生物育種產(chǎn)品食用安全評價研究進展

徐彤曉， 賀曉云， 黃昆侖

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評價（食用）重點實驗室，北京 100083）

生物育種是利用遺傳學(xué)、細胞生物學(xué)、現(xiàn)代生物工程技術(shù)等方法原理，利用轉(zhuǎn)基因、基因編輯、全基因組選擇和合成生物學(xué)等技術(shù)，培育生物新品種的過程[1]?，F(xiàn)代生物育種新技術(shù)是基于分子生物學(xué)工具進行作物分子育種的一類新技術(shù)，可以短期內(nèi)使作物產(chǎn)生新的有利性狀，促進作物新品種的開發(fā)，如基因編輯技術(shù)、RNA干擾技術(shù)、同源轉(zhuǎn)基因技術(shù)等[2]。其中，轉(zhuǎn)基因技術(shù)是現(xiàn)有生物育種技術(shù)中發(fā)展最快、效率最高的針對作物單一性狀改良的技術(shù)。生物技術(shù)食品是指利用轉(zhuǎn)基因、基因編輯等生物育種新技術(shù)改變基因組構(gòu)成的動物、植物和微生物產(chǎn)生的產(chǎn)品，包括動植物、微生物本身及其直接加工品[3]。

1996年，全球生物育種作物大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，種植面積以年均10%左右的速度迅速增長[2]，在解決全球糧食問題、環(huán)境保護、提高食品營養(yǎng)質(zhì)量、制藥業(yè)、促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。然而，隨著生物技術(shù)商品化生產(chǎn)的不斷深入，生物育種技術(shù)的潛在風(fēng)險也越來越受到國際社會的關(guān)注。全球針對生物育種新技術(shù)產(chǎn)生的作物新品種的安全性評價尚未達成統(tǒng)一共識，對其安全監(jiān)管的思考也不盡相同，限制了這些作物新品種的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用進程[4]。本文綜述了現(xiàn)階段國內(nèi)外生物育種食用安全性問題及安全性評價方法，并總結(jié)了國內(nèi)外生物育種新技術(shù)新產(chǎn)品的安全性和監(jiān)管方面實施的管理政策和法規(guī)，以期對我國生物育種新技術(shù)作物的安全性提供借鑒。

1 生物育種食品的安全問題

生物技術(shù)同所有技術(shù)一樣是一個中性的技術(shù)，對人類文明發(fā)展既有有利的一面，也有其潛在危害的一面。利用轉(zhuǎn)基因、基因編輯等生物技術(shù)可改良農(nóng)作物抗蟲、抗病、抗逆境及抗除草等生物性狀[5]；還可以改善農(nóng)作物品質(zhì)，如蛋白質(zhì)和維生素含量及營養(yǎng)結(jié)構(gòu)等[6]。目前，應(yīng)用最廣泛的生物育種產(chǎn)品是轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物[7]，其次是轉(zhuǎn)基因抗蟲作物[8]，抗病及品性改良的生物新技術(shù)作物也已得到廣泛應(yīng)用，主要涉及大豆、玉米、油菜、棉花等作物，生物育種食品潛在的安全問題集中在毒性、過敏性及對環(huán)境影響等方面。

1.1 毒性問題

人們對生物技術(shù)產(chǎn)品普遍關(guān)注的是，新基因及其產(chǎn)物是否具有固有毒性，宿主代謝途徑的改變及固有毒性或藥理活性物質(zhì)的過度表達是否會導(dǎo)致生物體產(chǎn)生新的毒性風(fēng)險[9]。多年研究發(fā)現(xiàn)，食品中外源DNA序列本身不會通過直接毒性或者基因轉(zhuǎn)移對人類健康產(chǎn)生風(fēng)險[9]，如果新表達蛋白質(zhì)沒有在消化道中完全消化，則應(yīng)關(guān)注其是否具有影響健康的作用。

