轉(zhuǎn)基因昆蟲的應(yīng)用前景

張葉軍

（遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，大連 116029）

將攜帶外源基因的DNA導(dǎo)入昆蟲的基因組中的技術(shù)就是昆蟲轉(zhuǎn)基因技術(shù)，所獲得的具有新導(dǎo)入基因表現(xiàn)型特性的昆蟲即成為轉(zhuǎn)基因昆蟲。

自從1982年成功轉(zhuǎn)化出首例轉(zhuǎn)基因果蠅以來，轉(zhuǎn)基因昆蟲的研究便引起了科學(xué)家們極大的興趣。已經(jīng)獲得成功的轉(zhuǎn)基因昆蟲有黑腹果蠅、海地果蠅、地中海實(shí)蠅、家蠅、埃及伊蚊、岡比亞按蚊、印度按蚊、五帶淡色庫蚊、家蠶、赤擬谷盜等與人類關(guān)系比較密切的昆蟲。隨著轉(zhuǎn)座子、遺傳標(biāo)記以及基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，對(duì)任何一種給定的昆蟲進(jìn)行基因轉(zhuǎn)化的可行性已大大提高。如今，轉(zhuǎn)基因昆蟲已成功應(yīng)用到人類生產(chǎn)生活的許多領(lǐng)域。

1 轉(zhuǎn)基因昆蟲用于農(nóng)林害蟲的防治

在過去的幾十年中，人們對(duì)許多害蟲進(jìn)行了不育性研究，取得了一定的成效。但傳統(tǒng)的不育昆蟲技術(shù)（SIT）在實(shí)踐過程中存在一定的缺陷，如難以快速、準(zhǔn)確地獲得單一雄蟲，采用輻射不育法作用于昆蟲的染色體存在隨機(jī)性大、穩(wěn)定性差、突變個(gè)體的生存和交配能力差等缺點(diǎn)。

轉(zhuǎn)基因昆蟲用于害蟲防治，大大改進(jìn)了傳統(tǒng)的不育昆蟲技術(shù)，為害蟲防治提供了新的策略。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)在雄蟲中導(dǎo)入 “抗性”因子，或在雌蟲中導(dǎo)入條件致死基因，并且這一致死基因或者受到阻遏表達(dá)系統(tǒng)的控制，或者直接作用于性染色體，都可以使雌蟲死亡，快速獲得單一雄蟲。另外利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可直接向環(huán)境中釋放攜帶純合的顯性致死基因的雄蟲來取代傳統(tǒng)的輻射不育方法，當(dāng)它們與野生型交配時(shí)，后代均因含有雜合的顯性致死基因而死亡，相當(dāng)于釋放的雄蟲具備不育能力，從而使害蟲種群數(shù)量下降。

如今，轉(zhuǎn)基因昆蟲與SIT技術(shù)相結(jié)合用于農(nóng)林害蟲的防治，已經(jīng)開始從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)入早期評(píng)估，這些評(píng)估包括在人工控制條件下大范圍的不育昆蟲的飼養(yǎng)和對(duì)轉(zhuǎn)基因個(gè)體交配競爭能力的測定等。

利用轉(zhuǎn)基因昆蟲防治害蟲，其防治對(duì)象是靶害蟲而不是所有昆蟲，這樣既避免了農(nóng)藥防治的弊端，又能達(dá)到長期控制靶害蟲種群的目的。

2 轉(zhuǎn)基因昆蟲用于致人類疾病的媒介昆蟲的防治

蚊類等害蟲是傳播人類和動(dòng)物疾病 (如瘧疾、登革熱、黃熱病、嗜睡病等)的媒介，隨著世界人口的增加，在公共衛(wèi)生方面，這些蟲媒的傳染病仍是威脅人類健康的問題。轉(zhuǎn)基因昆蟲技術(shù)為削弱或阻斷媒介昆蟲的傳播提供了新的方法。

近年來，轉(zhuǎn)基因蚊的研究已取得很大進(jìn)展。如Kokoza等利用埃及伊蚊Aedes aegypti的雌性特異啟動(dòng)子-卵黃原蛋白 (Vg)啟動(dòng)子來控制防御素的表達(dá)，由于防御素對(duì)病原微生物具有廣譜毒殺效應(yīng)，所以獲得的轉(zhuǎn)基因埃及伊蚊能有效干擾病原體的傳播。Ito等利用斯氏按蚊Anopheles stephensi組織特異性啟動(dòng)子-中腸特異的羧肽酶（CP）啟動(dòng)子，驅(qū)動(dòng)唾腺和中腸結(jié)合多肽 （SM1）的表達(dá)。由于中腸是瘧原蟲大量寄生的場所，在轉(zhuǎn)基因斯氏按蚊體內(nèi)，這種多肽可以結(jié)合在中腸上，使瘧原蟲失去生存環(huán)境，從而阻斷了其傳播。

3 轉(zhuǎn)基因昆蟲在分析物種進(jìn)化、研究基因功能和昆蟲生理學(xué)中的應(yīng)用

由于許多昆蟲的轉(zhuǎn)座子存在種或?qū)俚奶禺愋裕谟H緣關(guān)系相近的物種中，可根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)座子的數(shù)量、移動(dòng)和分布來研究物種間的進(jìn)化關(guān)系。

