世界农业转基因生物及产品研发进展

     农业转基因生物技术解决了常规技术难以解决的问题,在生产应用和开发上取得了一系列突破性进展,使农业出现了新的产业革命,在改善作物的抗性、提高产品品质、创造新种质或品种、人类保健和医药等方面具有强大应用前景,将对解决人类面临的资源短缺、环境污染、效益减退等问题日益显示出巨大作用。

    1 　转基因作物的性状

    转基因作物的性状主要分为农艺性状改良、品质改良和工业应用3 种类型(表1) 。

    2 　农业转基因类型及功能

    2.1 　抗虫转基因生物

    主要转入Bt 毒蛋白基因、几丁质酶基因、淀粉酶抑制基因、蛋白酶抑制基因(大豆胰蛋白酶抑制剂基因、慈菇蛋白酶抑制剂基因、豇豆胰蛋白酶抑制剂基因、马铃薯蛋白酶抑制基因、丝氨酸蛋白酶抑制基因、核糖体失活蛋白基因、豌豆脂肪氧化酶基因) 、昆虫保幼激素、昆虫毒素基因、昆虫神经激素基因和外源凝集素基因(豌豆外源凝集素基因、雪莲花外源凝集素基因) 等。

    2.2 　抗病转基因生物

    主要转入病毒外壳蛋白基因,外源抗病基因,几丁质酶基因等。

    2.3 　抗逆转基因生物

    主要转入应用的是抗冻蛋白基因,抗(耐) 盐基因(脯氨酸转换基因,去饱和酸基因) 和抗旱基因(茧蜜糖合成酶基因) 。

    2.4 　抗除草剂转基因生物

    主要转入抗EPSPS 抑制剂基因、抗ALS 抑制剂基因、乙酰CoA 转移酶基因等。

    2.5 　转基因生物疫苗

    利用转基因植物作为生物反应器表达重组蛋白,生产外源蛋白质作为动物疫苗,代替生产成本较高的传统疫苗的发酵生产系统。

    3 　农业转基因生物及产品研发

    3.1 　抗害抗逆性转基因生物研究

    研制的抗除草剂、抗病毒、抗虫、抗细菌、抗真菌的转基因植物已进入大田试验,有的已推广。抗盐、抗碱、抗寒、抗旱、抗涝的转基因植物研究已初见成效。美国伊利诺大学从“冰叶日中花”中发现产生渗透保护剂的基因,并将其引入烟草作物,培育出的烟草耐旱性明显提高。转抗虫基因棉花、玉米和马铃薯的商品化应用有效地控制了虫害。转基因抗病番茄、马铃薯和抗病毒病水稻、南瓜、玉米、苜蓿已投入市场;转基因抗除草剂(溴苯腈等) 大豆、棉花、玉米、油菜等大规模投入市场后,有效控制了田间杂草的危害。延缓成熟、耐储藏、能保鲜的转基因番茄已商品化, 采用反义RNA 技术培育出控制乙烯合成的番茄,改善了耐贮运性能。

    3.2 　作物种质或品种创新

    常规育种技术,只能利用有限的种质杂交优势。转基因技术不受生物种间限制,可对生物遗传信息进行实验室操作,可在动物、植物、微生物等物种间进行基因转移和重组,导入待改良的寄主并表达而培育出新品种,提高了育种效果,加速育种进程,使动植物育种进入一个崭新的时期,在农业育种上引发了革命。转基因技术改良植物已在35 科120 余种植物中获得成功,一批综合不同物种优良性状的农作物纷纷面世。

    3.3 　生物营养改善

    利用转基因技术已培育出赖氨酸含量高50 %的饲用玉米,含油量高2 倍的高油玉米,食品和工业特用玉米,富含可提高人体免疫力和抗癌能力的维生素E 和不饱和脂肪酸的油料作物,具抗癌作用的草莓,富含抗癌蛋白的大豆,超高产、品质优的超级水稻以及没有豆腥味的大豆、吸油少的煎炸用马铃薯等,蛋白质、脂肪、淀粉含量和品质得到改良的转基因植物也已培育成功,有的已进入大田试验。

