雜交育種始于美國,始于1910年前后。100多年來,雜交育種顯著增加了農(nóng)作物產(chǎn)量,但是越來越難以培育出更好的品種,這是因為:雜交育種是同一物種的雜交,玉米和玉米雜交,小麥和小麥雜交,水稻和水稻雜交;同一物種的雜交是DNA的重新組合,DNA上有多個基因,有的基因好,有的基因不好,好的取不出來,不好的去不掉,所以雜交品種都不能盡善盡美,都有缺陷。以抗蟲性狀為例,農(nóng)業(yè)害蟲主要是鱗翅目昆蟲,所有農(nóng)作物都不能真正抗鱗翅目昆蟲,因為農(nóng)作物就沒有抗鱗翅目昆蟲的基因;農(nóng)作物也是昆蟲的食物,如果有抗蟲基因,昆蟲就不會繁衍3億年而不衰。
幾千年前,紅薯通過農(nóng)桿菌屬感染獲得轉(zhuǎn)基因DNA,紅薯是天然的轉(zhuǎn)基因作物
隨著遺傳學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了抗蟲基因,這種細(xì)菌叫蘇云金芽孢桿菌。“蘇云金”是德國的一個地名,100多年前在那里發(fā)現(xiàn)了這種細(xì)菌,就用地名作為細(xì)菌名。蘇云金芽孢桿菌的英語縮寫為Bt,它的基因就叫Bt基因,Bt基因產(chǎn)生的蛋白就叫Bt蛋白,Bt蛋白被鱗翅目昆蟲吃了以后,與昆蟲腸道壁上的糖蛋白結(jié)合,導(dǎo)致昆蟲腸穿孔而死。那么把一個Bt基因轉(zhuǎn)入農(nóng)作物的細(xì)胞,插入農(nóng)作物DNA,就可產(chǎn)生Bt蛋白,就可抗蟲。
細(xì)菌的基因為什么可以插入植物的DNA呢?因為一切生物的DNA,都是由4種核苷酸按一定的順序排列組成的,它們基礎(chǔ)單位是一樣的,那么A物種的一段DNA完全有可能插入B物種的DNA之中。這好比A鐵路的一段完全可以接到B鐵路之中;又好比大學(xué)食堂排隊打飯,A隊伍的幾個同學(xué)完全可以加塞到B隊伍之中??茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),自然界本來就存在轉(zhuǎn)基因,細(xì)菌之間轉(zhuǎn)基因很常見,細(xì)菌給植物轉(zhuǎn)基因也會偶爾發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn),在幾千年以前,土壤農(nóng)桿菌的基因就轉(zhuǎn)給了紅薯。這么說來,人工轉(zhuǎn)基因其實是對自然的模仿。人工轉(zhuǎn)基因,方法有多種,最常用的方法是:讓土壤農(nóng)桿菌的一段DNA上的基因失效,然后把目的基因轉(zhuǎn)到土壤農(nóng)桿菌的這段DNA上,再把這段DNA轉(zhuǎn)入植物細(xì)胞,插入植物的DNA之中。
Bt基因產(chǎn)生的Bt蛋白可以讓昆蟲腸穿孔,但是對人和哺乳動物無害,因為人和哺乳動物的腸道壁上沒有那種糖蛋白,而且人和哺乳動物腸道里的核酸酶可以分解Bt基因,蛋白酶可以分解Bt蛋白,所以對人和哺乳動物無害。
Bt基因有多個,如果昆蟲對這個Bt基因產(chǎn)生了抗性,還可以再轉(zhuǎn)另一個Bt基因。
除草劑是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要標(biāo)志。沒有除草劑,發(fā)達國家就得一遍遍用機械除草,成本很高,也除不干凈;沒有除草劑,發(fā)展中國家就得一遍遍人工除草,農(nóng)民就離不開土地,就不能進城打工。有了除草劑,若沒有抗除草劑作物,就得小心翼翼噴灑除草劑,這也費工。有了抗除草劑的作物,用除草劑除草最省工。除草劑有幾十種,其中草甘膦除草效果最好、毒性最低、殘留最低,因而使用量最大。中國是草甘膦生產(chǎn)大國、使用大國、出口大國。
草甘膦除草原理是抑制植物氮代謝的酶的活性,氮代謝的終端產(chǎn)物是蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)是細(xì)胞的主要成分,氮代謝的酶沒了活性,氮代謝就停止了,蛋白質(zhì)就不能產(chǎn)生了,新的細(xì)胞也不能產(chǎn)生了,那么植物就死亡了。轉(zhuǎn)基因抗草甘膦作物,轉(zhuǎn)的是土壤農(nóng)桿菌的一個基因,這個基因可以讓氮代謝的酶增加50倍,抵消了草甘膦的作用還綽綽有余,所以草甘膦只除草,不傷作物。
以中國的轉(zhuǎn)基因番木瓜為例來說明抗病毒原理。番木瓜,從東南亞引進,在南方種植,如甜瓜那么大,長在樹干上。飯店里的涼拌木瓜絲是未熟的番木瓜,長熟的番木瓜如甜瓜那般甜,可生食,可用來做涼菜、熱菜。番木瓜果樹常發(fā)生病毒病,無藥可治,以至絕收,唯有轉(zhuǎn)基因可抗病毒,2006年批準(zhǔn)商業(yè)化種植。
轉(zhuǎn)基因番木瓜抗病毒的原理是:把病毒基因組的復(fù)制酶基因轉(zhuǎn)入番木瓜細(xì)胞的基因組,因為轉(zhuǎn)入的只是復(fù)制酶基因而不是病毒的基因組,所以番木瓜并不染病;病毒的復(fù)制酶基因轉(zhuǎn)入番木瓜細(xì)胞,就成了番木瓜的基因,不再是病毒的基因;當(dāng)病毒侵入番木瓜細(xì)胞后,這個復(fù)制酶基因就阻止病毒基因組的復(fù)制酶基因發(fā)揮作用,病毒便不能復(fù)制,也就不能致病。
轉(zhuǎn)基因番木瓜在南方推廣以后年年豐收,供應(yīng)全國。轉(zhuǎn)基因番木瓜和非轉(zhuǎn)基因番木瓜同樣安全。非轉(zhuǎn)基因番木瓜感染病毒很普遍,但植物病毒并不感染人,并且植物病毒可以被人體的消化酶分解為氨基酸、核苷酸而被吸收。轉(zhuǎn)基因番木瓜只轉(zhuǎn)了病毒的一個基因,而且基本不感染病毒,所以和非轉(zhuǎn)基因番木瓜同樣安全。
以美國抗褐變土豆為例來說明。美國機械化、自動化程度高,運輸、倉儲、上貨架、上流水線,土豆難免擠壓、磕碰而破皮,破皮則褐變,褐變則品相不好,品相不好則不好賣,于是就通過轉(zhuǎn)基因防褐變。土豆里的酚與相應(yīng)的酶互不接觸,相安無事,但是破皮或切開以后,酚與酶就結(jié)合了,然后產(chǎn)生醌,醌為褐色。那個酶是相應(yīng)的基因產(chǎn)生的,抑制相應(yīng)的基因也就抑制了那個酶。把那個基因的一個片段復(fù)制下來,轉(zhuǎn)入土豆,原來的基因片段與轉(zhuǎn)入的基因片段因為結(jié)構(gòu)相同而相克,結(jié)果是“同歸于盡”,這也是“基因沉默”。那個基因沉默了,那個酶就不產(chǎn)生了,土豆破皮、切開就不褐變了。
2017年上市的美國轉(zhuǎn)基因防褐變蘋果也是類似的原理。