以科學(xué)的視角揭開作物轉(zhuǎn)基因的神秘面紗

崔德周 李永波 樊慶琦 隋新霞 黃承彥 楚秀生

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮北部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/小麥玉米國家工程實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100）

當(dāng)前世界人口已突破74億，并且以每年近8000萬的速度持續(xù)增長，2050年預(yù)計(jì)將達(dá)93億。為保證世界人口糧食的充分供給，糧食產(chǎn)量必須增加70%以上，這就要求全球的糧食總產(chǎn)持續(xù)增加。然而，目前全球的糧食生產(chǎn)正面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：近20多年來，主要糧食作物單產(chǎn)增產(chǎn)潛力出現(xiàn)瓶頸，總產(chǎn)量徘徊不前；極端惡劣天氣及作物病蟲害頻繁爆發(fā)，且有逐年加重勢頭；氮磷鉀肥料過量施用導(dǎo)致土壤質(zhì)地和水質(zhì)富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重；人民物質(zhì)生活水平的提高同對作物品質(zhì)需求的矛盾，成為亟待解決的問題。因此，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)能以確保充足的糧食供給和原料來源具有十分重要的意義。發(fā)展并推廣轉(zhuǎn)基因作物已成為緩解資源約束、保障糧食安全的重要舉措。不幸的是，由于知識的不對稱性，公眾對轉(zhuǎn)基因缺乏科學(xué)的認(rèn)識，致使轉(zhuǎn)基因陷入了被過度“妖魔化”的局面。為使讀者對作物轉(zhuǎn)基因有個科學(xué)、理性的認(rèn)識，本文系統(tǒng)闡述了轉(zhuǎn)基因的基本概念、發(fā)展現(xiàn)狀、安全性評價等內(nèi)容，并對未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 轉(zhuǎn)基因相關(guān)的基本概念

1.1 基因 植物、動物和微生物等生命體都是由細(xì)胞構(gòu)成的，細(xì)胞內(nèi)有細(xì)胞核，細(xì)胞核中的染色體是由A、T、C、G共4種堿基組成的脫氧核糖核酸，稱之為DNA。它攜帶有遺傳物質(zhì)，通過細(xì)胞分裂實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)向子代的傳遞。該遺傳物質(zhì)就是我們通常說的“基因”，具有能遺傳給子代，決定生物體性狀的功能，“種瓜得瓜，種豆得豆”就是對基因功能的形象詮釋。因此，從本質(zhì)上而言，基因只是一段具有遺傳效應(yīng)的DNA序列，在動物、植物和微生物中的組成并沒有實(shí)質(zhì)的區(qū)別?；蚪M是一個“組學(xué)”的概念，指的是生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的總和。

1.2 轉(zhuǎn)基因 目前，人們爭論的轉(zhuǎn)基因，其實(shí)包含3種不同層面、性質(zhì)完全不同的內(nèi)涵，即轉(zhuǎn)基因技術(shù)、轉(zhuǎn)基因生物和轉(zhuǎn)基因生物制品。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是借助現(xiàn)代分子生物學(xué)與生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，將所研究的目的基因，經(jīng)克隆、重組后，導(dǎo)入并整合到受體生物的基因組中，使其在受體內(nèi)正常表達(dá)，從而改善受體生物原有性狀或賦予其新優(yōu)異性狀的一系列分子實(shí)驗(yàn)技術(shù)的總稱。轉(zhuǎn)基因技術(shù)也常常被稱為遺傳轉(zhuǎn)化、基因工程或遺傳工程等。植物遺傳轉(zhuǎn)化的方法有很多，最常見的兩種轉(zhuǎn)化方法是農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法和基因槍轉(zhuǎn)化法。農(nóng)桿菌介導(dǎo)法機(jī)理清楚、拷貝數(shù)低、整合位點(diǎn)比較穩(wěn)定，但存在受體基因型限制的情況；基因槍法則不受基因型的限制，但存在拷貝數(shù)多、基因沉默及遺傳穩(wěn)定性差等問題[1]。除此之外，花粉管通道法在棉花等作物遺傳轉(zhuǎn)化中也比較常見。

轉(zhuǎn)基因生物指的是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使其基因組組成發(fā)生改變的生物體，也被片面的稱為基因修飾生物（GMO，Genetically Modified Organism）。然而，自然界很多生物體在進(jìn)化過程中都是被遺傳修飾過的，比如大多數(shù)農(nóng)作物在長期自然選擇和人工選育過程中，都經(jīng)歷了近萬年的遺傳修飾，被修飾的基因數(shù)以千計(jì)[2]。