    鱼类中富含而植物中不含的多不饱和脂肪酸(DHA 和EPA) 能降低人患心血管疾病。目前世界上大多数人多不饱和脂肪酸的摄入量不足, 德国汉堡大学植物学家恩斯特、海因茨等在亚麻中引入了3 种基因,培育出了含多不饱和脂肪酸的亚麻籽。一汤勺这种转基因亚麻籽油可基本满足人体一天内对多不饱和脂肪酸的正常需求。

    维生素C 有助于提高人体心血管和免疫细胞的功能。但人体自身不产生维生素C ,通常只能靠饮食摄取。某些水果和绿叶蔬菜维生素C含量较高,但作为人类主食的谷物中维生素C 含量较低。作物中维生素C 的再循环主要受DHAR酶控制,这种酶可使作物中维生素C 得到重复利用。缺少这种酶,作物中维生素C 很快流失。美国加利福尼亚大学里弗赛德分校生物化学教授加利领导的小组从小麦中分离出DHAR 酶的编码基因,并导入玉米,使玉米中DHAR 酶含量增加了近百倍。利用这种办法培育出的转基因玉米叶子和籽粒中的维生素C 显著增多,为改善某些作物的营养成分提供了新手段。

    3.4 　生物品质改良

    英国伦敦大学的皮得·布拉意利教授将一种细菌的基因植入番茄,促使番茄中的八氢番茄红素转化为番茄红素,番茄红素能显著促进胡萝卜素的合成,使培育出的番茄中胡萝卜素含量比普通番茄高出2.5 倍。黄烷酮是一种很强的抗氧化物质,人体循环中的氧分子会破坏人体组织,加速人体老化,而抗氧化物质通过中和氧分子防治疾病。英、荷科学家发现番茄中黄烷酮的合成是由“苯基苯乙烯酮异构酶”控制。他们将在南美一种牵牛花属植物中发现的分泌这种酶的基因导入番茄,使番茄皮内黄烷酮含量提高了78 倍。科学家正采用转基因生物技术增加作物的蛋白质、维生素及矿物质等营养成分。

    3.5 　新型药物食品研发

    植物作为生物反应器比微生物及动物潜在优势多,人们期盼生物制药的最大动力是低成本生产药物。通过生物制药方法,将某种所需的抗体或蛋白质的基因片段嵌入拼接到某种植物基因上,并在大田里种植这种转基因作物,然后提取和提纯,可大幅度减少生产成本。用转基因植物作生物反应器生产药物、疫苗和工业原料是21 世纪农业转基因生物技术的重要内容。利用转基因技术已获得了番茄、油菜、大豆及凝乳酶和淀粉酶等转基因产品。德国科学家利用转基因技术培育可自行产生特定疫苗的水果,人食用后起到接种疫苗的效果,且成本低廉,便于使用。目前还未培育出“疫苗水果”的成功品种,但相关研究已取得一定进展,如科学家们已培育出可产生肝炎抗体的__马铃薯或番茄,在人体内会激发一定的免疫反应。利用转基因植物作生物反应器抗原不需高度纯化,可制成多价疫苗,适合儿童口服,无毒副作用和危险性。如荷兰科学家将人的血清蛋白基因转入马铃薯,使马铃薯里含有人的血清蛋白(HAS) 。比利时已开发出能生产多种药物的油菜。美国一家公司用转基因烟草生产出疟疾疫苗。目前美国已在14 个州试种了300 多种“制药”作物。如转基因药用番茄和转基因药用马铃薯(生产乙型肝炎疫苗、杀灭大肠杆菌和抗霍乱的药物) ,转基因药用烟叶(生产普通感冒药和抗非何杰金氏淋巴瘤药) ,转基因药用玉米(生产防治龋齿、治疗糖尿病及腹泻的药物) ,转基因水稻(生产保持肠胃健康的溶菌酶、消炎药及家禽食品中的抗生素代用品等) 。有些药物已获临床应用,用于治疗囊状纤维变性、非何杰金氏淋巴瘤及乙型肝炎等。俄罗斯和新西伯利亚的科学家成功地将HIV 抗原和番茄相结合,开发出一种含抗艾滋病疫苗的可食用的番茄。目前,这种转基因番茄长势良好,叶子和果实中均含有HIV 抗原。而且HIV 抗原能够经繁殖遗传给下一代转基因番茄。食用这种番茄后,其中所含的HIV 抗原会与胃肠道黏膜结合,激活免疫系统保护功能,肌体会针对病毒蛋白质生成抗体,对HIV 病毒产生免疫作用。与注射疫苗相比,可食用疫苗不仅减少了感染的危险,而且成本低,储存和运输都很方便。欧盟委员会2004年提供1200 万欧元资助11 个欧洲国家和南非合作研发培育能产生预防和治疗艾滋病、狂犬病和肺结核等疾病的抗生素或疫苗的转基因植物,大面积种植提取药物,用来治疗和预防包括艾滋病、狂犬病和肺结核病等人类的主要疾病。第一个产品可能是利用转基因玉米生产可治疗艾滋病的抗生素,第二个产品可能是用于治疗狂犬病的药物。项目预计2009 年底结束时,某些药物能进入临床试验。

