从黄金大米看转基因

从黄金大米看转基因

张思凡 111120202

转基因技术自诞生以来就备受争议，近年来关于转基因利弊的争论更是异常激烈。通过介绍著名的转基因作物黄金大米，即通过转入目的基因在大米胚乳中合成类胡萝卜素，详细说明其原理及发展历程，以阐明转基因技术的现状及其面临的困境。

GM technology has been controversial since its birth, debate about the pros and cons of GM has been even more fierce. By introducing of the famous GM crop “Golden Rice ”——introduce the target genes to compound carotenoids, explain its principle and developing process and clarify the status of GM and the difficulty it faces.

转基因概述

转基因技术就是利用现代生物技术，将人们期望的目标基因，经过人工分离、重组后，导入并整合到生物体的基因组中，从而改善生物原有的性状或者赋予其新的优良性状。转基因生物（GMO ）包括转基因微生物、转基因动物、转基因植物。从1982年世界上第一例转基因小鼠在美国出生开始算起，转基因到现在已经经历了30余年，取得了重大的进展。1983年，利用农杆菌介导法，美国华盛顿大学和威斯康星大学的科学家分别宣布将卡那毒素抗性基因导入烟草和将大豆基因转入向日葵，标志着植物转基因技术改良作物的开始；1988年，孟山都公司研制成功世界上第一例转基因抗虫棉；1992年，Vasil 等利用基因枪获得了世界首例耐除草剂转基因小麦； 1994年，美国Calgene 公司开发的延熟番茄Pam-SaVrTM 被批准进行商业化生产，这是全球首次批准的可进行商业化生产的转基因植物。 到目前为止，转基因作物已在数个国家广泛种植，包括美国，巴西，阿根廷等。

转基因玉米种植面积（万公顷） 转基因大豆种植面积（万公顷）[1] 农杆菌介导转化法 迄今为止，获得的200余种转基因植物中，80%以上是利用根癌农杆菌转化系统产生的，是目前研究最多、理论机理最清楚、技术方法最成熟的基因转化途径。 农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位(受伤处的细胞会分泌大量酚类化合物,从而使农杆菌移向这些细胞)，并诱导产生冠瘿瘤

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或发状根。根癌农杆菌和发根农杆菌中细胞中分别含有Ti质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中,并且可以通过减速分裂稳定的遗传给后代。

黄金大米

黄金大米即是通过农杆菌介导转化法将目的基因转移到大米胚乳中从而使其能够产生类胡萝卜素。由于产生玉米黄质及叶黄素，颜色呈黄色，因此被称作“黄金大米”。

图示为类胡萝卜素的生物合成过程。成熟的的大米胚乳中能够合成GGPP（香叶基香叶基焦磷酸），因此若要使大米胚乳中能够产生类胡萝卜素（如β-胡萝卜素），应向其中导入PSY(八氢番茄红素合成酶),PDS（八氢番茄红素脱氢酶）,ZDS（ζ-胡萝卜素脱氢酶）及β-LCY（β-番茄红素环化酶），其中PDS,ZDS的作用可以用CRT1(细菌八氢番茄红素脱氢酶)来代替。实验中一组是使用pB19hpc载体（携带有PSY和CRT1及选择标记基因aphⅣ）将目的基因转入大米胚乳中；；另一组则是使用pZPsC（携带有PSY和CRT1）和pZLcyH（携带有选择标记基因aphⅣ和LCY）采用共同转化法转化。[2]

这里介绍一下共同转化法。标记基因在实验中可以起到判断目的基因是否进入染色体内部的作用，但在正式产品中，他反而可能有一些不利的影响，尤其是抗生素类标记基因。而共转化法就可以有效地消除标记基因。

如图，由于目的基因和标记基因由不同的载体携带，因此在转入大米胚乳DNA中后将处在不连锁的位点上，这就允许我们通过杂交或自交等方法使目的基因标记基因分离，从而得到不含标记基因的产物。[3]

值得一提的是，使用pB19hpc载体的一组实验，由于不含LCY，理论上将得到番茄红素（红色），然而实验中却发现了叶黄素（黄色）。后来人们对野生大米进行实时聚合酶链式反应（Real-Time PCR）发现了除PSY外所有的与类胡萝卜素生物合成有关的mRNA。但由于PDS 和ZDS含量较低，仍需要转入CRT1.[4]

实验中得到的大米胚乳中类胡萝卜素含量为1.6μg/g，这个数字还远未达到人们的需求。后来，人们将从水仙花中提取的PSY改为从玉米中提取的PSY，类胡萝卜素含量增至37μg/g，这个数字已经基本上能够满足人们的需要，有望改善一些贫困地区的维生素A缺乏情况。[5]

转基因带来的困扰——超级杂草

20世纪90年代末期，美国农民开始广泛使用由孟山都公司研制的抗草甘膦杀虫剂的转基因棉，它配合草甘膦杀虫剂取得了显著的效果。然而2004年，在乔治亚州的一个县区内发现了抗杀虫剂的苋属植物，到2011年，已经在全球18个国家发现了抗草甘膦的杂草。

如图，可以看出在上世纪90年代抗草甘膦杀虫剂转基因棉发明之前，未有发现抗草甘膦的杂草，而改转基因棉推广以后，抗草甘膦的杂草种类迅速增加。[6]

转基因对人类的利弊尚未有定论，但就像一句话说的那样，”恐惧源于未知”，对转基因潜在危害的畏惧并不能成为我们排斥转基因的原因。正确对待转基因，让科学造福人类。Reference

[1].旭日干,范云六,戴景瑞等。《转基因实践三十年》北京：中国农业科学技术出版社，2012

[2].Xudong Ye et al. Engineering the Provitamin A (b-Carotene) Biosynthetic Pathway into (Carotenoid-Free) Rice Endosperm, Science 287, 303 (2000)

[3].李桂民，宋凯，刘立侠，许守民. 共转化法删除转基因植物筛选标记基因的研究，分子植物育种839,845（2004）

[4]. Schaub, P.et al. Why is golden rice golden(yellow) instead of red? Phant Physiol. 138,441~450(2005)

[5].Salim Al-Babili，Peter Beyer.Golden Rice – five years on the road – five years to go?，TRENDS in Plant Science（2005）

[6].Natasha Gilbert .A hard look at GM crops, Nature(2013)