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    轉基因木瓜的由來

    2015-10-12 09:44 | 作者: 許東林 | 標簽: 轉基因木瓜


    木瓜感染環斑病毒后,僅從賣相就不會受到消費者歡迎。圖ucanr.org
     

    為何植物抗病毒必須轉基因?

    農作物在生長過程中會受到多種有害生物的侵害。大部分植物病蟲害主要靠化學農藥來防治,農藥可以有效地殺死農作物害蟲、雜草和植物病原真菌、細菌、線蟲,但對植物病毒不起作用。

    病毒侵入動、植物體內之后,利用宿主細胞里的資源,大量復制自己的基因組并制造新的蛋白質外殼,再組裝起來,就形成了許多新一代的病毒顆粒,然后去感染宿主更多的細胞和器官。由于化學藥物通常無法抑制病毒在宿主體內的復制、增殖,幾乎所有由病毒引起的人類或動物疾病都沒有特效藥可治(“達菲”能治流感是極少數的例外),只能靠免疫系統產生抗體來對付病毒,如果能成功地把病毒清除掉,病就好了(如普通感冒)。然而植物不具備像人類和動物那樣的免疫系統,不能產生抗體來消滅病毒,這就使得植物病毒病非常難以防治。

    篩選和培育抗性品種是防治農作物病蟲害的另一有效方法。一些作物的某些品種或它們的親屬野生物種可能具有抗蟲、抗病基因,把普通栽培品種和它們進行雜交,就有可能獲得抗性基因。數十年來人們獲得了許多抗蟲、抗病的農作物雜交品種。但是,并非對于每一種病蟲害,自然界都存在相應的抗性植物可為雜交育種所用,即使能找到抗性材料,育成一個抗性品種也需要大量的試驗、篩選工作,往往耗時十年之久,十分繁瑣。而且對植物病毒來說,它們變異速度很快,非常容易突變出能克服植物抗病毒基因的新毒株,使雜交育種之效化為烏有。

    轉基因抗病毒育種是防治植物病毒最有效的方法。要抗哪種病毒,就給植物轉入一個該病毒的基因。那么病毒基因跑到植物體內后是如何把病毒自身殺死的呢?轉基因植物對病毒的抗性,同對害蟲、病菌的抗性機理完全不同。我們知道,把某種毒性較弱的病毒株系(或經過失活處理的病毒)也就是疫苗注射到人或動物體內之后,病毒的外殼蛋白可誘導免疫系統產生相應的抗體,等下次遇到這種病毒入侵時,抗體就能跟病毒發生免疫反應,使其失去活力。類似的做法是否也能使植物獲得對病毒的抗性呢?

    早在上世紀20年代末,人們就發現接種了弱毒株病毒之后的植物確實能對同種病毒的強毒株產生抗性,這被稱為“交叉保護”現象。許多植物病毒的弱毒株都可以誘導產生交叉保護現象,但植物并不具備像人或動物那樣的免疫系統,人們也從未在植物體內發現過針對病毒的抗體,盡管交叉保護現象跟人或動物注射疫苗后對病毒產生的抗性很相像,二者的機制應該是大不相同的。上世紀七八十年代,科學家們提出過幾種假說,試圖解釋交叉保護的機制。例如其中一種假說認為,給植物接種弱毒株后,病毒在自我復制時合成出大量外殼蛋白,而隨后侵入的強毒株病毒在自我復制前要先把它的核酸從其外殼蛋白中釋放出來,但剛一釋放出來就被弱毒株的外殼蛋白重新包裹起來,從而無法成功復制。這些假說都未能得到證實,關于交叉保護機制更加可靠的解釋,要等到新舊世紀之交才被人們所知。

    在“知其然而不知其所以然”的年代,人們利用交叉保護現象對一些植物病毒進行防治,取得了不錯的效果。但是,對于大量種植(例如幾十萬株)的作物來說,為了防治病毒,就要對所有的植株逐一進行弱毒株接種,這顯然是一項無法完成的工作。另外,并不是每一種植物病毒都存在毒性強弱有別的多個株系,如果某種病毒恰好沒有弱毒株,這個辦法就行不通了。

    轉基因木瓜緣何產生?