1.2 致敏性問題

食物過敏主要是由免疫球蛋白E（immunoglobin E，IgE）介導(dǎo)的速發(fā)過敏反應(yīng)[10]。致敏性是生物技術(shù)食品的另一個潛在風(fēng)險，其表達的新蛋白或在胃腸內(nèi)消化后產(chǎn)生的殘留片段可能導(dǎo)致過敏風(fēng)險[11]。因此，安全性評估的一個重要部分是評估轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)生的新蛋白質(zhì)的致敏性。

1.3 營養(yǎng)問題

生物技術(shù)食品的營養(yǎng)問題主要集中在原材料關(guān)鍵性營養(yǎng)成分是否發(fā)生改變。利用生物技術(shù)插入外源基因或編輯體內(nèi)基因的目的是改變靶生物特定的營養(yǎng)成分，提高其營養(yǎng)價值，如低芥酸油菜等[12]。通過生物技術(shù)改變性狀后，人們普遍擔(dān)心該食品會不會因為提高某種關(guān)鍵性營養(yǎng)物質(zhì)而降低其他關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)含量，或提高某種毒性物質(zhì)表達等問題[13]。另外，由于外源基因的來源及導(dǎo)入位點的不同和隨機性，有可能導(dǎo)致基因缺失、錯碼等突變，從而使目標產(chǎn)物的性狀、數(shù)量及部位與預(yù)期不符，進一步產(chǎn)生非預(yù)期效應(yīng)[14]。

1.4 其他問題

抗生素標記基因是生物技術(shù)食品對人類健康的另外一個安全威脅[15]。存在于生物技術(shù)食品中的標記基因，經(jīng)攝入后可能會通過水平基因轉(zhuǎn)移和重組轉(zhuǎn)移到人和動物體的腸道細菌或病原體中，從而使這些微生物產(chǎn)生抗生素抗性，進而影響人或動物抗生素治療的效果[16]。

2 食用安全性評價方法

隨著生物技術(shù)飛速發(fā)展，生物育種產(chǎn)品逐漸商品化，生物育種食品安全性評價的重要性日益增加，生物育種食品在進入市場前要經(jīng)過全面的安全性評價。到目前為止，凡是經(jīng)過政府部門嚴格審批獲準上市并進行科學(xué)評價的生物技術(shù)食品都是安全的。對生物技術(shù)食品的安全性評估是一項復(fù)雜且精細的綜合性工作，目前得到經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）、世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）、聯(lián) 合 國 糧 農(nóng) 組 織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）以及多個國家或地區(qū)認同的原則是實質(zhì)等同性原則、個案分析原則和逐步完善原則等[17]。OECD于1993年提出了實質(zhì)等同性原則，并得到了FAO和WHO的認同。連麗君等[18]認為，生物技術(shù)食品與現(xiàn)存食品在化學(xué)上的相似性并不能夠證明其對人類是安全的，應(yīng)當補充毒理學(xué)及免疫學(xué)等其他方法檢測，通過更有效的評估系統(tǒng)提供更具有說服力的數(shù)據(jù)。歐盟認為，實質(zhì)等同性僅是將新食品與相似的傳統(tǒng)食品比較，并不是安全的營養(yǎng)學(xué)評價，其對生物技術(shù)食品安全性評價是有用的，但不是唯一的[19]。發(fā)展至今，食用安全評價內(nèi)容主要包括營養(yǎng)學(xué)評價、毒理學(xué)評價、致敏性評價以及非預(yù)期效應(yīng)評估。

2.1 營養(yǎng)學(xué)評價

生物技術(shù)食品的安全性評價主要是基于實質(zhì)等同性原則，實際上是一個比較的原則，即將生物育種食品與長期安全食用的對照物進行比較分析[20]。近幾十年來，在輻照食品、新型食品和水果蔬菜的動物安全和營養(yǎng)測試方面積累了豐富的經(jīng)驗，這些方法也適用于生物技術(shù)食品以及飼料的安全性和營養(yǎng)性評價。

