轉(zhuǎn)基因作物非預(yù)期效應(yīng)的代謝組學(xué)研究進(jìn)展

劉慧玲，羅小偉，郭佳樂，張可煒

（山東大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 植物發(fā)育與環(huán)境適應(yīng)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

轉(zhuǎn)基因植物是指為了獲得原受體植物沒有的特定性狀，而引入可帶來這一特定性狀外源基因的植物。轉(zhuǎn)基因是涉及向受體生物的基因組中導(dǎo)入已知可帶來預(yù)期性狀的DNA序列元件的操作，旨在使受體生物細(xì)胞中產(chǎn)生特定的基因表達(dá)產(chǎn)物，以通過已知的代謝通路實(shí)現(xiàn)某一性狀，從而賦予受體生物能耐受/抵抗各種生物或非生物脅迫、品質(zhì)改良等特性。在對某一轉(zhuǎn)基因事件進(jìn)行確認(rèn)時(shí)，需提供必要的分子生物學(xué)證據(jù)，如外源基因插入的位點(diǎn)、插入的拷貝數(shù)、外源DNA插入的旁翼序列等，以了解是否有內(nèi)源基因或調(diào)控元件受到影響[1]。

利用轉(zhuǎn)化事件培育的作物新品系（種）與傳統(tǒng)育種存在明顯的不同，在傳統(tǒng)育種中，人們在很少或根本不了解作物細(xì)胞中遺傳變化的情況下利用了一些突變，事實(shí)上已經(jīng)接受了來自野生近緣種的許多未詳細(xì)描述的基因，即使這些基因可能沒有食用安全歷史記錄，也被導(dǎo)入農(nóng)作物新品種中以獲得新的或改良的農(nóng)藝性狀。與傳統(tǒng)育種不同，轉(zhuǎn)基因育種導(dǎo)入作物基因的序列與功能均是明確的，只要目標(biāo)基因通過了嚴(yán)格安全評價(jià)將是安全的。大量的同行評審的出版物和監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交的文件表明上市的轉(zhuǎn)基因作物與傳統(tǒng)作物在成分上的“實(shí)質(zhì)等同性”，其安全性與傳統(tǒng)作物是同等的[1]。迄今為止，已進(jìn)行的科學(xué)研究尚未發(fā)現(xiàn)與利用轉(zhuǎn)基因作物直接相關(guān)的安全事故，即便如此，公眾還是越來越關(guān)注轉(zhuǎn)基因食品的安全性問題，轉(zhuǎn)基因生物一詞已成為一個(gè)有爭議的話題，因?yàn)橐恍┕姄?dān)心轉(zhuǎn)基因生物給消費(fèi)者帶來益處的同時(shí)，可能還伴隨著健康和環(huán)境方面的潛在風(fēng)險(xiǎn)[2]。

1 實(shí)質(zhì)等同性

依據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）共識文件（OECD，2006）中的概述，對轉(zhuǎn)基因作物食品安全評估的一個(gè)主要原則和指導(dǎo)工具是實(shí)質(zhì)等同性（substantial equivalence）。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織/世界衛(wèi)生組織（FAO/WHO）也對這一原則作了進(jìn)一步的闡述：實(shí)質(zhì)等同性即轉(zhuǎn)基因生物在組成物質(zhì)的化學(xué)成分上與相對應(yīng)的受體生物不存在實(shí)質(zhì)性的差異，則可認(rèn)為該轉(zhuǎn)基因生物是安全的。在安全評估中，對來自轉(zhuǎn)基因作物的食品與來自親本或近同基因系的同類食品進(jìn)行比較，以確定二者之間有無差異后評估基因工程食品對人類和/或動(dòng)物安全與否。對于轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行評估可以考慮3種情況，對于不同的情況不同對待。第一種情況是新類型的食品等同于公認(rèn)的傳統(tǒng)食品，在這種情況下，無需進(jìn)行進(jìn)一步的測試。第二種情況是新類型的食物與傳統(tǒng)的食物相比，僅僅存在新導(dǎo)入的基因帶來的某一個(gè)特殊性狀的差異，不存在其他差異，對新類型食品的安全評估將僅需針對這一差異進(jìn)行。第三種情況是新類型的食品在諸多方面與傳統(tǒng)食品都不同，或沒有傳統(tǒng)食品與之相對比，對于這種類型的工程食品則需進(jìn)行更為廣泛的、詳盡的評價(jià)。利用實(shí)質(zhì)等同性原則對比評估已有的結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因作物與傳統(tǒng)作物之間具有相當(dāng)?shù)膶?shí)質(zhì)等同性，除引入與新預(yù)期性狀相關(guān)的預(yù)期效應(yīng)外，轉(zhuǎn)基因?qū)υ凶魑锾匦詭缀鯖]有明顯影響，過去的這種對轉(zhuǎn)基因植物安全性的評估原則已保證了超過了二十年的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品商業(yè)化沒有出現(xiàn)問題[3]。

對轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行安全評價(jià)時(shí)，人們可能還會(huì)對另一個(gè)問題特別關(guān)心：即通過轉(zhuǎn)基因方法獲得改良一個(gè)植物品種（系）的某種新的性狀時(shí)，是否會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)性狀外的意想不到的效果？如果發(fā)生了預(yù)料之外的情況，“這種意想不到的效果”是否會(huì)對健康產(chǎn)生影響？產(chǎn)生的影響將是什么狀況？其實(shí)這就是轉(zhuǎn)基因（遺傳操作）會(huì)不會(huì)產(chǎn)生非預(yù)期效應(yīng)的問題。

2 非預(yù)期效應(yīng)

目前，世界對糧食的需求與生產(chǎn)能力之間的差距越來越大。植物生物技術(shù)可能是一種有希望提高作物產(chǎn)量的方法，即在不利的環(huán)境條件下提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，以增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)能力。目前，人們已利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了作物的營養(yǎng)品質(zhì)得到改良及強(qiáng)化、抗蟲、耐除草劑等不同類別的轉(zhuǎn)基因新類型作物。植物為了獲取這些“額外”的性能，需要對其進(jìn)行遺傳操作。在植物進(jìn)行遺傳（基因工程）操作時(shí)，對植物由于目標(biāo)基因的導(dǎo)入可能對受體生物產(chǎn)生的結(jié)果可分為預(yù)期效應(yīng)（intended effects）和非預(yù)期效應(yīng)（unintended effects）。

預(yù)期效應(yīng)是指為了獲取某種目標(biāo)性狀而向受體生物導(dǎo)入某個(gè)基因后產(chǎn)生了導(dǎo)入基因的目標(biāo)效果。也就是人們將有利于植物自身更好適應(yīng)環(huán)境（如應(yīng)對非生物逆境或生物逆境）或滿足人類需求（如改進(jìn)或強(qiáng)化產(chǎn)品的品質(zhì)等）的特定基因?qū)胧荏w細(xì)胞的基因組中，并能在受體植物中發(fā)揮這些基因的功能即獲得穩(wěn)定高效的表達(dá)，從而賦予工程植物預(yù)期的目標(biāo)性狀。非預(yù)期效應(yīng)是指通過向宿主生物體導(dǎo)入明確的外源基因后，除實(shí)現(xiàn)該基因賦予的特定目標(biāo)性狀的同時(shí)，還獲得了額外性狀或失去現(xiàn)有某一性狀的效應(yīng)。也就是與親本相比，轉(zhuǎn)基因植物在表型、細(xì)胞中的化學(xué)組分等與親本相比在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著差異。非預(yù)期效應(yīng)又可分為可預(yù)期的非預(yù)期效應(yīng)（predictable unintended effects）和不可預(yù)期的非預(yù)期效應(yīng)（unpredictable unintended effects）。可預(yù)期的非預(yù)期效應(yīng)是轉(zhuǎn)基因生物除產(chǎn)生了目標(biāo)基因應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生的結(jié)果外，還產(chǎn)生了依據(jù)目前植物生理學(xué)、代謝途徑及代謝的相互關(guān)系等諸方面知識可解釋的預(yù)料之外的變化。不可預(yù)期的非預(yù)期效應(yīng)是指在轉(zhuǎn)基因植株中發(fā)生了超過當(dāng)前我們認(rèn)知水平的不可預(yù)料的改變?！包S金水稻”（golden rice）是工程植物的一個(gè)成功典范，是Ye等[4]將β-胡蘿卜素生物合成途徑的相關(guān)基因引入到水稻細(xì)胞中而獲得的。在黃金水稻中產(chǎn)生了β-胡蘿卜素是導(dǎo)入的3個(gè)目標(biāo)相關(guān)基因的預(yù)期結(jié)果。在工程植物中偶爾也會(huì)出現(xiàn)與基因功能預(yù)期不符合的結(jié)果。S-芳樟醇合酶（S-linalool synthase）基因在矮牽牛中的過表達(dá)并沒有導(dǎo)致游離芳樟醇的預(yù)期積累，而是表現(xiàn)為S-芳樟基-β-D-葡萄糖苷（S-linalyl-β-D-glucoside）的積累[5]。

