轉基因玉米的應用前景

1、轉基因玉米的應用前景 前言: 隨著轉基因大豆、馬鈴薯、油菜等許多轉基因作物走進人們的生活，轉基因玉米也進入人們的視野。玉米是重要的食物、飼料和工業(yè)原料，種植面積僅次于小麥和水稻，在世界糧食生產中占有重要的地位。玉米蟲害是一個防不勝防的問題,由于蟲害的原因,全中國乃至全世界的范圍的玉米都在減產。轉基因玉米的出現對玉米蟲害防止問題有了新的希望。本文針對轉基因玉米基因的研究，轉基因玉米對蟲害的防止以及轉基因玉米的生物安全性等問題進行分析綜述。主題： 一、轉基因玉米基因的研究 殺蟲蛋白基因Cry1Ab/1Ac的研究 蟲害的主要原因是玉米螟,它可以危害玉米的任何部位,致使玉米減產甚至顆粒無收。玉米螟俗名

2、鉆心蟲,成蟲屬鱗翅目螟蛾科( Lepidoptera Pyralididae ) ，為世界性的蛀食性大害蟲，影響玉米產量和品質的重要因素，世界每年因蟲害造成的損失約占農作物產量的15以上（1）。要 解決 這一棘手問題緊靠化學農藥的使用不僅不能滿足殺蟲的目的，還會給人體和環(huán)境帶來極大的傷害。而在這種背景下產生的轉基因抗蟲玉米則可高效專一控制玉米螟，是防治玉米螟的新途徑（1）。常用的方法是從微生物中分離得到目的基因,然后通過轉基因技術將目的基因（抗蟲基因）導入玉米的細胞(即受體細胞)，再通過篩選得到可以穩(wěn)定表達形狀（即抗蟲）的玉米。玉米是最難轉化的作物之一，這是因為玉米不是土壤 農桿菌的天然寄主，

3、研究初期 轉化困難； 另一方面，由玉米的原生質體懸浮細胞再生可育的植株也比較困難，所以，包括玉米在內的禾本科作物的遺傳轉化工作進展緩慢。直至1993年Michael成功地用基因槍法將Bt(蘇云金芽抱桿菌毒蛋白)基因導入玉米并對轉基因玉米植株在田間進行了抗蟲試驗。Bt是蘇云金芽胞桿菌( Bacillus thuringiensis)的簡稱，是一種革蘭氏陽性土壤芽胞桿菌。該細菌產生的殺蟲蛋白能夠破壞昆蟲腸道內的細胞滲透壓，導致昆蟲死亡。Bt的一個突出特征就是在芽胞形成過程中，產生由蛋白質組成的且具有殺蟲活性的伴胞晶體，人們稱這種蛋白質為-內毒素(-endotoxins)或殺蟲晶體蛋白(insect

4、icidal crystal protein，ICP)，而將編碼這種蛋白的基因統(tǒng)稱為Bt（4）。Bt 基因是第一代抗蟲基因的典型代表，它所表達的蛋白統(tǒng)稱為Cry晶體蛋白，其中Cry1Ab和Cry1Ac基因對玉米螟等鱗翅目害蟲具有專一性毒性（1）。轉基因抗蟲玉米Bt-176就是具有抗鱗翅目尤其是玉米螟等害蟲及耐草銨磷除草劑的特性（2）。 Bt殺蟲晶體蛋白的殺蟲機理 Bt的一個重要特性就是在芽孢形成過程中能產生一系列對昆蟲具有高度特異性毒殺作用的ICP。由Bt編碼的ICP本身沒有生物活性，一般稱為原毒素(pro-toxin)（4）。原毒素被敏感昆蟲攝入后，在中腸的堿性環(huán)境下，被特定的蛋白酶水解成分

5、子量約為4070kD的蛋白，即形成了具有特異殺蟲活性的毒素分子。它可穿過包被的圍食膜(peritrophic membrane)到達中腸上皮柱狀細胞，與刷狀緣膜(brush border membrane)上特異的高親和受體位點進行識別，然后可逆的結合到受體上。在受體的幫助下毒性分子的部分結構迅速而不可逆地插入質膜。ICP含有多個疏水的螺旋和親水親脂的螺旋組成的螺旋束，它們一起插入磷脂雙分子層中，從而使細胞膜上形成孔道；這些孔道允許正、負離子以及一些寡糖如麥芽糖、蔗糖或棉子糖的通過，從而破壞了細胞的離子平衡最終導致細胞的破裂（4）。玉米螟幼蟲食用中Bt轉基因玉米會出現毒癥狀：徐艷聆等的實驗研究

