第一节
利用转基因技术改良生物遗传性状

一、转基因生物

所谓的转基因生物是指在生物自身基因组中带有用转基因技术插入或整合入的外源基因，生物个体能将它遗传给后代，并表达出该基因的生物活性物质，从而使受体生物获得新的性状。在这里我们只讲转基因动物和基因植物。

（一）转基因动物

转基因动物技术始于20世纪80年代初，它对新基因功能鉴定、人类疾病动物模型建立、发育中时空调控机制研究以及用转基因动物作为生产生化药物反应器方面都有重要应用前景。80年代初制作转基因动物最常用、最成功的方法，是将外源DNA直接注射入受精卵中。小鼠等啮齿类动物的卵由于比较透明，外源DNA容易注入，因此成功率高达20％。1982年美国哈佛大学的一个科学家小组，将大鼠的生长激素（rGH）基因与小鼠的金属硫蛋白（MT）基因的启动子顺序连接，再引入质粒中。科学家把这种重组的质粒直接注射入小鼠受精卵中，经过充分发育后终于分娩出了21只小鼠，其中有7只带有融合基因，6只生长迅速，每只体重平均可达44g，超过同窝无融合基因小鼠（平均体重29g）的1.5倍，这就是闻名于世的转基因小鼠或称巨型小鼠（图4-1）。在这种转基因小鼠的肝脏中也能分泌生长激素，而血中生长激素的含量竟比一般小鼠高800倍。由于金属硫蛋白是一种可被Zn ^2＋ 等金属离子诱导的蛋白质，所以只要饮水中加入Zn ^2＋ 等即能大大提高大鼠生长激素基因的表达水平。1988年科学家把牛生长激素基因插入到大鼠烯醇式丙酮酸羧化酶调控区。然后再转入小鼠受精卵中，同样也做出了巨型小鼠。有人改用人的生长激素做也同样获得成功。科学家曾想利用制作巨型小鼠技术，培育巨型猪、牛、羊等家畜，然而令人遗憾的是这一类实验都难以实现。现在科学家做转基因家畜主要是集中在改良营养质量等方面，以改善畜牧业生产。中国科学家在转基因动物研究方面也做了很多工作，已做成功了转基因猪、牛、鲤鱼、鲫鱼、鸡等。

近十几年，科学家也曾试验以体外培养的胚胎干细胞（ES）作为桥梁，将外源DNA转移入ES细胞，然后再将转化的ES细胞核移植入去核的卵中，以产生转基因动物；或者将转化ES细胞通过聚合方法，或将转化ES细胞直接注射入囊胚腔中，以产生出嵌合体（具有两个细胞系）。在嵌合体中转化的ES细胞可分化发育为全能的生殖细胞，最后再通过杂交繁育得到转基因动物（图4-2）。

（二）转基因植物

1982年转基因小鼠就已获得成功，但是到1983年世界上才诞生了第一株转基因植物。然而，转基因植物却后来者居上，大量的转基因植物已在实验室里研究成功，更重要的是有不少重要的转基因农作物已经进行了大规模的商品化生产，从20世纪90年代中期开始陆续地走上人们的餐桌。

转基因植物的研究和应用之所以能跑到动物前面，这与植物所具有的特征密切相关：

1．植物细胞具有全能性。一个植物的体细胞，通过离体培养后，可以再生成一株完整的可育的植物。

2．植物可产生大量的子代，出现突变体几率比较大，而且即使是只有少量突变体也容易被检出，这样非常有利于遗传分析和选择。

3．许多植物可以进行自花授粉，为分离各种基因型，以及对这些基因型进行遗传分析提供了方便的条件。

4．相对于动物而言，植物的生长周期比较短，尤其是草本植物更是如此，这样就使实验在短期内容易见到效果。当然，植物材料中存在着诸如基因组往往比较大，其中含有许多功能不清的冗余的DNA等不利因素，但是经过20年努力，研究人员已经在转基因植物研究和应用中取得了辉煌的成就。

转基因植物制作要经过目的基因分离与克隆、基因转化、转化细胞的组织培养和植株再生、外源基因检测等复杂的步骤。基因转化可用土壤农杆菌携带重组基因转化法、基因枪转化技术、基因注射法和病毒感染等方法，并且都已经成功地制作出转基因植物。土壤农杆菌的Ti质粒常作为载体，将外源基因转移入受体细胞，其转化效率很高；转化后再经过选择、培养，转化细胞就可能成长为一株完整的转基因植株（图4-3）。目前科学家多用草本植物做转基因植物，而用木本植物做转基因就比较困难，原因尚不清楚。

