转基因技术的应用（转基因技术的应用实例）

转基因技术的应用(转基因技术应用实例)

作者:张仁森，狄然，胡文平，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所之星

来源:基因农业网

21世纪，随着人口的增加和人们需求的变化，农产品的供需矛盾越来越明显，传统的农业生产技术已经难以满足人们的各种需求。转基因技术可以大大提高农业生产效率，因此受到越来越多的关注。到目前为止，转基因技术已经广泛应用于农业、医药、工业、环保等多个领域。在国际上，转基因植物的研发已经从抗虫、抗除草剂等第一代产品向改善营养品质、提高产量和耐储存等第二代产品，以及工业、医药、生物反应器等第三代产品转变。多基因聚合正成为转基因技术研究和应用的关键内容。作为农业科研人员，这里我们想谈谈转基因技术及其在农业中的应用。

什么是基因？

生物是由各种细胞组成的。细胞从外到内的结构是细胞膜、细胞质和细胞核。细胞核中有一种叫做染色体的物质。不同的生物有不同数量的染色体。比如人有23对染色体，也就是46条染色体。每条染色体由一个DNA双螺旋和许多相互交织的组蛋白组成。那么DNA双螺旋中的一小段编码的序列就是我们所说的基因(对于原核生物，比如一些病毒，是遗传信息的基本单位和染色体或基因组的一个DNA序列。

基因不神秘，DNA也不神秘。事实上，DNA分子是基于互补配对原理，由两条核苷酸链组成的双螺旋结构的分子化合物。分为编码链和模板链。编码链包含与生命活动密切相关的遗传信息，即基因。DNA双螺旋就像火车的铁路轨道，但为了节省空时间，生物体尽可能地扭曲和折叠这个“铁路轨道”，所以在电子显微镜下看起来像一个不规则的羊毛球。一条染色体只含有一个DNA双螺旋，这条“铁轨”上有很多基因。不同物种的基因数量差异很大。比如简单RNA病毒只有8个基因，流感病毒大约有1700个基因，大肠杆菌有近4300个基因，水稻大约有46000到55000个基因，人类大约有25000个基因。不同物种之间有一些相似的基因，但也有一些物种特异性的基因，所以我们可以将一些物种特异性的优秀基因转移到目标物种，这就是我们常说的转基因。

什么是转基因技术？

转基因技术是将人工分离和修饰的基因引入到生物的基因组中，通过外源基因的稳定遗传和表达，使生物拥有自己不具备的性状，从而更好地满足人们的需求。这里所说的基因不是空编造的基因，而是自然界中某些物种特有的基因。例如，转基因三文鱼于2015年获准在美国上市。野生三文鱼肉质鲜美，但生长速度太慢，往往需要4~5年才能上市。另一种三文鱼生长速度快，但肉质不受人们欢迎。因此，科学家们发现了决定这种鱼快速生长的基因，并将其转移到野生三文鱼中，从而培育出生长速度快、肉质鲜美的转基因三文鱼，从而更好地满足人们的需求。又如普通棉花对棉铃虫的抗性很差，而转苏云金芽孢杆菌Bt基因的棉花对棉铃虫的抗性显著增强。

转基因技术的分类

人们总会有一个疑问，我们会不会吃转基因食品，而这个基因也会转移到我们的体内？事实上，一个基因从一个物种的基因组转移到另一个物种的基因组需要特殊的技术，这就是我们所说的转基因技术。单纯靠吃是绝对不可能实现转基因的！根据生物种类的不同，转基因技术主要分为三类:植物转基因技术、动物转基因技术和微生物转基因技术，下面我们将逐一介绍。