生物技術(shù)食品與原食品在關(guān)鍵性營養(yǎng)成分上的差異可作為安全性評價的綜合指標之一。關(guān)鍵營養(yǎng)成分指主要營養(yǎng)素和微量營養(yǎng)素，主要營養(yǎng)素包括脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物等，微量營養(yǎng)素包括礦物質(zhì)、氨基酸、脂肪酸和維生素等。Padgette等[21]對耐除草劑G2-Aroa玉米、轉(zhuǎn)AO高植酸酶玉米及其非轉(zhuǎn)基因玉米的主要營養(yǎng)成分（水分、灰分、脂肪、粗蛋白和纖維）含量進行了比較，發(fā)現(xiàn)材料間上述營養(yǎng)物質(zhì)含量差異不顯著，總體營養(yǎng)水平相當，個別差異屬于自然變異，且均符合國家標準并在世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織的參考范圍內(nèi)。對抗草甘麟大豆與常規(guī)大豆關(guān)鍵性營養(yǎng)成分的研究，并未發(fā)現(xiàn)二者存在差異[21]。對轉(zhuǎn)生長素基因鯉魚與普通鯉魚肌肉中粗蛋白質(zhì)、粗脂肪和氨基酸等主要營養(yǎng)成分，以及鈣、鎂、鋅、鐵、灰分等微量營養(yǎng)成分的研究表明，外源基因插入對轉(zhuǎn)基因鯉魚肌肉中氨基酸含量等主要營養(yǎng)成分沒有影響[22-23]。周興華[24]將具有抗蟲性和耐除草劑的轉(zhuǎn)基因玉米、土豆、大米、大豆和西紅柿等長期喂養(yǎng)大鼠或小鼠，并測量其體重、進食量、血生化、血常規(guī)、臟器系數(shù)、組織病理學(xué)等參數(shù)，并沒有表明暴露動物臟器或組織的病理學(xué)異常。

2.2 毒理學(xué)評價

對于利用生物技術(shù)引入植物體的新表達蛋白質(zhì)的毒理學(xué)評價一般包括新表達的蛋白質(zhì)與已知毒性蛋白質(zhì)氨基酸序列的相似性比較、體外模擬胃液蛋白消化穩(wěn)定性試驗、新表達蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性試驗、小鼠急性經(jīng)口毒性試驗以及大鼠90 d喂養(yǎng)試驗等。

生物技術(shù)食品的毒理學(xué)研究主要通過動物試驗來完成，目前常用大鼠、小鼠、斑馬魚、小型豬和雞等動物進行試驗。轉(zhuǎn)基因食品毒性評估方法包括微核試驗、精子畸變試驗、艾姆斯試驗、急性口服毒性試驗、90 d喂養(yǎng)試驗等。主要測定指標與營養(yǎng)學(xué)評價類似，包括體質(zhì)量、進食量、血常規(guī)、血生化、尿液指標、臟體比等。轉(zhuǎn)基因魚的毒理學(xué)試驗結(jié)果表明，攝食轉(zhuǎn)“全魚”基因的小鼠，其生長、血常規(guī)、血生化成分、組織病理、生殖機能以及子一代的生長和發(fā)育等都沒有顯著性影響[25]。

OECD關(guān)于單一明確定義化學(xué)品的指南試驗中所述的單劑量和重復(fù)劑量毒性試驗、生殖和發(fā)育毒性試驗以及免疫毒性試驗方法足以對單一物質(zhì)進行安全性試驗。同時還有一些體外方法可能有助于轉(zhuǎn)基因植物衍生食品和飼料及其成分的安全性評估，如通過搜索新蛋白質(zhì)或其降解產(chǎn)物與已知毒性蛋白質(zhì)的序列同源性或結(jié)構(gòu)相似性；用于研究新表達蛋白的消化穩(wěn)定性的模擬胃液和腸液試驗，用于模擬新蛋白在加工過程中的穩(wěn)定性的熱穩(wěn)定性試驗；預(yù)測外源基因產(chǎn)物是否導(dǎo)致基因突變、染色體畸變和DNA損傷和修復(fù)的體外遺傳毒性試驗等[26]。