    于是轉基因技術就成為必然選擇。把病毒的外殼蛋白基因轉到植物體內,可以得到跟交叉保護相似的效果:對轉基因植株接種同一種病毒并不能使其發病,植株體內也檢測不到病毒。1986年,人們把煙草花葉病毒的外殼蛋白基因轉入煙草,獲得了世界上第一例抗病毒轉基因植物。

    其后20多年里,科學家們對幾十種植物病毒進行了試驗,證實向植物轉入病毒基因是行之有效的抗病毒育種途徑。目前世界上已被獲準商品化種植的抗病毒轉基因作物有木瓜、馬鈴薯(美國育成,2001年因銷路不佳不再銷售)、葫蘆瓜(美國育成,轉基因所占比例13%)等。中國也培育出了多種抗病毒轉基因作物,但目前僅有2種(辣椒、木瓜)獲得農業轉基因生物安全證書(已獲得安全證書的轉基因作物在中國僅有7種),且只有轉基因木瓜在廣東省被商品化種植。

    木瓜又叫番木瓜,有“嶺南佳果”的美譽。1948年,人們在美國夏威夷發現了一種侵害木瓜的植物病毒,即番木瓜環斑病毒(PRSV)。隨后幾十年里,該病毒在世界多個木瓜產地均有發生,包括在中國南方多個省份廣泛流行,嚴重時可導致木瓜減產八九成,成為木瓜產業的主要限制因素。

    好在科學家們及時地培育出了抗番木瓜環斑病毒的轉基因木瓜。1990年,首個轉番木瓜環斑病毒外殼蛋白基因的木瓜品系誕生,1992年人們在夏威夷開發出兩個轉基因品種“日出”和“彩虹”,它們在1998年被批準商業化種植,直接挽救了美國的木瓜產業。美國轉基因木瓜2003年被加拿大、2010被日本批準進口,2011年底被日本批準種植,此外在泰國也得到了推廣種植。

    番木瓜環斑病毒是一種變異性很強的RNA病毒,在全世界共有幾十個毒株,不同地區的毒株之間在感染木瓜的能力上存在較大差異。夏威夷的轉基因木瓜品種對當地的番木瓜環斑病毒毒株有很高的抗性,但對其他地區的毒株抗性不高甚至沒有抗性。為此,中國科學家自主研發了能夠抵抗國內毒株的轉基因木瓜。

    中國的木瓜產地在華南地區,而華南地區有4個番木瓜環斑病毒毒株,其中“黃點花葉”株是優勢毒株(80%以上的發病木瓜攜帶這個毒株)。華南農業大學的科研人員將這個毒株的復制酶基因轉入木瓜體內,培育出了“華農1號”。該品種不僅高抗“黃點花葉”株,對華南地區其他幾個次要毒株也具有很好的抗性。“華農1號”在2006年獲得中國農業部頒發的安全性證書,可在廣東省生產應用。此后得以大規模種植,產生了巨大的經濟效益,深受瓜農喜愛。目前國內市場上銷售的木瓜基本上都是轉基因品種(包括從美國進口的轉基因品種)。

    為什么“華農1號”的研究者選擇轉入番木瓜環斑病毒的復制酶基因,而不是跟別的抗病毒作物、甚至夏威夷的轉基因木瓜一樣,也轉入病毒的外殼蛋白基因呢?一個原因是人們發現轉外殼蛋白基因的木瓜對病毒的抗性還不夠強,另一個原因是出于對一種潛在風險的考慮。許多植物病毒可以由昆蟲進行傳播,番木瓜環斑病毒可由蚜蟲傳播。蚜蟲在含有病毒的木瓜樹上吸食汁液時,番木瓜環斑病毒通過外殼蛋白依附在蚜蟲的刺針上,然后蚜蟲再去吸食下一棵木瓜,就把病毒傳過去了。有些植物病毒由于其外殼蛋白不能跟蚜蟲的刺針結合,因此沒有蚜傳特性??茖W家們擔心,如果轉外殼蛋白基因的木瓜植株里恰好有另一種不具有蚜傳性的病毒,那么后者的核酸會不會被番木瓜環斑病毒的外殼蛋白包裹起來,從而變成一種可以被蚜蟲傳播的、更容易流行的“新”病毒呢?因此,如果轉入的不是外殼蛋白基因,而是病毒別的基因,顯然就能避免這種潛在的“張冠李戴”可能。