目前植物转基因技术主要包括农杆菌介导法、基因枪法、聚乙二醇(PEG)介导法、电穿孔法和花粉管通道法。

农杆菌介导法:农杆菌介导法是先将插入目的基因的植物表达载体转移到根癌农杆菌中，再通过根癌农杆菌感染植物，即将根癌农杆菌Ti质粒上的目的基因或根癌农杆菌Ri质粒上的目的基因导入植物受体细胞并整合到其基因组中，从而完成目的基因的转化。农杆菌是一种革兰氏阴性菌，在自然条件下可以感染大多数双子叶植物的受伤部位，并能诱导植物产生冠瘿或毛状根。我们日常在地面看到的很多双子叶植物，都是一种靠近地面根和茎交界处的帽状肿瘤，是由农杆菌感染引起的。现代分子生物学研究发现，农杆菌的细胞中含有一种特殊的质粒，即Ti质粒或Ri质粒。当农杆菌感染植物伤口时，这种质粒可以将一段含有多个基因的DNA转移到植物细胞中，插入到植物基因组中(我们称这段DNA为T-DNA)，这些转移到植物基因组中的基因的表达导致植物冠瘿或毛状根的产生。然而，科学家们只希望将所需的基因转移到植物细胞中，而不希望植物产生冠瘿或毛状根。因此，科学家们对T-DNA进行了改造，去除了能引起肿瘤的基因，将所需的外源基因插入T-DNA中，使转入植物细胞基因组的T-DNA中含有所需的基因，不会使植物产生冠瘿或毛状根，从而实现比对。农杆菌介导法是最早、研究最深入、应用最广泛、技术相对成熟的转基因方法。自1983年农杆菌介导法首次用于获得转基因植物以来，科学家们已经通过这种方法成功获得了转基因植物，如番茄、牵牛花和油菜花。

基因枪法:基因枪法最早由美国康奈尔大学生物化学系的桑福德提出。这种方法也叫粒子枪法、高速微弹法等等。其原理是用钨粉或金粉等金属颗粒包裹外源DNA，利用高压放电或高压气体作为驱动力，使金属颗粒高速运动并撞击受体细胞或组织，从而将外源目的基因整合到植物基因组中，培育转基因植物。与农杆菌介导的转化方法相比，粒子轰击不受植物是单子叶植物还是双子叶植物的限制，载体质粒的构建也相对简单。但粒子轰击产生的转基因植物外源基因表达不稳定，成本高，需要专用设备。

聚乙二醇介导法:聚乙二醇(PEG)法最早由Dayey等人于1980年建立。其原理是PEG在高pH下与原生质(没有全部细胞壁的细胞)融合，原生质膜的通透性发生变化，增强了原生质对外来DNA的吸收，使目的基因能够整合到原生质的基因组中并特异性表达。这种方法对细胞的副作用小，转化的稳定性和重复性好，可以一次转化多个原生质体，但这种方法的转化率较低。由于PEG对原生质体有一定的毒性作用，这种方法不能用于原生质体培养或再生困难的植物。

电穿孔:Michael等于1985年首次将电穿孔用于转基因，并在1400V高压下处理质膜导入外源基因。培养2 ~ 4天的原生质体检测到外源基因的瞬时表达。电穿孔的原理是，当植物细胞受到外界高压电击时，细胞膜会出现不对称穿孔，但这种开放气孔的出现是可逆的，而这些气孔在电击去除后会关闭，因此在此期间，应利用这种气孔作为外源基因导入细胞的通道，使目的基因得以导入并整合到受体细胞的基因组中。到目前为止，电穿孔已经成功地应用于烟草、番茄、玉米、大豆、小麦和马铃薯等植物的原生质体转化。这种方法操作相对简单，但转换效率较低。

花粉管通道法:1983年，我国科学家周光宇通过研究远缘杂交提出了DNA片段杂交假说，为花粉管通道法提供了理论依据，并首次利用花粉管通道法将海岛棉的基因转入陆地棉，培育出抗枯萎病的棉花新品种。这种方法的主要原理是在植物开花时将含有外源目的基因的DNA溶液注射到植物花器官的子房中，利用植物开花受精过程中形成的花粉管通道将外源DNA导入受精卵细胞，并进一步整合到植物细胞的基因组中，然后随着受精卵的发育产生新的转基因个体。这种方法最大的优点是不依赖植物组织培养，不需要特殊的仪器设备，工艺简单，但这种方法的重复性有待进一步提高。