轉(zhuǎn)基因生物制品是指以轉(zhuǎn)基因生物為原材料做成的產(chǎn)品，包括鮮食的或經(jīng)加工制作而成的產(chǎn)品，比如鮮食的轉(zhuǎn)基因番木瓜，用轉(zhuǎn)基因作物制成的各種成品食品等。

從以上3個概念不難看出，轉(zhuǎn)基因技術(shù)只是一類普通的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，爭議不大。人們關(guān)注的焦點(diǎn)應(yīng)該是“轉(zhuǎn)什么基因”以及“轉(zhuǎn)基因生物制品的用途”。但是，近年來，人們爭論轉(zhuǎn)基因時，都有意無意地將3個層面的概念混在一起，籠統(tǒng)地稱之為“轉(zhuǎn)基因”。

2 轉(zhuǎn)基因作物的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 全球轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀 從首例轉(zhuǎn)基因植物問世（轉(zhuǎn)基因煙草，1983）到可延遲成熟的轉(zhuǎn)基因西紅柿在美國批準(zhǔn)上市（1996），隨后的20年，轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到迅猛發(fā)展，因其具有精準(zhǔn)、高效的特點(diǎn)，已成為近現(xiàn)代育種史上發(fā)展最快、效率最高的品種改良技術(shù)。根據(jù)國際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織（ISAAA，International Service for the Acquisition of Agribiotech Application）發(fā)布的2016年度報告，全球有超過1.85億hm2土地種植轉(zhuǎn)基因作物，是1996年的108倍，涵蓋26個國家。其中，種植面積最大的是美國，達(dá)到7290萬hm2，其次為巴西（4910萬hm2）、阿根廷（2380 萬 hm2）、加拿大（1160 萬 hm2）和印度（1080萬 hm2），總面積為 1.68億 hm2，占全球的91%。

按種植面積統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)基因大豆面積最大，為9140萬hm2，占全球轉(zhuǎn)基因作物總面積的一半。從單個作物的種植面積來看，全球78%的大豆、64%的棉花、26%的玉米和24%的油菜都是轉(zhuǎn)基因作物，除以上四大作物外，番木瓜、甜菜、馬鈴薯和茄子等轉(zhuǎn)基因作物也已上市。就轉(zhuǎn)基因性狀而言，2016年耐除草劑轉(zhuǎn)基因作物占47%，其次為復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物（占比為41%）。

2.2 我國轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀 我國自1997年商業(yè)化推廣轉(zhuǎn)基因作物以來，截至2012年累計(jì)推廣面積已超過400萬hm2，其中轉(zhuǎn)基因抗蟲棉則達(dá)到394.6萬hm2[3]?？瓜x棉的研究和應(yīng)用推廣，使其抗蟲基因具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，打破了跨國種業(yè)巨頭的壟斷，搶占了制高點(diǎn)，掌握了生物技術(shù)育種的主動權(quán)和話語權(quán)，為我國棉農(nóng)帶來175億美元的經(jīng)濟(jì)效益，僅2014年就實(shí)現(xiàn)了13億美元的收益[4]。目前，我國已發(fā)放抗蟲棉花、抗蟲水稻、抗病辣椒、抗病番木瓜、耐貯藏番茄、改變花色矮牽牛和轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米共7種轉(zhuǎn)基因作物的安全證書，但實(shí)際上真正進(jìn)入市場應(yīng)用的僅有轉(zhuǎn)基因棉花和番木瓜。另外，我國現(xiàn)已發(fā)放5種轉(zhuǎn)基因作物（大豆、棉花、玉米、油菜籽和甜菜）的進(jìn)口安全證書，批準(zhǔn)用作食品加工原料或飼料，但不許在我國境內(nèi)種植。其中，大豆進(jìn)口量最大，2015年我國進(jìn)口大豆8174萬t，幾乎全部為轉(zhuǎn)基因大豆。值得一提的是，近年來，我國轉(zhuǎn)基因作物的種植面積有所減少，到2016年約為280萬hm2，降至世界第8位（數(shù)據(jù)來源于ISAAA，2016），這可能與公眾對轉(zhuǎn)基因作物的曲解與爭議愈演愈烈有關(guān)。

3 轉(zhuǎn)基因作物的食用安全性評價

轉(zhuǎn)基因作物的食用安全性評價關(guān)乎人民的身體健康和環(huán)境安全，亦關(guān)乎農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，也是轉(zhuǎn)基因生物制品進(jìn)入市場的前提條件和政府部門監(jiān)管的依據(jù)。目前，國際上對食用安全性評價主要包括營養(yǎng)學(xué)、毒理學(xué)和致敏性評價。