    值得指出的是,目前人們從沒發現轉外殼蛋白基因導致植物病毒的“張冠李戴”真正發生過。這也說明科學家們對轉基因作物的研發是非常謹慎的,他們會事先考慮各種可能的不良后果,并加以避免。

    “華農1號”是否安全?

    “華農1號”上市之前,各種常規的安全性評價實驗更是少不了。人們首先把番木瓜環斑病毒的復制酶蛋白序列跟目前已知的8類過敏源(分別來自花生、大豆、堅果、小麥、牛奶、雞蛋、魚類和貝類)的蛋白序列進行比較,并未發現相似性,由此判斷番木瓜環斑病毒復制酶蛋白并不屬于已知的過敏源。

    接著通過基因工程技術把這個復制酶基因轉入細菌體內(這也是一種“轉基因”),讓細菌大量制造復制酶蛋白,再提取出來,用人工模擬的人類胃液(含有胃蛋白酶,強酸性環境)和腸液(含有胰蛋白酶,弱堿性環境)進行模擬消化實驗。結果顯示番木瓜環斑病毒的復制酶蛋白在腸液、胃液中被消化15秒鐘之后就失去了活性,說明人體可正常消化轉基因蛋白。最后,由于木瓜本身含有一種名叫芐基異硫氰酯的天然毒素,人們比較了這種毒素在轉基因和非轉基因木瓜體內的含量,發現轉基因木瓜并不比非轉基因木瓜含有更多的毒素——這叫“實質等同性”。上述這些試驗證明了食用轉基因木瓜是安全的。

    事實上,在轉基因木瓜誕生之前,人們已長期食用過被番木瓜環斑病毒侵害的木瓜,等于把整個病毒都吃進去了,卻從來沒有因此出現過健康問題。須知這種病毒一共有10個基因,會制造出10個病毒蛋白,而轉基因木瓜只制造一個病毒蛋白(外殼蛋白或復制酶蛋白),如果轉基因木瓜不安全,那么非轉基因木瓜豈非十倍地更不安全?

    轉基因木瓜中除了含有番木瓜環斑病毒的復制酶基因,還含有一同轉進去的一些別的成分,包括35S啟動子、NOS終止子和卡那霉素抗性基因。其中前二者是使轉入的基因得以表達的零件,其本身并不產生蛋白質產物;后者可使轉基因植株獲得對卡那霉素的抗性,以便人們用這種抗生素把沒能轉入基因的植株殺死,把轉入成功的植株篩選出來。許多轉基因作物都含有這個基因。

    有人擔心,轉基因作物中的卡那霉素抗性基因會不會在環境中擴散,讓別的生物尤其是細菌因此獲得抗藥性,或者人食用了轉基因作物后,會不會把這個基因“轉”給腸道里的細菌,使其產生耐藥性?卡那霉素抗性基因本來就來自細菌,它廣泛地天然存在于自然界,因此轉基因作物并不會在這方面給大自然“添亂”,而目前也從未發現過人的腸道內細菌被“轉”入這個基因。歐盟食品安全局2010年曾做過一個評估,結論是轉基因作物中的卡那霉素抗性基因對人與動物的健康、對環境沒有風險。