目前，微生物转基因方法主要有氯化钙法和电转化法。

氯化钙(CaCl2)法:该方法最早由科恩于1972年建立。其原理是细菌在0℃的氯化钙低渗溶液中，细菌细胞膨胀成球形。转化混合物中的脱氧核糖核酸形成抗脱氧核糖核酸酶羟基磷酸钙复合物，并粘附在细胞表面。42℃短期热激处理后，细胞被鼓励吸收DNA复合物。在合适的培养基上生长数小时后，球形细胞恢复、分裂和增殖。在转化的细菌中，重组体中的基因在选择性培养基平板上表达。经Ca2+处理的感受态细胞转化率一般可达5× 106 ~ 2× 107转化子/μg质粒DNA，可满足一般的基因克隆试验。例如在Ca2+的基础上，结合其他二价金属离子(如Mn2+、Co2+、DMSO或还原剂处理细菌，转化率可提高100-1000倍。该化学方法简单、快速、稳定、重现性好，适用于多种菌株。感受态细菌可在-70℃保存，因此被广泛用于细菌外源基因的转化。

电转化:电转化的研究始于20世纪70年代。1979年首次实现细胞电融合，1980年成功应用于质粒导入。电转化的基本原理是将细胞置于电场中，细胞膜起电容器的作用，电流不能通过离子通道。随着电压的增加，细胞膜的成分被极化，细胞膜两侧产生电位差。当电位差超过一定临界水平时，细胞膜被部分破坏，形成一些瞬时孔，孔径大到足以让大分子和小分子如(ATP)进出细胞。如果电场强度和脉冲持续时间不超过临界极限，渗透性是可逆的，否则细胞将遭受不可逆的损伤或死亡。

目前常用的动物转基因技术包括核显微注射、精子介导的基因转移、核移植和逆转录病毒。

显微注射法:在显微镜下，用微小的玻璃针(直径1 ~ 2微米)将外源DNA直接注射到受精卵的细胞中，注射的外源基因与受精卵的基因组融合，然后进行体外培养，最后移植到受体动物的子宫中发育。以这种方式，有可能通过递送受体动物来产生转基因动物个体。细胞核显微注射是动物转基因中最常用的方法，但它存在效率低、表达不稳定、动物供体和受体数量多等缺点。

精子介导基因转移法:该方法是使动物精子经过适当处理后携带外源基因(DNA分子与精子的结合不是随机的，精子具有自发捕获外源DNA的能力。DNA与精子结合后，内化整合，与精子结合的部分DNA内化为精子，可与精子核骨架稳定结合，从而实现精子介导的基因转移)。然后，携带外源基因的精子被用来使发情的雌性动物受精。在雌性动物所生的后代中，有一定比例的动物是转基因个体。与显微注射法相比，精子介导基因转移法具有成本低、对受体动物无特殊处理等优点。

核移植转基因方法:首先将基因导入体外培养的体细胞，选择带有外源基因的体细胞。然后取出细胞核，移植到无细胞核的卵细胞中，产生重构胚。将重建的胚胎移植到母体中，从而产生转基因动物。体细胞核移植是一种相对较新的动物转基因技术。

逆转录病毒法:利用逆转录病毒DNA的LTR区具有转录启动子活性的特点，将外源基因连接到LTR下部进行重组，然后包装成高滴度颗粒直接感染受精卵，或显微注射到囊胚腔内，再将携带外源基因的逆转录病毒DNA整合到宿主染色体中。该方法的优点是操作简单，外源基因整合效率高。动物病毒的启动子不仅可以诱导一些选择性标记基因的表达，还可以诱导导入的外源基因的表达。但逆转录病毒载体容量有限，外源基因难以植入生殖系统，成功率较低。