    3.6 　生物农药和肥料研制

    应用基因重组技术改造微生物,可获得人们需要的新型微生物。目前,我国共分离克隆了杀虫、防病、固氮等新基因80 余个,构建各类工程菌50 余株,其中5 种菌剂获准进入田间试验,6 种经安全性评价后进入环境释放,1 种水稻联合固氮菌获准商品化生产。科技人员把苏云金杆菌毒蛋白基因转移到大肠杆菌体内,生产出的天然杀虫剂投资少、耗能低,减轻了环境污染。这些基因工程微生物被广泛应用于生物农药、生物肥料及生物加工产业中。

    3.7 　特殊用途产品研制

    目前世界年产石化产品塑料约4000 ×104t(我国有300 ×104t) ,降解、分解困难,造成了白色污染。美国孟山都公司从能产生塑料的细菌中分离出4 种基因转入油菜和芥菜,育出的转基因植物可作为生产塑料的工厂。从植物中提取出的塑料不仅易生物降解,且韧性好,商业用途广泛。德国科学家从一种蜘蛛体内提取出控制产生丝蛋白的基因,并将它植入马铃薯和烟草等植物中,培育出的转基因植株中蛋白质的丝蛋白含量超过了2 % ,为大量制取丝蛋白开辟了新途径。巴西科学家将蜘蛛的细小韧性强蛛丝的基因植入棉花,2005 年下半年将收获首批转基因棉花植株。将这种新型转基因棉花用于纺织业,制作运动服和包括防弹衣在内的多种防护性服装,比目前制造防弹衣的人工合成纤维强度高2 倍。

    4 　经济、社会效益和应用前景

    农业转基因生物技术产业化的发展既关系综合国力和竞争力,又是国家科技竞争优势的重要标志。随着人们生活水平的提高,科技含量低的农产品在国内外逐渐失去竞争力,科技含量高的生物技术产品在未来市场竞争中将越来越占优势,农业转基因生物的推广应用,降低了生产成本,减轻了环境污染,提高了产品价格竞争力。转基因作物使产量增加,农药使用量减少,形成了巨大的经济和生态效益。全球转基因作物在2005年将获利60 亿美元,2010 年达200 亿美元。未来10 年内,转基因作物将增加10 %～25 % ,农业转基因生物技术与产业对农业生产和社会发展的贡献将不断增加,在经济结构中的作用越来越重要。21 世纪的农业转基因生物技术将进入大规模产业化阶段,生物技术产业的总产值将占世界总收入的10 %以上,成为经济发展的支柱产业之一。利用转基因技术培育的高产、优质、抗逆动植物新品种将不断推向农业生产。基因工程生物、疫苗和其它生理活性物质也会大量应用。