2.3 致敏性評價

生物技術(shù)食品中新基因所表達的蛋白有可能引入新的致敏原，有些蛋白質(zhì)在胃腸內(nèi)消化后的片段也可能存在致敏性[27]，如對巴西堅果過敏的人對轉(zhuǎn)巴西堅果基因的大豆也過敏[18]。目前，對生物育種食品致敏性評價的重點是基因來源、新引入蛋白質(zhì)與已知致敏原的氨基酸序列是否具有同源性、新引入蛋白質(zhì)與變態(tài)反應(yīng)個體血清IgE的免疫結(jié)合反應(yīng)、體外模擬胃腸液消化穩(wěn)定性、動物模型。

Dunn等[28]研究評估轉(zhuǎn)基因大豆品系、近等基因品系和其他3個商業(yè)大豆品系的IgE結(jié)合蛋白的潛在差異，基于血清IgE免疫印跡，在大豆品系之間鑒定出微小的質(zhì)量差異，然而，根據(jù)抑制ELISA試驗，不同大豆提取物與混合血清的反應(yīng)之間沒有顯著差異。部分研究采用嚙齒類動物模型及體外模型進行關(guān)于轉(zhuǎn)基因食品致敏性的研究[8]。研究人員給大鼠喂養(yǎng)MON 810玉米，沒有誘導(dǎo)Cry1Ab特異性免疫反應(yīng)，也未產(chǎn)生抗Cry1Ab抗體[29]。Cas9（CRISPR）/Cas9系統(tǒng)的廣泛使用使得研究人員關(guān)注Cas9和Cas9基因編碼的肽的免疫原性，在體外模擬胃液中用天然或熱變性Cas9測試消化率，發(fā)現(xiàn)并沒有表現(xiàn)出導(dǎo)致過敏性的免疫原性[30]。

2.4 非期望效應(yīng)評價

對生物育種產(chǎn)品的非期望效應(yīng)評價常采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等非靶向技術(shù)。組學(xué)技術(shù)可以可視化營養(yǎng)或環(huán)境改變時生物體發(fā)生的所有變化，不僅可以用于評估生物育種產(chǎn)品本身，也可以用于受試對象的研究。例如，采用宏基因組技術(shù)探究轉(zhuǎn)基因食品對于動物腸道菌群的影響，Zhang等[31]給SD大鼠喂食非轉(zhuǎn)基因大米及不同水平表達人乳鐵蛋白（hLF）的轉(zhuǎn)基因（GM）大米Lac-3，結(jié)果表明喂養(yǎng)70%表達hLF的轉(zhuǎn)基因大米的SD大鼠，腸道微生物群結(jié)構(gòu)略有變化，喂食不同hLF表達水平轉(zhuǎn)基因大米的SD大鼠腸道微生物群多樣性沒有顯著差異。此外，生物育種產(chǎn)品是否會發(fā)生基因水平轉(zhuǎn)移也是關(guān)注的焦點。趙志輝等[32]在分析轉(zhuǎn)基因抗草甘膦大豆對大鼠內(nèi)源和外源基因遺傳轉(zhuǎn)化及其生理代謝的影響時，用轉(zhuǎn)基因大豆粉喂養(yǎng)大鼠，在大鼠的血液、組織和器官中均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)源和外源基因片段，喂養(yǎng)轉(zhuǎn)基因大豆與給予普通維持飼料的大鼠體重和血清方面無顯著性差異。