从上述转基因方法中，我们可以知道基因从一个物种转移到另一个物种需要特殊的处理和处理才能实现基因转移。将基因转移到微生物中相对容易，但将基因转移到植物和动物中相对困难。在将基因转移到植物和动物体内的过程中，即使这些基因经过了特殊的加工和处理，我们也要从成千上万的实验样本中选择整合了目的基因的转基因个体。所以单纯吃转基因食品是不可能被转基因的！之所以有这么多谣言，是因为人们不知道转基因。

转基因产品

转基因产品是通过转基因技术转化的生物和加工产品，主要包括转基因生物和转基因食品。转基因生物是指通过转基因技术进行修饰的生物，常被称为转基因生物(genetic modified organization，GMO)，包括转基因植物、动物和微生物，如转基因棉花、转基因大豆、转基因三文鱼、转基因奶牛等。转基因食品是指通过转基因技术改良的动物、植物和微生物制成或生产的食品、食品原料和食品添加剂，如目前市场上的转基因植物油。

由于转基因技术可以高效、准确地将某个基因从一个物种转移到另一个物种，打破了物种之间的生殖隔离(理论上，各种物种的基因可以通过转基因技术相互交换，植物的基因可以转移到动物身上，动物的基因也可以转移到植物身上，这在过去是不可能的)，自20世纪80年代科学家成功利用转基因大肠杆菌生产胰岛素以来，转基因技术已经广泛应用于农业、工业、医疗等领域。随着人口的增加和生活质量的提高，社会对农业提出了越来越高的要求，我们对食品的质量要求也越来越高。农药的使用会对人体和环境造成极大的危害，各种疫情每年都会造成数亿的损失。随着生活质量的提高，人们不仅满足于饱腹感，更注重营养的平衡和食物的口感，所以现在转基因技术也被用来培育具有优良特性的品种，如抗除草剂转基因大豆、抗虫转基因玉米、富含β-胡萝卜素的转基因水稻、抗结核转基因牛等。，充分发挥转基因农产品产量大、质量优的优势。截至2018年，全球转基因作物种植面积已超过1.9亿公顷，种植的作物以大豆、玉米、棉花、油菜等为主。但我国目前只有转基因抗虫棉和转基因抗病毒木瓜获准商业化种植，转基因三文鱼是目前全球唯一获准上市的转基因动物食品。以下是对各种转基因产品的介绍。

抗虫转基因植物:棉铃虫、蚜虫等各种害虫每年给农业造成巨大损失。然而，传统的杀虫方法是使用化学杀虫剂。过量使用化学农药不仅会导致种植成本高，还会影响人体健康。人们需要一种新的抗虫方法。转基因技术的出现使这种新的抗虫方法得以实现。抗虫转基因植物是指已经转移了抗虫基因的植物。因为抗虫基因的转移，植物本身可以对害虫免疫，从而减少化学农药的使用。目前常用的抗虫基因主要有Bt毒素蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、植物凝集素基因、淀粉酶抑制剂基因等。抗虫Bt基因是工业应用的重点。Bt毒素是苏云金芽孢杆菌天然产生的各种蛋白毒素的一个家族，无毒。由于鳞翅目昆虫幼虫肠道内有Bt蛋白受体，当Bt蛋白与其结合时，幼虫会因肠穿孔而死亡。但人体肠道缺乏Bt蛋白受体，因此对人体完全无毒。

抗病转基因植物:抗病转基因植物是近年来转基因植物研发的重点。像害虫一样，各种植物病毒、细菌和真菌不仅每年给农业造成巨大损失，而且农药的过度使用不仅增加了种植成本，还对人体和环境造成了危害。转移抗病基因不仅节约了成本，而且减少了对人体和环境的危害。目前常用的抗病基因包括植物病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因、核糖体失活蛋白基因、干扰素基因、拟南芥RPS2基因、番茄PTO基因等非植物来源的杀菌肽基因等。除了商业化生产的抗病毒木瓜外，到目前为止，抗纹枯病和稻瘟病的水稻、抗灰霉病的烟草、抗炭疽病、白粉病和角斑病的草莓，以及抗麻风病、柑橘溃疡病和青果病的柑橘相继培育。