非預(yù)期效應(yīng)并非為轉(zhuǎn)基因育種所特有，種內(nèi)、種間與野生近緣種的雜交、組織培養(yǎng)再生植株和誘變育種（如化學(xué)誘變、輻射誘變）等技術(shù)手段在傳統(tǒng)育種中被廣泛使用。研究表明，利用這些技術(shù)獲得新育種材料通常與基因突變、缺失、插入和重排等有關(guān)[6-7]。在農(nóng)業(yè)上，利用雜交、誘變、群體選育等技術(shù)進(jìn)行的常規(guī)育種時(shí)也會(huì)產(chǎn)生非預(yù)期效應(yīng)[1]。雖然育種家選擇并有目的地利用植物DNA突變產(chǎn)生的有益表型，但現(xiàn)代的分子技術(shù)已使人們能了解常規(guī)育種手段獲得的作物新品種所包含基因的具體變化類型，這些基因變化似乎是多樣和廣泛的。但是，人們常常能接受這些基因的改變而很少去擔(dān)憂這些基因突變出現(xiàn)的安全問題，與此對應(yīng)的是人們更為關(guān)心工程植物可能存在的非預(yù)期效應(yīng)的問題。轉(zhuǎn)基因事件中是否會(huì)發(fā)生，或者在什么情況下產(chǎn)生非預(yù)期效應(yīng)一直是公眾所關(guān)心的問題之一，如何有效地檢測和評價(jià)轉(zhuǎn)基因事件中的非預(yù)期效應(yīng)也成為轉(zhuǎn)基因安全評價(jià)的一個(gè)重要課題。

3 非預(yù)期效應(yīng)產(chǎn)生的原因

在對植物進(jìn)行遺傳操作的過程中，不同的實(shí)驗(yàn)室利用了不同的策略（農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、花粉管導(dǎo)入法、基因槍法等）將外源目標(biāo)基因?qū)氩煌闹参镏?。無論采用何種轉(zhuǎn)化策略，由于外源目標(biāo)基因整合到受體細(xì)胞的基因組是一復(fù)雜的過程，雖然對目標(biāo)基因可能帶來的目標(biāo)效果有一個(gè)良好的預(yù)期，但對于外源基因插入基因組的位置往往預(yù)期性不高，外源基因有可能插入到結(jié)構(gòu)基因、啟動(dòng)子或調(diào)控區(qū)的內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)產(chǎn)生一定水平的干擾，造成某些非目標(biāo)基因表達(dá)發(fā)生了或多或少的變化，甚至發(fā)生了基因沉默現(xiàn)象。受體植物受此影響可能會(huì)產(chǎn)生一些在設(shè)計(jì)獲取目標(biāo)工程植物時(shí)無法預(yù)期和控制的性狀改變。研究表明，對于受體由于插入外源基因，受體可能通過轉(zhuǎn)化效應(yīng)、插入效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、異質(zhì)效應(yīng)等機(jī)制影響內(nèi)源基因的表達(dá)而產(chǎn)生非預(yù)期效應(yīng)[8-9]。