二、解决饥饿和贫困不可或缺的技术

用转基因技术改良农作物，是继20世纪50～60年代绿色革命以来，又一次农业革命的浪潮。现在，转基因技术已经成了解决饥饿和贫困不可或缺的技术。

全世界粮食的生产总是在艰难地追赶着激剧增长的人口。目前，世界上至少有8.56亿人口正在遭受饥饿的折磨，相当于地球上每6个人当中就有1个人缺粮。而当前全世界储备的粮食仅够维持全球人口6个星期的生活。尤其在非洲，由于连年干旱和战乱，每年至少有2 000万人急需粮食援助。在南亚、中亚、远东以及拉丁美洲不少需要紧急粮食援助的国家也是经常榜上有名。发展中国家为了能在有限的耕地上生产出更多的粮食，依赖化肥和化学农药的程度越来越高。过量施用化学农药和化肥所造成的环境污染和耕地、水质的破坏，用传统的手段难以去除，它已经成了各国政府非常头痛的问题。同时，食物和饮用水中农药的残留量居高不下，并由此带来了种种疾病，这样又进一步加剧了贫困和饥饿，世界上数以亿计不幸的人们就是在这样恶性循环中苦苦挣扎。当然，也有人不同意这种看法，因为他们认为现在全球粮食总产量足够全世界人民消费，只不过世界贫富不均，富国粮食吃不完大量浪费掉，而穷国又没有饭吃，结果造成了世界粮食严重不足的假相。但是要记住，世界财富分配从来就是不均的，穷人不可能永远依靠别人施舍过日子，惟有通过提高本国或本地区的生产力才是最可行的办法。联合国曾规定，发达国家每年要拿出国民生产总值的0.7％的钱来帮助贫困的国家，可是主要的发达国家对外援助从来就没有达到这个数字。

（1）用限制性内切酶将土壤农杆菌Ti质粒的T DNA片断切下，并克隆到pBR322中；（2）将目的基因插入到T DNA的非必需区域；（3）将杂化质粒和含有正常Ti质粒的土农杆菌混合；（4）两种质粒的T DNA发生同源重组，结果带有目的基因的T DNA转移到Ti质粒中，并取代正常的T DNA；（5）用带有插入目的基因的Ti质粒的土壤农杆菌感染植物细胞；（6）植物愈伤组织培养；（7）分化苗；（8）转基因植物；（9）目的基因整合到转基因植物细胞的染色体上。

20世纪70年代以来，科学家发现使用转基因技术改良农作物是解决全球不断增长的人口吃饭问题的一条十分有效的途径。由于转基因农作物提高了自我保护能力，能在少用化学杀虫剂条件下生长，因此转基因农作物增产幅度竟可高达20％左右；同时它又可使生态环境受到有效保护。种植转基因农作物的农民，经济收入之所以能得到明显增加，要么靠产量提高，要么就是靠降低成本，或是两者兼有所之。比如转苏云金芽孢杆菌（Bt）毒蛋白基因抗棉铃虫的棉花就受到各国农民的青睐。这种抗棉铃虫转基因棉最大的优点是明显地减少杀虫剂使用量。据报道，世界上种植这种棉花的农民，杀虫剂使用量可以减少50％，而我国报道可减少70％；并且还保护了水质，保护了土壤；调查还表明转基因农作物肥料利用率也得到明显提高，促进了土地的保护性耕作。这样就有可能使世界农产品的生产走出怪圈，步入良性循环，从而解决世界上的饥饿和贫困。

三、转基因农作物前景诱人

自从1983年世界上诞生了第一株转基因植物以来，许多国家都陆续地投入了大量人力、物力和财力，竞相开发、研究之。目前世界上已有百余种转基因植物问世，尤其重要的是已有水稻、玉米、棉花、大豆、油菜、烟草、甜菜、亚麻、南瓜、马铃薯、番茄、西葫芦、番木瓜、菊苣等10余种、上百个品种的转基因农作物已获准进入商品化生产。进入21世纪，水稻等农作物基因图谱相继绘制完成，它将使人类能更有目的地、更有效地对农作物进行改造。