6、發(fā)現：取食對照玉米的亞洲玉米螟幼蟲中腸柱狀細胞頂端微絨毛數量眾多排列緊密,質膜完整,內質網發(fā)達排列整齊,細胞質均勻，而玉米螟幼蟲取食Bt玉米后6 h中腸細胞未發(fā)生明顯變化,取 食12 h后柱狀細 胞 微 絨 毛 首 先 開 始 腫 脹 斷 裂，內 質 網 部 分 開 始 腫 脹,但病變并未引起昆蟲產生中毒癥狀（8）。這說明Bt轉基因玉米可以通過改變玉米螟幼蟲的腸道絨毛的結構，使幼蟲的消化道遭到破壞，引起消化不良，沒有進食的欲望，結果害蟲會拒絕吃食、營養(yǎng)嚴重不良，最終死亡。 轉基因的表達及特點 下表為史曉利、楊益眾、蔡建華、張小麗、施敏娟于2009年11月應用生態(tài)學報上的Bt毒蛋白在轉基因抗蟲玉

7、米中的表達及在亞洲玉米螟中的轉移積累一文中的不同種類的玉米的心葉和雌穗對玉米螟幼蟲的影響（5）。（注：G03-2739、G03-2396為Bt基因抗蟲玉米品系）。由史曉利等人所做實驗的數據可知,轉Bt基因抗蟲玉米品系G03-2739、G03-2396心葉對玉米螟初孵幼蟲(L1)和3齡幼蟲(L3)均表現出較強的抗性，但3齡幼蟲的存活率高于初孵幼蟲。飼喂轉基因玉米的心葉6天后的初孵幼蟲的存活率（幾乎接近于零）明顯低于飼喂轉基因玉米的雌穗6天后的初孵幼蟲的存活率（75%以上），這說明該轉Bt基因的抗蟲玉米系雌穗對玉米螟初孵幼蟲的抗性不及心葉。他們的實驗表明：Bt轉基因如果在玉米中表達成功，用該轉基因

8、的玉米的心葉或者雌穗飼喂玉米螟的幼蟲尤其是初孵幼蟲，初孵幼蟲的存活率都應該下降。如果要比較靈敏的檢測Bt基因是否表達，最好選用該轉基因玉米的心葉飼喂玉米螟的初孵幼蟲，因為心葉的抗性比雌穗的強，結果將會更明顯。 二、轉基因玉米對蟲害的防止的優(yōu)點 新型轉基因玉米可引蟲殺蟲 德國科學家培育出一種轉基因玉米,它可以通過釋放一種吸引線蟲的化學信號從而抵 抗破壞性的根蟲蟲害，而線蟲正是甲蟲幼蟲的天敵（3）。許多植物當受到蟲子攻擊的時候，它們會自然地釋放揮發(fā)性的化學物質 ，幫助吸引能攻擊入侵者的蟲子。但是經過多年的對快速茁壯生長的品種選擇之后，再加上殺蟲劑使用的增加，農作物似乎失去了這種能力。研究人員把一種

9、能吸引線蟲的化學物質合成基因插入到了一種玉米品種中，從而讓它恢復了這種保護手段（3）。如若把這種能力應用到農作物，從而使植物的揮發(fā)性釋放特定化學物質來殺害相應的害蟲，這不僅可能促使農作物（玉米）的有自然的和應激似的防御手段，還可能有助于科學家發(fā)現并應對各種害蟲在生態(tài)上的合理防控策略，進而從根本上徹底解決由于化學農藥對環(huán)境和人類引起的一系列危害提供較大的可能性。 轉基因Bt玉米對瓢蟲無害 ART研究所(位于瑞士蘇黎世)的一項研究表明,轉基因Bt玉米對瓢蟲不會造成危害(6)。這項研究結果反駁了2008年的一項備受批評的研究結果(當時德國政府就是依據這項研究結果,禁止轉基因玉米在國內的種植)。ART

10、的科學家做此項研究時,用紅蜘蛛螨飼喂瓢蟲幼蟲 ,而該紅蜘蛛螨是用MON810、M0N88017兩種轉基因玉米喂養(yǎng)的,這兩種轉基因玉米含有Bt基因表達蛋白Cry1Ab和Cry3Bb1兩種內毒素(6)。研究人員還直接把含有同樣的Bt Cry蛋白質的蔗糖溶液喂養(yǎng)瓢蟲成蟲,但其濃度比Bt轉基因玉米中的量高了約10倍（6）。在這兩種喂養(yǎng)實驗下，都沒有觀察到有害影響。研究人員稱，他們的這一實驗結果與其他研究是一致的，這些研究沒有發(fā)現轉基因Bt玉米對瓢蟲等有益生物的負面影響（研究的詳細成果已經在轉基因研究雜志上發(fā)表）（6）。 他們的研究證明轉基因抗蟲玉米不僅具有殺死害蟲的能力，而且不會對有益昆蟲有不良影響。

11、這就說明人們在使用轉基因抗蟲玉米時不用擔心玉米會殺死幫助玉米的益蟲，比如，瓢蟲、蜜蜂、蝴蝶等。即轉基因玉米不會影響對玉米有益的蟲子，從而也不會進而破壞生態(tài)平衡。美國研究稱一種轉基因玉米抗病蟲能力惠及普通玉米美國研究人員在新一期 科學 雜志上發(fā)表報告稱，在美同中西部廣泛種植的一種轉基因玉米具備的抗病蟲能力也使普通玉米的種植受益，由此減少的經濟損失每年可達數億美元（7）。研究人員表示 ，歐洲玉米螟并不能區(qū)分BT轉基因玉米和普通玉米，因此，雌蟲在兩種玉米地里均可能產卵，產在轉基因玉米上的卵孵化而成的幼蟲一旦以玉米葉為食，便會在24-28h內死亡（7）。如果轉基因玉米抗病蟲能力惠及普通玉米，那么和轉基