抗除草剂转基因植物:杂草是我们种植作物时不得不面对的一个大问题。杂草作为农作物的竞争对手，会争夺农作物的生存空和养分，大大降低农作物的产量。但是现在的除草方法是用化学方法除草，也就是说一千个敌人受伤，八百个人自残。虽然使用化学除草剂除杂草，但也会对环境和土壤造成危害。因此，科学家们试图将抗除草剂基因转移到植物中，培育抗除草剂植物。截至2017年，已有200多种抗除草剂作物进入产业化，约占转基因作物总数的70%，包括抗草甘膦大豆、玉米、棉花、油菜、向日葵、甜菜和水稻等。抗咪唑啉酮的玉米、油菜、甜菜和水稻；抗磺酰基腺的大豆和棉花；抗溴苯的棉花、烟草等。中国已获得抗除草剂转基因作物，包括抗除草剂的水稻、小麦、烟草、油菜和芝麻；抗莠去津大豆；抗溴苯油菜、小麦和抗草甘膦小麦。能修饰草甘膦的BAR基因产物是迄今为止应用最广泛的抗除草剂基因，已成功应用于小麦、水稻、玉米、大麦、油菜等作物的遗传转化。此外，作为选择标记基因，抗草甘膦的AROA基因、抗溴苯腈的BXN基因和抗绿磺隆的CSRL基因也已成功用于不同作物的遗传转化。

抗非生物胁迫的转基因植物:随着人口的增加，在一定土地面积上需要供养的人口也在增加。世界上适合耕种的土地有限，大部分土地不适合耕种，比如高山地区、高盐碱地区。如果能在这些地区种植农作物，目前的粮食短缺将大大缓解。事实上，目前抗非生物胁迫转基因植物的研发主要集中在耐旱、耐盐碱、耐高温和耐低温的转基因植物上。山东师范大学生物学院实验室培育了耐盐转基因番茄、大豆、水稻和速生杨。孟山都在美国西部推广种植了全球首个耐旱转基因玉米；科学家还成功将北极比目鱼的抗冻基因导入草莓，获得的转基因抗冻草莓已在美国上市。其他已经培育的抗冻植物包括抗冻番茄、抗冻烟草等。目前研究还发现，通过转移耐盐碱基因，玉米的耐盐碱能力得到了一定程度的提高。

转基因植物的品质改良:转基因技术还可用于提高植物的营养价值(提高蛋白质质量、能量质量、维生素含量、微量元素含量)和食品的口感。也许最著名的是金米。对于发展中国家来说，维生素A缺乏是导致儿童失明的首要原因，因此科学家将β-胡萝卜素合成相关的基因转移到水稻中，从而培育出黄金大米，可以大大改善儿童维生素A缺乏的症状。科学家还利用转基因技术在植物中表达编码半乳糖内酯脱氢酶的基因，从而增加植物中维生素C的含量；将玉米种子中富含必需氨基酸的基因导入马铃薯，使转基因马铃薯茎中必需氨基酸含量提高10%以上。到目前为止，转基因柑橘中含有增加的花青素，谷类(如水稻、小麦、高粱等。)和非谷类(如土豆、香蕉等。)随着叶酸的增加而被培养。科学家还培育了富含ω-3脂肪酸健康因子的转基因芥蓝种子；2017年，美国批准转基因菠萝商业化，使番茄红素大量积累，呈现粉红色，比黄心菠萝具有更高的抗癌、心血管保护和多种疾病的防治作用。