（一）抗虫害农作物

抗虫害的农作物是人们竞相开发的重要领域。现在科学家把能编码杀虫活性物质的基因转移入植物细胞后，基因表达的产物可以通过破坏害虫消化道，或抑制害虫生长发育，或者直接杀死的途径达到杀灭害虫的目的。最常用的、使用最成功的是Bt基因，鳞翅目、鞘翅目昆虫的幼虫，一旦食用了含有该基因表达产物的叶片后，进入幼虫消化道的Bt毒蛋白在碱性条件下，便可裂解为活性多肽并造成幼虫消化道损伤，最终导致幼虫死亡。Bt毒蛋白对人、畜等高等哺乳动物却是安全的、无害的。可是，Bt毒蛋白基因中的密码子是细菌所“偏爱”的，这就使得它在植物中表达量很低，科学家对它进行改造后，在不改变Bt毒蛋白氨基酸序列的情况下，却能让Bt毒蛋白表达量大增，从而使转Bt基因农作物真正具有抗虫害的能力。此外，供转移的抗虫害的基因还有蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物外源凝集素类基因和昆虫特异性神经毒素基因，这些基因表达的产物都具有相当高的杀虫活性和害虫的针对性，同时对人和哺乳动物又不构成危害。据报道，目前已有转Bt毒蛋白基因的多种农作物进入商品化生产。1999年全球转抗虫基因农作物种植面积近1 180万公顷。

（二）抗病毒农作物

抗病毒农作物的研究也取得了明显进展。1986年科学家将烟草花叶病病毒外壳蛋白基因转移入烟草后，人类便获得了第一种抗病毒转基因植物。病毒外壳蛋白基因导入宿主细胞后，可以产生出该病毒的外壳蛋白，诱导转基因植物对相应的或相近的病毒产生抗性。此外，作为转移用的抗病毒基因还有干扰病毒感染的复制酶基因，干扰病毒扩散和转移的、编码失去活性的病毒移动蛋白基因，抑制病毒基因复制、剪接和表达的反义序列，核酶基因等。目前已有一些抗病毒农作物回归大自然，进行大面积的种植生产，比如中国的转抗病毒基因烟草、西红柿和甜椒；美国的转抗病毒基因马铃薯、西葫芦、番木瓜等。1999年全球种植抗病毒农作物面积有近10万公顷。

（三）抗除草剂农作物

把抗除草剂基因转移入农作物中，使农作物获得抗除草剂能力。这时若施用除草剂，就可以有选择地除掉杂草，而农作物却可以免受伤害。所谓的抗除草剂基因是指能抑制转基因农作物体内某一种酶，从而对某一种除草剂产生耐受性的基因。这些基因有的来自土壤微生物，有的来自异种植物。所针对的除草剂有草甘膦、草丁膦、溴苯腈、磺酰脲以及咪唑啉酮类除草剂。抗除草剂基因有时还与抗虫基因联合使用。目前，已有水稻、玉米、棉花、大豆、油菜、甜菜等抗除草剂农作物进入商品化生产。1999年全世界抗除草剂农作物种植面积约为3 100万公顷，约占转基因农作物总种植面积的78％。

（四）抗逆性农作物

培育耐旱涝、耐盐碱、耐低温或高温、耐土壤农药残毒等环境逆境的农作物一直受到科学家关注。这些来自其他生物的抗逆性基因，经过重组后导入农作物中，使它们能在恶劣环境中生长、丰产，这不啻是人类获得足够食物、改良环境的一大福音。当然，由于可供转移的基因少、抗逆机理不明，因此这方面研究及应用进展得不尽理想。今天即使不能完全做到让农作物拥有抗逆境能力，但是只要能培育出在缺水地区或土壤贫瘠的地方正常生长的转基因农作物，那就将是对人类做出了重要的贡献。现在转入农作物的抗逆性基因有由逆境诱导的植物蛋白激酶基因、编码细胞渗透压调节物质的基因、超氧化物歧化酶基因、类黄酮途径相关酶基因、除草剂解毒基因等。比如，科学家将甘油-3-磷酸乙酰转移酶基因转移入植物，通过增加细胞膜的不饱和脂肪酸含量，而获得抗寒性增加的转基因植物；把来自鱼的抗冻蛋白基因，转移入番茄中，使番茄在0℃环境下也不受冻害。目前已获得了耐盐碱的转基因烟草、玉米、水稻等植物；在美国耐土壤农药残毒的转基因亚麻已进入了商品化生产。