12、因抗蟲玉米生長在一起的作物也可能會在一定程度上由于轉基因玉米使玉米螟種群數量減少而獲益?；蚱靼ù怪被蛄骱退交蛄鲀煞N。因為轉基因作物和非轉基因品種的花期和繁殖期重疊、開花習性和傳粉方式相似、花粉的親和性強,因此只要在距離不遠的情況下會很容易產生基因流（10）。 雜草化 所謂“雜草化”是指轉基因通過基因流進入常規(guī)植物、野生近緣種或者性親和的雜草中出現新的雜草型轉基因逃逸后形成的雜草一般可以劃分為逸生型雜草、衰退性雜草和超級雜草（10）。雜草化會增強它們在野外的適合度,以絕對優(yōu)勢競爭過當地其他物種態(tài)學角度考慮，雜草化的可能性亦不容忽視。 策略： 與轉基因作物花期相同的作物與之隔離、物理屏

13、障（如套袋）、利用母性遺傳、雄性不育、種子不育、閉花受精等方法防止基因漂流。轉基因玉米作為食品要考到過敏性和毒性問題 過敏性：過敏是一種變態(tài)的免疫反應，嚴重時不及時救助會致死。轉基因食品可能由于所轉基因編碼已知的過敏蛋白;轉入蛋白與已知的過敏蛋白氨基酸序列在免疫學上有明顯的同源性等原因而引起過敏（11）。 毒性：在轉基因食品中有些基因的沉默途徑可能被激活而產生毒素,低水平的毒素可能在新變種中大量表達傳統(tǒng)食品沒有的毒素也可能因此產生（11）。 策略：轉基因玉米市場化之前要對其作為食品可能存在的過敏性和毒性進行實驗及臨床實驗，有過敏性和毒性的堅決拒絕市場化。2.轉基因作物對非靶生物的影響 所謂對非

14、靶生物的影響即轉基因作物所產生的殺蟲物質，周圍環(huán)境中“友好”生物(非靶生物)的負面影響（9）。但是目前已商品化應用的抗蟲轉基因作物產生的殺蟲物質都是具有高度特異性的蛋白,其中還沒有對非靶性生物有大的負面影響的報道;另外這些蛋白在陽光下降解也很快即使是在植物體內的殘留物也會被降解見解：“斑蝶事件”引發(fā)我們思考，面對新事物的出現，人們應保持客觀的態(tài)度去評價、分析、接受。轉基因作物對土壤微生態(tài)的影響轉基因作物的轉基因表達產物殺蟲物質等)通過作物根系分泌或經作物殘體降解進入土壤生態(tài)系統(tǒng)中，這些有毒產物很有可能對土壤中的分解者如蚯蚓等產生影響進而擾亂土壤微生態(tài)；另外轉基因作物的遺傳改良可能會影響到植物的

15、分解速和碳、氮水平進而影響到整個生態(tài)系統(tǒng)的功見解： 轉基因作物對土壤微生物的影響是復雜的多方面的們對其評價不僅應該建立既具生態(tài)學意義又精確的評估方法和理論體系，還應加強對其潛在威脅進行研究在現有的技術能力和條件下加以控最大限度地保證轉基因生物的安全性使之為人類的生活造福才是正確的對待方法。其實目前尚未有確切的證據表明轉基因生物對人類和生態(tài)環(huán)境有嚴重的危害上面的論述更多的只是一種擔憂由于目前技術上的局限和轉基因生物出現的時間不夠長等原因科學家確實還無法對轉基因技術的安全性作出確實可靠的評,只能說基因工程在動植物上的應用具有風險性。盲目地禁止或阻止轉基因生物的研究是不可取的。參考文獻（1）王艷輝 ,CrylAb1Ac基因在轉基因玉米中的表達研究, 分子植物育種 2010年。（2）：盛夏冰，羅超，王文堂，喻凱，等。轉基因玉米Bt-176的研究進展及其檢測方法，玉米科學，2010。（3）：中國農業(yè)科技導報，2009。 （4）：王繼磊、劉迪秋、丁元明、葛鋒、李文嫻、田榮歡，Bt轉基因抗蟲植物研究進展，生物學雜志，2010年8月。 （5）：史曉利、楊益眾、蔡建華、張小麗、施敏娟，Bt毒蛋白在轉基因抗蟲玉米中的表達及在亞洲玉米螟中的轉移積累，應用生態(tài)學報 2009年11月。 （6）：藥物科學與管理，研究稱轉基因Bt玉米對瓢蟲無害，2010年 （7）：種