3 新技術(shù)新產(chǎn)品的安全性評價

3.1 重組酶制劑

酶制劑是指應(yīng)用化學(xué)或物理方法，將酶進行分離提純、加工、修飾，制成的具有催化活性的生物制品[33]。1969年第一例轉(zhuǎn)基因微生物問世，1989年第一例轉(zhuǎn)基因微生物酶制劑獲得批準。如今食品行業(yè)利用轉(zhuǎn)基因微生物發(fā)酵生產(chǎn)獲得食品配料和食品添加劑已成為主要趨勢。通過發(fā)酵法生產(chǎn)的食品配料和食品添加劑，有近80%以上來自轉(zhuǎn)基因微生物。隨著合成生物技術(shù)的發(fā)展，未來會有越來越多的食品原料轉(zhuǎn)為微生物生產(chǎn)。對食品酶制劑的安全性評價主要采取毒理學(xué)研究，包括遺傳毒性試驗、小鼠經(jīng)口急性毒性試驗和大鼠90 d經(jīng)口毒性研究，此外還需要進行致敏性研究和飲食暴露評估，通過以上試驗檢測指標后，方能證明某種食品酶制劑是安全的。歐洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）于2022年10月通過毒理學(xué)、致敏性評價，批準1項轉(zhuǎn)基因黑曲霉菌株產(chǎn)生的食品酶β-半乳糖苷酶的安全性評估，該食品酶主要用于加工乳清。EFSA食品接觸材料、酶和加工助劑專家組（food contact materials, enzymes and processing aids，CEP）認為，盡管在預(yù)定使用條件下不能排除飲食暴露引起的致敏性風(fēng)險，但這種可能性很低。因此CEP得出結(jié)論，該食品酶在預(yù)定條件下不會引起安全問題[34]。

3.2 RNA干擾

RNA干擾（RNAi）是指在進化過程中高度保守的、由雙鏈RNA誘發(fā)的、同源mRNA高效特異性降解的現(xiàn)象。RNAi在自然界中廣泛存在，利用內(nèi)源性siRNA在真菌、昆蟲、植物和動物等生物中調(diào)節(jié)目的基因的表達非常普遍。沒有研究表明生物技術(shù)食品中存在的siRNA對人類健康構(gòu)成威脅。研究人員廣泛審查了與食物一起攝入的dsRNA的安全性，描述了dsRNA，siRNA和miRNA對人類和動物健康的危害[35-37]。沒有證據(jù)表明攝入RNAi食品會對人體產(chǎn)生不良反應(yīng)，此類食物口服攝取率低，并且有許多胃腸道障礙,因此不會造成危害[38]。此外，已經(jīng)有食用RNA作為食物的歷史，而攝入食物本身不會產(chǎn)生已知的不良反應(yīng)，28 d口服毒性研究進一步支持了飲食dsRNA食物不會引起腸道吸收和不良反應(yīng)的這一發(fā)現(xiàn)[39]。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因作物的食用安全性評價相比，RNAi轉(zhuǎn)基因作物沒有新型外源蛋白的表達，因此，蛋白質(zhì)層面上的食用安全性可以不再作為重點評價對象，但是仍需關(guān)注RNA干擾目標基因后可能對生物體帶來的非預(yù)期的影響。