（五）改良农作物品质

科学家还利用转基因技术改良农作物的营养品质，比如将编码人体必需氨基酸的DNA片段转移入马铃薯中，在马铃薯块茎的特定贮藏蛋白基因启动子作用下，使之在块茎中得到高效表达，人们希望这种马铃薯的蛋白质和必需氨基酸含量能超过牛肉；将编码含硫氨基酸多的蛋白质基因转入豆科牧草，使该基因在茎叶中高效表达，人们希望吃了这种牧草的奶牛的奶中能含有更多的人体必需氨基酸；目前已知番茄红素有预防前列腺癌的功能，番茄的黄酮醇是有效的抗氧化剂，它可降低患心血管病危险，如把牵牛花中相关基因转移入番茄中，可明显增加番茄黄酮醇含量；通过转基因增加油料植物种子中维生素E的含量，减少植物油中饱和脂肪酸含量；提高水稻中β-胡萝卜素含量生产出金稻米；增加蔬菜中蛋白质含量等研究都取得重要进展。目前农作物品质改良主要集中在贮藏蛋白、淀粉、油脂等含量和组成上。转移的基因有编码广泛氨基酸组成或高含硫氨基酸的种子贮藏蛋白基因、某些蛋白质亚基的基因、支链淀粉酶基因、与脂类合成有关的基因等。目前，在美国经过油脂改良的转基因大豆、油菜已获准进入商品化生产。

四、转基因农作物成为21世纪新兴产业

自从1983年在世界上诞生了第一株转基因植物之后，转基因植物培育出现了蓬勃发展的局面。目前，全球至少已经获得120种转基因植物，所涉及改良的性状包括抗除草剂、抗虫、抗病毒、抗细菌、抗真菌、抗旱、抗盐渍，以及品质改良和生长发育得到调控等。这些改良性状的基因往往是被联合转入农作物，于是就出现了诸如抗虫和抗除草剂基因联合转移的转基因农作物，现在这类农作物种植的面积增长最为显著。

自从1994年美国批准了第一种转基因农作物——延熟西红柿上市以来，至少已有51种转基因植物或农作物被批准上市。现在，全球种植转基因农作物面积还在进一步扩大，销售额也在大幅度提高（表4-1）。据统计，全球种植转基因农作物国家至少已达13个，其中种植面积最大的前四个国家分别是美国、阿根廷、加拿大和中国（表4-2）。在转基因农作物中，以转基因大豆和玉米最多，其次是转基因棉花和油菜。在美国有近五分之一耕地种植转基因农作物，种类近50种，其中转基因玉米占了1/3，转基因大豆占了1/2。

转基因农作物研究、种植正成为一种新兴产业，新的经济增长点，有人预计到2010年转基因农作物及其加工产品市场份额将高达250亿美元。

从20世纪80年代开始，中国就投以巨资支持“转基因植物研究和产业化”项目，随后就出现了一大批有自己知识产权的转基因农作物品种。到2002年中国科学家已克隆了抗虫、抗病毒、抗逆性、品质改良和生长发育调控方面候选基因460多个，申请新基因专利44项。同时，新的基因仍在不断地被克隆出来，比如近年中国科学家又克隆出了一种新的抗除草剂基因，正申请2项专利，等等。中国应用遗传转化技术，已培育成功100多种转基因植物，而且已获准进入自然界释放的植物就有60多种，涉及10种农作物。科学家已做出转基因水稻113个品系，其中84个品系已进入环境释放，2个品系进入示范阶段。抗大豆食心虫的转基因大豆将进入农田；36个新的抗虫自交系，2个抗虫高产优质新组合的转基因玉米，已在6个省组合示范；此外，还培育成功了抗赤霉病小麦、抗白粉病小麦、抗黄矮病小麦、抗白叶枯病水稻、高效抗虫水稻新品种等。而全新性状的农作物还将大量涌现，比如将木醋杆菌纤维合酶操纵子的4个基因转入陆地棉，以期望获得高强度、长纤维的棉花；为了满足高附加值市场需要，通过转基因技术改良或制作具有特殊营养价值的食品和作为饲料的农作物也将大量涌现，它将改变转基因农作物的价值，扩大从种植者到消费者的效益群体。

在中国，获准进行商品化生产的转基因植物有西红柿、棉花、甜椒和矮牵牛四种、30余项内容。其中抗虫棉有12个品种，至2001年已累计推广面积约140万公顷，少用农药30％～70％，增产皮棉1亿公斤，创经济效益50亿元人民币，成绩尤为突出。 ZvieG7+8K5zM2AfpVmnH9gf/LEstfnwiUeLt/HqbN3IKkCKMQsNLf4AcqdWE1pfx