复合转基因植物:如果一种植物不仅营养丰富，口感好，还能抵抗各种病虫害和非生物胁迫，将大大降低生产成本，丰富人们的物质生活。事实上，获得多基因聚合的转基因植物是转基因植物研究领域的重点和热点。美国孟山都公司与陶氏公司合作，开发了具有抗逆抗虫八大特性的组合品种SmartStax，既能防治地上地下害虫，又能抗广谱除草剂。加拿大批准了还原糖含量降低、丙烯酰胺减少和抗伤害的复合转基因马铃薯的商业化。

其他转基因植物:其他转基因植物包括控制果实成熟的转基因植物、增加产量的转基因植物、耐贮藏和高效利用养分的转基因植物等。例如，通过转移控制乙烯合成的关键酶基因，可以延长一些水果、蔬菜和水果的保鲜期。转基因技术可以提高黑麦草的代谢能力，增产40%左右。通过转基因技术获得的抗损伤、抗褐变的转基因马铃薯，可以变得更耐贮藏；它可以通过转移编码的铁调节蛋白来促进植物对微量元素的吸收。

到目前为止，世界上只有转基因三文鱼被批准上市，但转基因技术在动物抗病育种和品质改良方面也取得了重要进展。

抗病转基因动物:口蹄疫、禽流感、牛结核病等多种疾病的爆发，每年给畜牧业造成数百亿的损失，特别是疯牛病、布鲁氏菌病等人畜共患疾病，不仅给农业造成巨大损失，也威胁着人们的生命健康。随着转基因技术的出现，利用这种方法培育抗病能力强的新品种将是控制这些疾病传播的一种新的高效手段。目前已培育的抗病品种包括抗禽流感转基因鸡、抗蓝耳病转基因猪、抗布鲁氏菌病转基因羊、抗结核病转基因牛等。

提高转基因动物的品质:近年来，利用转基因技术培育出肉产量、肉品质、羊毛产量和羊毛品质都有所提高的家畜新品种，一直是动物转基因领域的研究热点。2015年，美国批准上市唯一的转基因动物食品——转基因三文鱼，其生长速度约为普通三文鱼的两倍。科学家将肠道乳糖酶基因转入奶牛体内，培育出可以生产低乳糖或无乳糖奶(大多数人不能完全消化乳糖或对乳糖过敏)的转基因奶牛；此外，科学家还通过过度表达FSH基因来提高公猪的生精能力。

转基因技术在其他领域的应用:除了农业，转基因技术在其他领域也得到了广泛的应用。在工业领域，转基因技术主要用于制作食品添加剂和培养各种益生菌。在医学领域，目前最热门的研究集中在“分子养殖”和动物乳腺反应器等。科学家将相应的靶基因转移到动植物体内，利用动植物的功能制备相应的蛋白质、疫苗、药物等。，以解决蛋白质和药物生产和提取中的一些伦理和社会学问题。此外，转基因动物模型的构建也是当前研究的重点。科学家还利用转基因微生物降解塑料，利用转基因技术培育生物质能源植物新品种。

转基因技术在农业中的应用前景

人口增长带来的粮食短缺、资源短缺、环境恶化等全球性问题，对传统农业提出了严峻挑战。我们需要更多高产、抗逆的动植物品种。传统的杂交育种方法往往需要几代甚至几十年才能培育出一个品种。与传统的育种方法相比，转基因技术可以将基因准确地转移到目标生物体内，可以大大缩短培育新品种的时间。此外，转基因技术可以打破物种间的生殖隔离，实现不同物种间的基因交流。在过去的几十年里，转基因植物的种植面积越来越大。虽然目前只有转基因三文鱼上市，但多种转基因动物已进入评价阶段，并表现出优异的表型特征，具有良好的产业化前景。公众对转基因知识的无知引发了很多对转基因的质疑，但转基因技术在过去几十年对农业的巨大贡献是毋庸置疑的。我们有理由相信，科学家们会很好地利用转基因技术，让它对人类更好。

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