昆蟲轉(zhuǎn)基因技術(shù)是分析基因功能的重要工具之一。將分離的基因?qū)肜ハx的體內(nèi)，在個(gè)體水平上驗(yàn)證其是否具有功能是鑒定基因功能的一種理想方法。特別是功能基因組學(xué)的研究，不僅要確定序列的編碼區(qū)和非編碼區(qū)，還要鑒定其相關(guān)的生物功能，轉(zhuǎn)基因是人們認(rèn)識(shí)不同序列功能特征的有效途徑之一。

轉(zhuǎn)基因昆蟲應(yīng)用于基因功能分析主要有以下幾種策略： （1）利用轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座的功能，通過破壞昆蟲染色體上的DNA序列，造成基因功能改變，研究目標(biāo)基因改變后對(duì)昆蟲生理生化的影響，再利用PCR、DNA測序等技術(shù)就可以推測出該段DNA序列對(duì)應(yīng)的生物學(xué)功能； （2）利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究某個(gè)基因在不同時(shí)期、不同組織中的表達(dá)或者某些基因在同一時(shí)期、同一組織中的表達(dá)，主要是應(yīng)用二元表達(dá)系統(tǒng)有條件的誘導(dǎo)基因的錯(cuò)誤表達(dá)和過量表達(dá)； （3）將轉(zhuǎn)基因昆蟲與RNAi技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)基因敲除，單獨(dú)使用RNAi時(shí)不能穩(wěn)定遺傳，而通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)建立一個(gè)二元表達(dá)系統(tǒng)，使RNAi在一定條件下表達(dá)，獲得可遺傳的效果，從而用于更多昆蟲基因功能的研究。

轉(zhuǎn)基因昆蟲還可用于昆蟲生理學(xué)的研究。Tan等在轉(zhuǎn)基因家蠶中通過對(duì)保幼激素酯酶 （JHE）的過量表達(dá)來研究保幼激素 （JH）對(duì)昆蟲變態(tài)的影響。

4 轉(zhuǎn)基因昆蟲用于生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器是指利用生物系統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)具有重要商業(yè)價(jià)值的外源蛋白質(zhì)。自1982年首次成功利用細(xì)菌生產(chǎn)重組胰島素以來，各種各樣的生物反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生。近年來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)與昆蟲大量飼養(yǎng)相結(jié)合的昆蟲生物反應(yīng)器也被用于生產(chǎn)高附加值蛋白。

目前用于生物反應(yīng)器的昆蟲主要是家蠶和蜜蜂。家蠶具有適合大量生產(chǎn)特定蛋白質(zhì)的絹絲腺，具有純蛋白質(zhì)的高效合成、高等真核生物的蛋白質(zhì)后修飾加工、大規(guī)模生產(chǎn)成本低和對(duì)人畜安全等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為最理想的生物反應(yīng)器模式昆蟲。利用轉(zhuǎn)基因家蠶構(gòu)建家蠶絲腺生物反應(yīng)器可以用于大量生產(chǎn)人類所需的活性蛋白，目前這方面的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。蜜蜂是有著悠久飼養(yǎng)歷史的資源昆蟲，同時(shí)也是在基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域有重大應(yīng)用價(jià)值的模式昆蟲。蜜蜂作為一種新型生物反應(yīng)器也是極具市場潛力的，可以在蜂蛹和王漿中表達(dá)藥用蛋白。

家蠅、果蠅等昆蟲由于具有獨(dú)特的生物學(xué)優(yōu)勢以及在轉(zhuǎn)基因技術(shù)操作上的優(yōu)勢，因此國內(nèi)外學(xué)者已開始探索利用轉(zhuǎn)基因果蠅和轉(zhuǎn)基因家蠅作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)高附加值蛋白。

5 利用昆蟲轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良昆蟲

家蠶蠶絲雖是一類性能優(yōu)良的天然蛋白纖維，但其抗皺性、耐磨性、固色性、洗滌特性等存在不足，而蜘蛛的拖牽絲蛋白纖維的強(qiáng)度和彈性均強(qiáng)于蠶絲，因此有“生物鋼絲”之稱。利用現(xiàn)代生物技術(shù)，人工構(gòu)建蜘蛛絲、天蠶絲等蛋白的基因，并將其導(dǎo)入家蠶中，可改良家蠶蠶絲的性能。最近，劉輝芬等利用piggyBac轉(zhuǎn)座子將絡(luò)新婦蛛Nephila clavipes的拖牽絲蛋白基因MaSp1導(dǎo)入到家蠶卵中，成功獲得了轉(zhuǎn)基因家蠶。

轉(zhuǎn)基因昆蟲技術(shù)也可用于天敵昆蟲的改良。例如，在田間使用含銅殺菌劑時(shí)，銅對(duì)非靶標(biāo)的天敵有嚴(yán)重不良影響，如果將來源于酵母的金屬硫蛋白MT基因（CUP1）插入天敵基因組中，利用MT與重金屬的結(jié)合特性使天敵對(duì)銅產(chǎn)生抗性，從而達(dá)到保護(hù)天敵昆蟲的目的。

6 結(jié)語

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的迅猛發(fā)展和人類對(duì)轉(zhuǎn)基因生物的合理開發(fā)與科學(xué)管理，轉(zhuǎn)基因昆蟲技術(shù)必將發(fā)揮其巨大的潛能，造福于人類。