导入棉花、玉米、水稻、烟草、番茄、马铃薯、胡桃、杨树、落叶松等; (2) 蛋白酶抑制剂基因, 可抑制蛋白酶活性, 干扰害虫消化作用而导致其死亡, 是植物对虫害的自卫反应, 主要有丝氨酸蛋白酶抑制剂、琉基蛋白酶抑制剂、天门冬氨酸蛋白酶抑制剂、金属蛋白酶抑制剂、基因淀粉酶抑制剂、植物凝集素基因等。

[ 12 ]我国转CpTI 棉花的研究已开展多年, 并先后获得了转CpTI 基因和转Bt + CpTI 双价基因棉花,[ 13 ]并开始了商业化生产。

另外, 外源凝集素基因(GNA) 也至少在油菜、西红柿、水稻、甘薯、甘蔗、向日葵、烟草、马铃薯、大豆和葡萄等10 种植物上获得了表达, 均表现出一定的抗虫性。

[ 14 ]2.3 品质改良基因的研究将转基因技术用于作物品种改良可以开发出具有人们所需营养成分的食品，品质改良主要涉及蛋白质的含量、氨基酸的组成、淀粉和其它多糖化合物以及脂类化合物的组成。

许多此类作物如富含蛋氨酸的转基因烟草、直链淀粉含量降低的转基因水稻、月桂酸含量高达40%的转基因油菜都相继成功, 有的已进入大田试验。

富含必需氨基酸的马铃薯、高蔗糖含量的玉米、低尼古丁含量的烟草均已育成。

此外欧洲科学家已培育出米粒中含丰富维生素 A 和铁的转基因水稻Zeneca 公司和伦敦大学的研究小组也成功开发出番茄红素含量较高的转基因番茄。

在国内张宪银等[ 15 ]用农杆菌介导法将大豆球蛋白基因导入水稻获得转基因植株并在后代中稳定遗传, 高越峰等[ 16 ]将高赖氨酸蛋白基因导入水稻获得转基因植株, 其赖氨酸含量均有不同程度的提高。

3 转基因作物的相关问题3.1 转基因作物对人体健康的影响食用安全是作物所应具备的前提条件，人们对食用转基因产品的安全性最为关心。

转基因作物对人体健康的影响体现在两个方面：(1)外源DNA自身毒性对人体健康的影响。

转基因过程中转入DNA固有毒性的威胁得到广泛的关注。

但是转基因作物的食用性，加工方式，加工过程，能使转入基因DNA产生一定的降解，这样影响危害就会有效减少。

如在饮食中每天进食0.1-1.0g的DNA 物质，只有0.1-1.0 mg是转基因的DNA 物质，并且DNA没有直接的毒性[ 17 ]。

(2)转基因作物产生的毒性产物对人体健康的影响。

毒性物质的产生有以下原因：提供基因的生物很可能是不能作为食物的有毒生物，其基因转入作物后，产生有毒物质；新基因的转入使产生毒素的沉默基因开启，产生有毒物质；[ 18 ]外源基因的产物不是受体物种中原有的成分，不存在天然的降解代谢循环，造成积累，或异常降解，可能产生具有毒性的产物；转基因过程中，插入基因的不稳定性、基因沉默、代谢途径改变等一系列效果，造成毒性物质产生。

[ 19 ]转基因生物所引起风险的广泛性、潜在性、不确定性、不可逆转性的特点，如何正确评估，安全使用转基因生物已成为人们关注的热点，也成了世界上许多国家环境和健康的中心议题。

3.2 选择标记基因造成的安全性问题转基因作物的常见的选择标记基因如对抗生素类、除草剂类和抗虫剂类具有抗性的基因。

选择标记基因引起的最大的争议就是转基因逃逸问题，如具有除草剂抗性的转基因作物的花粉可能会飘落到杂草或近缘野生品种上，使之具有除草剂抗性；抗生素类选择标记基因有可能会转移给胃肠道微生物，影响抗生素类药物的治疗效果。

目前，商品化生产的转基因作物都要求必须做到无标记基因，但人们仍担心选择标记基因带来的安全性问题。

赵德刚等[ 20 ]研究的一种“ 外源基因清除” 技术，为解决转基因植物潜在的安全性问题提供了一条新的途径。

3.3 转基因作物对生物多样性和生态环境的危险转基因作物具有较强的生存能力或抗逆性，种植单一化的转基因作物势必会致使物种呈单一化趋势，导致生物多样性的丧失。

转基因作物作为外来品种进入自然生态系统，可能造成原有的生物生态系统失衡。

另外大面积种植转基因作物，品种单一，降低了农作物品种的多样性，对于突发性的病虫害、环境胁迫，可能造成粮食作物不可逆转的减产。

如70年代，印度尼西亚和印度的稻田发生草病毒，幸运的是发现了1 个品种对这种病毒具有抗性。

[ 21 ]转基因作物对非目标生物的影响是无法预知，如植入抗虫基因的农作物会比一般农作物更能抵抗病虫的袭击，这样转基因作物将会取代原来的作物，造成物种灭绝。

对非目标生物的影响存在两种可能的途径，一是其毒性对非目标生物产生直接影响。

如李桂林等[ 22 ]研究报告显示，“B t 玉米” 就可潜在地危害摄食马利筋叶的大斑蝶幼虫；二是通过食物链对非目标生物产生间接影响，王月丹等[ 23 ]认为Bt毒素会在食物链中得到积累。