4 非預(yù)期效應(yīng)的評估

在轉(zhuǎn)基因植物出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)育種獲得的新作物品種在推向生產(chǎn)之前需通過政府主管部門的審定（認(rèn)定），但在引入市場之前一般并不要求進(jìn)行嚴(yán)格的食品安全評價(jià)。轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行商業(yè)化推向市場前，建立嚴(yán)格的安全評估程序并對其安全性進(jìn)行評估被認(rèn)為是極其必要的，以減輕人們對使用生物技術(shù)可能導(dǎo)致新的和不可預(yù)料危險(xiǎn)的擔(dān)憂。目前轉(zhuǎn)基因植物的安全性評估多是基于“實(shí)質(zhì)等同”原則，即將轉(zhuǎn)基因植物與親本或同類植物進(jìn)行相關(guān)特性的比較，以確定二者之間是否存在差異。選定某些成分和特性進(jìn)行測量或評價(jià)，如果轉(zhuǎn)基因植物的成分和特性與常規(guī)對照物（如受體植物）的成分和特性沒有顯著差異，那么轉(zhuǎn)基因植物與對照的成分和特性就被判定為基本相同，也就是認(rèn)為轉(zhuǎn)基因植物與對照是實(shí)質(zhì)等同。當(dāng)實(shí)質(zhì)等同的測試得到滿足時(shí)，就認(rèn)為轉(zhuǎn)基因植物至少與比較物（對照）具有一樣安全性和營養(yǎng)特性。比較物（對照）往往是轉(zhuǎn)基因植物的受體，其往往是一種有多年安全使用歷史的人類食物或家畜飼料等的重要來源。對于實(shí)質(zhì)等同原則，Millstone等[10]認(rèn)為這種評價(jià)是存在缺陷、不全面的，因?yàn)樗鼪]有考慮遺傳操作可能帶來的非預(yù)期效應(yīng)。目前上市或在研的轉(zhuǎn)基因植物可分為兩大類別，類別1通常是通過插入單個(gè)基因以賦予昆蟲（如棉鈴蟲）抗性或除草劑（如草甘膦抗性）耐受性的基因工程植物，基因工程植物獲得某一特殊農(nóng)藝特性（如抗蟲、除草劑抗性），這類轉(zhuǎn)基因作物如耐除草劑（抗草甘膦等）大豆、抗蟲（抗棉鈴蟲等）棉在世界許多地方廣泛種植；類別2為使用了更為復(fù)雜代謝工程策略的工程植物，以賦予植物特殊營養(yǎng)功能，給人類帶來更多健康益處（如“黃金水稻”）或賦予植物更高的抗逆性（如耐鹽耐旱等），這種類型的轉(zhuǎn)基因植物目前被監(jiān)管部門批準(zhǔn)上市的種類較少。對于類型1的轉(zhuǎn)基因植物，出現(xiàn)非預(yù)期效應(yīng)出現(xiàn)的概率可能要小一些，而對于第二類工程植物，非預(yù)期效應(yīng)出現(xiàn)的概率可能要大一些，因?yàn)楂@得這些工程植物往往涉及引入不止一個(gè)基因產(chǎn)物的更為復(fù)雜的代謝過程，基于此，對類型2的工程植物進(jìn)行安全評估時(shí)或應(yīng)更嚴(yán)格。

目前評估轉(zhuǎn)基因植物安全性的工具除傳統(tǒng)的多點(diǎn)和多年農(nóng)藝學(xué)評估、成分分析、動(dòng)物營養(yǎng)和經(jīng)典毒理學(xué)評估方法外，“組學(xué)”工具在轉(zhuǎn)基因作物的安全性評估方面具有重要應(yīng)用價(jià)值[11]。蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)是研究轉(zhuǎn)基因植物非預(yù)期效應(yīng)的候選項(xiàng)，“組學(xué)”研究策略減少了轉(zhuǎn)基因生物安全性評估中的不確定性，提供了細(xì)胞代謝更為深入的信息[12]。

5 代謝組學(xué)研究方法

代謝組學(xué)的特點(diǎn)是可快速準(zhǔn)確地分析代謝物的種類與含量，因而有望提供細(xì)胞代謝產(chǎn)物（如小分子量的有機(jī)化合物）的全面視圖，這些細(xì)胞代謝物參與了細(xì)胞不同的代謝事件，從中可窺探細(xì)胞的生理狀態(tài)。代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因植物的安全性評估有助于解析目標(biāo)基因的功能，了解目標(biāo)基因如何影響工程植物細(xì)胞中代謝途徑，闡述目標(biāo)基因?qū)?xì)胞代謝通路不同層次的影響。