3.3 基因編輯

基因編輯技術(shù)由于其對特定位點的定向編輯功能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于基因功能研究和作物育種，并開發(fā)出了作物新品種。傳統(tǒng)的基因編輯技術(shù)是將外源DNA片段插入受體的基因組中，改善基因功能，進而使受體表達優(yōu)良的性狀，獲得人類需要的品種。隨著分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)對生物體基因組精確編輯的多種基因編輯技術(shù)相繼出現(xiàn)，能如利用核酸酶使生物體內(nèi)的DNA雙鏈斷裂，以非同源末端連接或同源重組的方式對基因組DNA特定位點進行突變、缺失或者基因的插入與替換[40]。美國是最早對食品進行基因編輯的國家，于2015年批準了基因編輯的蘑菇。隨后，美國和各國科學(xué)家實現(xiàn)了各類食物的基因編輯，如基因編輯的水稻、魚類等。我國已利用基因組編輯技術(shù)研發(fā)了一系列的水稻、小麥和動物等新品系，2014年中國科學(xué)院遺傳發(fā)育研究所高彩霞團隊和微生物研究所邱金龍團隊合作，利用基因組編輯技術(shù)，定向突變了小麥的感病基因MLO，獲得了對白粉病具有廣譜持久抗性的小麥品種[41]；2022年該團隊闡明了小麥新型mlo突變體的分子機制，表明其具有抗病性并能夠高產(chǎn)，而且能夠利用基因組編輯技術(shù)快速獲得具有廣譜抗白粉病的新型小麥優(yōu)勢品種[42]。如今基因編輯技術(shù)已經(jīng)在動植物基因功能、育種等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，各國對于基因編輯產(chǎn)品的安全性評價和管理主要采取“個案分析”的原則：①如果有新的外源DNA插入，則該產(chǎn)品仍將被認為是轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進行管理，②如果新品種中無外源遺傳物質(zhì)且與傳統(tǒng)育種得到的作物相似，則可以簡化管理[43]?；诖?，我國于2022年出臺了《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南（試行）》。

3.4 合成生物學(xué)

與轉(zhuǎn)基因食品、基因編輯食品相似的合成生物學(xué)食品也屬于高新生物技術(shù)在食品生產(chǎn)加工業(yè)上的應(yīng)用產(chǎn)物。合成生物學(xué)是一個新興的研究領(lǐng)域，它將分子生物學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科知識與實踐結(jié)合在一起，對生命體進行遺傳學(xué)設(shè)計和改造，從而使細胞和生物體具有特定的生物功能，使其在能源、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮價值。合成生物學(xué)食品是將合成生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用到食品制造的各個環(huán)節(jié)中得到的可食用的物質(zhì)，例如利用重組大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)的母乳中含量最豐富的寡聚糖2’-巖藻糖基乳糖（2’-FL)，目前國外已經(jīng)將其應(yīng)用于嬰幼兒乳粉的配方中[44]。

4 展望

由于有一些對生物育種作物負面影響的個案報道，使人們對轉(zhuǎn)基因作物的環(huán)境和食用安全性產(chǎn)生了極大的擔(dān)憂[45]。陳君石院士提到“對于人的消化系統(tǒng)來說，它不區(qū)別是不是轉(zhuǎn)基因食品，所有蛋白質(zhì)進入人體都一樣進行消化吸收，至于它是什么基因，并不會影響人的基因，不必因此為轉(zhuǎn)基因食品的安全性擔(dān)憂?！?/p>

美國對生物技術(shù)食品持積極支持的態(tài)度；歐盟采用“預(yù)防原則”作為管理生物技術(shù)食品的基礎(chǔ)[46]；我國政府高度關(guān)注現(xiàn)代生物技術(shù)，支持和鼓勵生物育種產(chǎn)品的研究。由于管理更加標準化、法制化和嚴格全面的科學(xué)評價，迄今為止很少有食品和環(huán)境安全事件被科學(xué)地記錄下來。生物技術(shù)在促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收、改善生態(tài)環(huán)境等方面的經(jīng)濟、社會效益已非常明顯。國際衛(wèi)生組織、聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織和許多主要的國際學(xué)術(shù)機構(gòu)都指出，生物技術(shù)的食物安全風(fēng)險是可以有效控制的，經(jīng)過科學(xué)評估和批準合規(guī)的生物育種作物與非生物育種作物一樣安全。實踐證明，生物技術(shù)育種的廣泛應(yīng)用已是大勢所趨。綜上，一方面要不斷有新的生物技術(shù)應(yīng)用于食品中；另一方面，我們應(yīng)當及時完善生物育種產(chǎn)品食用安全評價方法和標準體系，為我國生物育種食品提供安全保障。