    基因沉默是轉基因抗病毒實質

    就在美國和中國相繼研發出轉基因木瓜的十幾年里,生命科學、分子生物學的一項重大發現使人們對植物轉基因抗病毒的具體機制終于有了比較清楚的了解。

    1990年,美國科學家喬根森研究矮牽?;〞r,希望使它的花色變得更深,就把一個查爾酮合成酶基因轉入矮牽牛中。矮牽牛本來含有一個查爾酮合成酶基因,它能合成花青素,使牽?;ǔ首仙?。喬根森原本以為,轉基因矮牽牛既然擁有兩個查爾酮合成酶基因,就會加倍制造花青素,使花色更深。但結果卻出乎他的意料,轉基因矮牽牛的花色不僅沒有加深,反而變成了白色。顯然,轉進去的和矮牽牛原有的查爾酮合成酶基因都沒有得到表達,而是“共同沉默”了。

    隨后科學家們在真菌、線蟲、昆蟲等許多物種體內也發現了“基因沉默”現象。1998年,美國科學家安德魯•菲爾和克萊格•梅洛以線蟲為研究材料,發現如果把跟線蟲某個基因的序列具有相似性的雙鏈RNA分子注射到線蟲體內,就會導致那個線蟲基因被“沉默”掉。人們很快發現這一被稱為“RNA干擾”的過程具有普遍性,即動、植物體內的“基因沉默”過程都有雙鏈RNA分子參與。這兩位科學家因此獲得2006年諾貝爾生理及醫學獎。

    一般而言,生物基因首先以DNA序列為藍本,合成一條信息RNA即mRNA(該過程叫“轉錄”),然后根據mRNA上的信息來合成一條氨基酸肽鏈(這叫“翻譯”),后者再構成蛋白質,行使相應的生命功能。至此,一個基因就得到了“表達”??茖W家們發現,上文說到的生物體內的“基因沉默”現象,其原因是生物基因被轉錄成mRNA之后,mRNA在被翻譯成蛋白質之前就先被降解了。因此應該把這種現象更準確地叫做“轉錄后的基因沉默”。那么,為什么會有這種機制呢?

    一個生物體經常會被病毒等病原物入侵,病原物的基因對生物體來說屬于外來核酸,而外來核酸(DNA或RNA)一旦進入細胞,就有可能對生物自身的基因造成破壞,影響其生存。于是自然選擇的壓力使得生物在漫長的歲月中進化出了一套抵御外來核酸入侵的自我保護機制,這就是轉錄后的基因沉默。外來核酸侵入細胞后,會在復制過程中形成雙鏈RNA分子,后者可激活宿主體內的轉錄后的基因沉默機制,把外來核酸的mRNA降解掉,從而保護了宿主基因的安全。轉錄后的基因沉默有時也被稱為“核酸水平上的免疫機制”。

    既然生物普遍擁有這一自我保護機制,為什么人類和動植物還是會被許多病毒成功入侵,而罹患各種病毒病呢?那是因為該機制反過來對病毒形成了選擇壓力,病毒為了生存,也進化出了對付轉錄后的基因沉默的本領??茖W家們發現許多病毒合成的一些病毒蛋白可以破壞轉錄后的基因沉默過程,從而使病毒得以在宿主體內存活、復制。例如番木瓜環斑病毒的10個蛋白中,有一個就是用于抑制轉錄后基因沉默機制。

    培育轉基因抗病毒植物,實際上就是人類在植物大戰病毒的戰場上助其一臂之力。轉基因對植物來說也是外來核酸,同樣可以激活植物的轉錄后基因沉默機制(這一激活發生在病毒入侵之前,使病毒來不及去抑制轉錄后的基因沉默過程),導致轉基因跟入侵病毒的同一基因發生“共同沉默”。至此,人們明白了交叉保護現象產生的機制其實就是植物的轉錄后的基因沉默——接種弱毒株病毒跟轉病毒基因作用相同。

    人們用番木瓜環斑病毒接種到轉復制酶基因的木瓜上,發現木瓜中復制酶基因的mRNA含量果然比借種病毒之前大幅度下降,證實了轉錄后的基因沉默正是轉基因抗病毒的分子生物學機理。這一抗病機理依賴于轉基因和病毒基因之間的同源性,病毒只有產生了很大的變異才有可能突破轉基因植物的抗性。

    作者許東林為華南農業大學植物病理學博士生。

    來源:基因農業網

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