Fiehn等[13]定義代謝組學(xué)（metabolomics）是對生物體的所有代謝物進(jìn)行鑒定和定量分析的學(xué)科。代謝組學(xué)分為靶向代謝組學(xué)（targeted metabolomics）和非靶向代謝組學(xué)（untargeted metabolomics）。非靶向代謝組學(xué)是利用代謝物指紋圖譜分析技術(shù)，對生物樣品整個(gè)代謝組的成分盡量進(jìn)行全面的分析。靶向代謝組學(xué)是利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)品為對照物，對細(xì)胞中特定代謝物組的成分進(jìn)行檢測與分析的技術(shù)。關(guān)鍵化合物的靶向分析已廣泛用于轉(zhuǎn)基因作物的實(shí)質(zhì)等同研究，并為此建立了相關(guān)數(shù)據(jù)庫（如ILSI數(shù)據(jù)庫，http://www.cropcomposition.org）。這些數(shù)據(jù)庫中包含了一些主要常規(guī)育種作物的化學(xué)成分較為詳細(xì)的信息，可作為評估轉(zhuǎn)基因作物化學(xué)成分組成的基準(zhǔn)參照。也有學(xué)者建議使用非靶向代謝組學(xué)等分析技術(shù)來拓寬植物可檢測化合物的范圍，從而補(bǔ)充當(dāng)前的靶向代謝組學(xué)方法中存在的不足。

依據(jù)研究對象和目的，在代謝組學(xué)的研究中主要可采取3種策略：（i）靶向分析，有限數(shù)量的已知代謝物濃度的精確和定量測定；（ii）代謝譜分析，針對包括未知代謝產(chǎn)物的大量代謝物含量的非靶向高通量測定；（iii）代謝指紋圖譜，組別的區(qū)分不需要進(jìn)行代謝物的識別，而是利用快速、全面的生化指紋圖譜進(jìn)行評估[14]。代謝組學(xué)分析包含了樣品的收集與處理、檢測數(shù)據(jù)的獲取和數(shù)據(jù)解析等過程。氣相色譜（GC）、液相色譜（LC）、超高效液相色譜（UPLC）、毛細(xì)管電泳（CE）、傅立葉變換離子回旋共振（FT-ICR）和高場非對稱波形離子遷移譜（FAIMS）等分離技術(shù)可用于化合物的分離，質(zhì)譜（MS）、核磁共振（NMR）、電化學(xué)（EC）、近紅外光譜（NIR）等檢測技術(shù)常用于化合物的檢測鑒定。不同分離技術(shù)與不同的檢測及鑒定技術(shù)相組合就構(gòu)成了各具特色的不同代謝組學(xué)分析技術(shù)策略，以滿足轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的需求。將色譜高效分離能力和MS的強(qiáng)大鑒定能力相結(jié)合將能勝任對工程植物的代謝物進(jìn)行較為全面的定量或定性研究的需求，如GC-MS、LC-MS、CE-MS、MALDI-MS、SFC/MS、DI-MS等[12,14]?；谏V和MS技術(shù)建立的技術(shù)平臺如GC-MS平臺廣泛用于非靶向的分析，而LC-MS平臺被廣泛用于靶向和非靶向分析。利用這些高通量工具產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)可通過如MET-COFEA、Met-Align、ChromaTOF、MET-XAlign等數(shù)據(jù)處理平臺進(jìn)行處理[12]。代謝組學(xué)數(shù)據(jù)在公共數(shù)據(jù)庫中的存儲也是需要考慮的重要問題，通過這些數(shù)據(jù)庫可與不同實(shí)驗(yàn)室的研究人員共享數(shù)據(jù)，并有助于不同學(xué)者對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的利用和解析有用的信息。代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫如METLIN（http://metlin.scripps.edu）、GOLM（http://gmd.mpimp-golm.mpg.de）、MoNA（http://mona.fiehnlab.ucdavis.edu）、GMD（http://gmd.mpimp-golm.mpg.de/）等可用于代謝物的鑒定與數(shù)據(jù)參考[15]。此外，GNPS（Global Natural Products Social Molecular Networking）數(shù)據(jù)庫（http://gnps.ucsd.edu）允許上傳和共享未識別的光譜，從而能通過MS匹配識別新的代謝物[16]。