3.1 營養(yǎng)學(xué)評價 營養(yǎng)學(xué)評價主要針對與人類健康密切相關(guān)的營養(yǎng)物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、維生素、脂肪酸等）、抗?fàn)I養(yǎng)因子（如植酸、凝集素和胰蛋白酶抑制劑等）或天然色素（如棉酚、芥酸和硫苷等），與傳統(tǒng)食品比較，是否存在差異性，或這種差異性是否是轉(zhuǎn)入目的基因所導(dǎo)致。目前報導(dǎo)的多項(xiàng)研究結(jié)果表明，大多數(shù)轉(zhuǎn)基因作物如耐除草劑玉米、耐除草劑水稻、抗蟲水稻、抗蟲玉米、抗蟲棉棉籽等轉(zhuǎn)基因生物制品營養(yǎng)成分與相關(guān)傳統(tǒng)食品是基本一致的[5-10]。

3.2 毒理學(xué)評價 毒理學(xué)評價包含對轉(zhuǎn)基因生物制品中的外源基因表達(dá)蛋白以及全食品的毒理學(xué)檢測。借助生物信息學(xué)手段，分析外源表達(dá)蛋白與已知毒性蛋白和抗?fàn)I養(yǎng)因子的氨基酸序列是否具有同源性，而后進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗(yàn)和胃腸道模擬消化試驗(yàn)等。同時考察外源蛋白是否會產(chǎn)生預(yù)期效應(yīng)之外的非預(yù)期效應(yīng)。通過豬、牛、羊、小鼠、大鼠、雞、鵪鶉、魚等[11]動物實(shí)驗(yàn)來評價轉(zhuǎn)基因生物制品對人類健康的影響，動物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果其實(shí)可以反映營養(yǎng)學(xué)和毒理學(xué)的雙重指標(biāo)。從已進(jìn)行的多項(xiàng)毒性試驗(yàn)結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)基因生物制品與其受體對照有著同等的營養(yǎng)與安全性。例如，X.Qi等[12]對大鼠食用轉(zhuǎn)基因高油酸大豆進(jìn)行了90 d的試驗(yàn)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因大豆與傳統(tǒng)大豆同樣安全。J.McNaughton等[13]通過肉雞42 d喂養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，食用轉(zhuǎn)基因高油酸大豆的肉雞在死亡率、生長速率、體重和器官重上均不存在顯著差異。

3.3 致敏性評價 致敏性評價旨在預(yù)防轉(zhuǎn)基因生物制品中出現(xiàn)新的過敏原，保護(hù)易感人群。國際上目前普遍采納的是聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織頒布的過敏原評價決定樹[14]。主要方法是通過氨基酸序列同源性比較、血清特異抗體結(jié)合試驗(yàn)、血清篩選試驗(yàn)、胃腸液消化模擬試驗(yàn)以及動物模型試驗(yàn)等綜合評判外源蛋白潛在的致敏性。S.Cao等[15]研究表明，飼用轉(zhuǎn)Cry1C基因水稻的BN大鼠未表現(xiàn)出致敏性反應(yīng)。

我國作為國際上最早開展農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究和應(yīng)用的國家之一，同時也是對轉(zhuǎn)基因監(jiān)管最嚴(yán)格的國家，尤其是轉(zhuǎn)基因生物制品，則采取慎之又慎的態(tài)度。在法理層面上，我國政府先后制定出臺了一系列法律法規(guī)，為轉(zhuǎn)基因安全提供了法理依據(jù)。早在1996年轉(zhuǎn)基因商業(yè)化之初，農(nóng)業(yè)部就頒布了《農(nóng)業(yè)生物基因工程安全管理實(shí)施辦法》，并于次年批準(zhǔn)設(shè)立“農(nóng)業(yè)生物基因工程安全委員會”和“農(nóng)業(yè)生物基因工程安全管理辦公室”處理日常工作。進(jìn)入21世紀(jì)，國務(wù)院和國家質(zhì)檢總局又分別頒布實(shí)施《農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理?xiàng)l例》和《轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進(jìn)出境檢驗(yàn)檢疫管理辦法》，進(jìn)一步完善了轉(zhuǎn)基因生物的安全監(jiān)管法規(guī)和制度。2010年農(nóng)業(yè)部編制了《轉(zhuǎn)基因植物安全評價指南》，從制度上規(guī)范了轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物申報和評價。以上政策和法律法規(guī)的完善，保障了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在安全的框架內(nèi)有序開展。

隨著科技和社會的進(jìn)步，越來越多的國家和地區(qū)開始重視經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，以現(xiàn)代生物技術(shù)為核心的農(nóng)業(yè)科技革命正在開展，轉(zhuǎn)基因作物已成為現(xiàn)代常規(guī)農(nóng)業(yè)的一部分。我國面對人多地少的國情和節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等方面的巨大壓力，發(fā)展轉(zhuǎn)基因作物已成為解決以上問題的首選措施。