6 代謝組學(xué)在非預(yù)期效應(yīng)研究中的應(yīng)用

Simó等[17]綜述了2014年前10年間發(fā)表的關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物代謝組學(xué)研究的59篇相關(guān)文獻(xiàn)。在這篇綜述中，作者提供了代謝組學(xué)在轉(zhuǎn)基因植物中的研究狀況相關(guān)信息。文獻(xiàn)報(bào)道的代謝組研究涉及水稻、玉米、大豆、紫花苜蓿、豌豆、小麥、西紅柿、土豆、萵苣、黃瓜、覆盆子、葡萄、薄荷、卷心菜、木瓜、楊樹、大麥等作物，以及抗蟲、抗除草劑、品質(zhì)改良、微生物抗性、生長發(fā)育、耐旱等生物學(xué)性狀，利用NMR、GC-EI-Q-MS、LC-ESIQ-MS、CE-ESI-IT-MS/MS等分析技術(shù)進(jìn)行了代謝組學(xué)研究。與傳統(tǒng)分析方法相比，代謝組學(xué)方法可獲得更多、更深入的轉(zhuǎn)基因作物的化學(xué)組分相關(guān)信息，提供了更為廣泛的化學(xué)成分組成數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有助于證實(shí)（或不證實(shí)）轉(zhuǎn)基因植物的實(shí)質(zhì)等同性和由于遺傳轉(zhuǎn)化而引起的非預(yù)期效應(yīng)的發(fā)生。

在非預(yù)期效應(yīng)的評估方面，Shepherd等[18]利用代謝組學(xué)，采用LC-MS和GC-MS方法對糖苷生物堿（glycoalkaloid）生物合成中涉及的3個(gè)基因（SGT1、SGT2或SGT3）分別下調(diào)的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯進(jìn)行了評估，以了解這些特定修飾導(dǎo)致的預(yù)期和非預(yù)期的代謝變化。結(jié)果表明，在SGT2或SGT3基因下調(diào)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯株系細(xì)胞中的糖苷生物堿（glycoalkaloid）如預(yù)期那樣含量下降，但巖藻甾醇（fucosterol）和β-谷甾醇（β-sitosterol）的含量卻增加了，而其他代謝物未發(fā)現(xiàn)有差異。作者認(rèn)為在組織培養(yǎng)過程中誘導(dǎo)發(fā)生的體細(xì)胞無性系變異被認(rèn)為可能是與發(fā)生了的非預(yù)期代謝物變化有關(guān)。Chris等[19]報(bào)道在表達(dá)除草劑抗性基因Bar的轉(zhuǎn)基因作物中也發(fā)現(xiàn)了非預(yù)期效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)Bar基因的作物中將細(xì)胞中的氨基己二酸和色氨酸轉(zhuǎn)化為乙酰-氨基己二酸（acetyl-aminoadipate）和乙酰-色氨酸（acetyl-tryptophan）。雖然工程植物中乙酰-氨基己二酸和乙酰-色氨酸的含量被美國食品和藥物管理局（FDA）評估為對人體和動(dòng)物的食用水平來講是安全的，但轉(zhuǎn)Bar工程植物發(fā)生的非預(yù)期效應(yīng)的案例也應(yīng)給人們一個(gè)警示，在商業(yè)化工程作物時(shí)還是有必要關(guān)注非預(yù)期效應(yīng)的。

作物對鹽、旱、蟲害等脅迫的抗性、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的高低和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的好壞等性狀大多是由多基因協(xié)同控制的復(fù)雜性狀。傳統(tǒng)育種學(xué)家可利用雜交、回交等手段，通過聚合基因來培育出品質(zhì)、抗逆性和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量性狀優(yōu)良的作物新品種，以滿足種植多樣性的需求。轉(zhuǎn)基因作物的基因疊加（gene stacking）的研究與應(yīng)用也已成為培育具有復(fù)雜性狀工程作物的技術(shù)手段，全球有14個(gè)國家/地區(qū)在2016年度種植了基因疊加的生物技術(shù)作物。基因疊加型轉(zhuǎn)基因作物的迅速應(yīng)用，使人們開始關(guān)注這類產(chǎn)品的安全性與單一性狀產(chǎn)品的安全性是否存在不同。無疑，組學(xué)研究技術(shù)為解決這一問題提供了一個(gè)方法選擇。Wang等[20]利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的技術(shù)手段解析了雜交種12-5×IE034、來源親本（轉(zhuǎn)基因自交系12-5和IE034）及鄭單58等6個(gè)常規(guī)玉米自交系間的基因表達(dá)和代謝產(chǎn)物異同。轉(zhuǎn)錄組和代謝組的結(jié)果表明，供測試的玉米品種間在基因表達(dá)和代謝產(chǎn)物上存在明顯差異。12-5×IE034與親本（12-5和IE034）在基因表達(dá)和代謝產(chǎn)物上的差異小于與其他玉米間的差異。這些結(jié)果提示，通過育種疊加兩個(gè)轉(zhuǎn)基因事件不會(huì)比傳統(tǒng)育種過程引入更大的變異。因此，基因疊加的轉(zhuǎn)基因植株的安全性評估可在單性狀親本安全性評估的基礎(chǔ)上采用簡化的評價(jià)方法。

如何判斷遺傳修飾植物產(chǎn)生的非預(yù)期效應(yīng)是來源于工程植物的遺傳修飾，還是由于環(huán)境因素和/或自然變異所導(dǎo)致，代謝組學(xué)的研究結(jié)果在非預(yù)期效應(yīng)的判斷上也提供了一些有益的信息。比較轉(zhuǎn)基因作物及其野生型親本間的代謝組學(xué)研究常與來自更多地理位置（多點(diǎn)）、多年、不同生長季節(jié)的不同栽培條件相結(jié)合，以調(diào)查植物代謝組的變異特性。一些研究結(jié)果表明，與基因修飾相比，環(huán)境變化通常會(huì)產(chǎn)生更大的代謝物組分的差異[21-22]。Barros等[21]以轉(zhuǎn)Bt基因品種DKC78-15B、草甘膦抗性品種DKC 78-35R和非轉(zhuǎn)基因品種CRN 3505（孟山都的玉米品種，DKC78-15B和DKC78-35R的親本）為材料，采用代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)研究了環(huán)境條件（不同年份、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和地理位置）對轉(zhuǎn)基因玉米的影響。組學(xué)的結(jié)果表明，環(huán)境對玉米樣品的基因表達(dá)、蛋白質(zhì)和代謝物的影響大于不同基因型間的差異，環(huán)境是主導(dǎo)表達(dá)差異的源泉，環(huán)境影響比基因插入更為重要。兩項(xiàng)針對轉(zhuǎn)基因小麥和大麥品種的非靶向代謝組學(xué)研究結(jié)果提示，基因操作對作物代謝組的影響要比其他因素（如生長條件、常規(guī)品種之間的遺傳差異）引起的影響要小[22-23]。Frank等[24]和Harrigan等[25]兩個(gè)課題組依據(jù)對遺傳修飾玉米的代謝組學(xué)研究結(jié)果，也提出環(huán)境對作物的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基因插入對作物的影響的類似觀點(diǎn)。因此，非靶向代謝組學(xué)技術(shù)將為今后在轉(zhuǎn)基因生物的安全性評價(jià)中探討非預(yù)期效應(yīng)與遺傳修飾和環(huán)境間的關(guān)系提供更好的技術(shù)支撐。

有關(guān)轉(zhuǎn)基因作物的相關(guān)法規(guī)政策在不同國家/地區(qū)有很大的不同，歐洲食品安全局（EFSA）、OECD等國際組織已提供了對轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的一般性的指南和建議。在轉(zhuǎn)基因食品風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)踐中，有些學(xué)者對目前旨在檢測可能由育種過程或基因工程導(dǎo)致的非預(yù)期效應(yīng)的評估方法提出一些質(zhì)疑，擔(dān)憂基于有限的代謝產(chǎn)物成分進(jìn)行的實(shí)質(zhì)等同性評估可能不足以保證新生物技術(shù)農(nóng)作物的安全性，并提出了改進(jìn)的方法，認(rèn)為非靶向代謝組學(xué)可作為評估未來轉(zhuǎn)基因作物風(fēng)險(xiǎn)評估的常規(guī)方法[16]，但也有學(xué)者對此提出了不同的看法，他們并不認(rèn)為非靶向代謝組學(xué)能改善轉(zhuǎn)基因作物的風(fēng)險(xiǎn)評估[26]。代謝組學(xué)可作為一種頗為有效的檢測、分析手段，無疑可幫助人們證明轉(zhuǎn)基因植物是否發(fā)生非預(yù)期效應(yīng)，或者，如果它們確實(shí)發(fā)生了，也可幫助人們了解轉(zhuǎn)基因植物發(fā)生非預(yù)期效應(yīng)的可能原因與機(jī)制。此外，隨著非靶向代謝組學(xué)研究技術(shù)手段的進(jìn)一步發(fā)展，代謝組學(xué)也能為利用基因編輯技術(shù)培育的植物新品種（系）的安全性評價(jià)提供技術(shù)支撐，并期望該技術(shù)應(yīng)用于代謝工程生物技術(shù)作物的監(jiān)管評估[27]，這也將有利于基因編輯作物的推廣應(yīng)用。