Bt抗蟲蛋白在轉(zhuǎn)基因中的應(yīng)用

1、Bt 抗蟲蛋白在轉(zhuǎn)基因中的應(yīng)用李雅瓊摘要：人與自然總能那么和諧的存在，神秘而其妙的生物就這樣帶給我們生活驚喜。在 害蟲肆意妄為，損害人類利益之際，蘇云金芽孢桿菌闖入在我們生活中，它以它獨特的抗蟲 蛋白拯救著一株株陷入害蟲之口的植物?？茖W(xué)家們通過不斷的研究與實驗，對 Bt 抗蟲蛋白 基因不斷的修飾、改造，以更高效的提高植物抗蟲能力。在他們的辛勤研究后，Bt抗蟲蛋 白在轉(zhuǎn)基因中的應(yīng)用越來越純熟，農(nóng)藥用量大幅減少，經(jīng)濟效益也很大提高。研究成果已經(jīng) 很出色，但其中還有很多未知的因素還等待我們?nèi)ヌ剿?。關(guān)鍵詞：Bt抗蟲蛋白轉(zhuǎn)基因用藥減少世界上每年都因蟲害而造成農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)并直接和間接造成驚人的經(jīng)濟損失，而依

2、賴于施 用農(nóng)藥的農(nóng)作物保護方法無疑無法有效解決問題。這時，蘇云金芽胞桿菌(Bt), 種微小 卻其妙的原核生物，走入了人們的視野。在其菌體的一端或兩端形成的具有生物活性的蛋白 質(zhì)晶體正悄然影響著世界，牽動著眾科學(xué)家乃至平常百姓的心。由于控制此種Bt蛋白形成 的Bt基因?qū)Σ糠趾οx具有較高的抗性，它能在抱子形成過程中合成殺蟲晶體內(nèi)含物& -內(nèi)毒 素(抗蟲蛋白)。6 -內(nèi)毒素通常以原毒素形式存在，當(dāng)被昆蟲取食后,在昆蟲的消化道內(nèi),原毒素 被活化，活化的& -內(nèi)毒素與昆蟲腸道上皮細胞上的特異性蛋白結(jié)合,6 -內(nèi)毒素全部或部分嵌 合于細胞膜中,使細胞膜產(chǎn)生一些孔道,從而導(dǎo)致細胞由于滲透平衡被破壞而破裂,昆

3、蟲幼蟲 將停止進食,最終導(dǎo)致死亡1，因此被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因工程中。目前，轉(zhuǎn)Bt馬鈴薯、棉花 和玉米已經(jīng)在世界上許多國家廣泛種植，并產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益。新的Bt轉(zhuǎn)基因抗蟲植 物也在不斷增多，并逐漸大面積推廣種植。與此同時，人們心中對Bt轉(zhuǎn)基因食物的顧慮卻 依舊存在。有人擔(dān)心Bt毒蛋白的毒性，擔(dān)心Bt毒蛋白是否可能通過其他方式與細胞結(jié)合？ 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部免疫學(xué)系副教授王月丹就曾指出，蛋白質(zhì)類的毒素，有很多可以在體內(nèi)代謝 成氨基酸，但有些毒蛋白毒性比化學(xué)毒劑氰化鉀還要大1萬倍。所以Bt蛋白是蛋白質(zhì)，能 被降解為氨基酸并不是其無毒的證明；還有，蛋白質(zhì)與細胞的結(jié)合，可以通過吸附作用，而 不一定需要結(jié)合

4、受體，現(xiàn)在沒有發(fā)現(xiàn)受體并不等于不吸收。盡管面對了眾多的未知，但 Bt 抗蟲蛋白在轉(zhuǎn)基因中的應(yīng)用成果也不容忽視。我們還需理性思考，謹慎對待，通過科學(xué)實踐 來探索奧妙的生物。Bt 轉(zhuǎn)基因抗蟲植物產(chǎn)生于 1987 年，但是早期獲得的轉(zhuǎn)基因植株抗蟲性都很低，毒蛋 白的含量只占可溶性蛋白的0. 001%或低至無法檢測的水平，因此不能滿足在生產(chǎn)上應(yīng)用的 要求。經(jīng)研究，Bt在植物細胞中表達水平低的主要原因是其編碼的mRNA不穩(wěn)定。原始未 經(jīng)修飾的 Bt 存在許多不穩(wěn)定元件，如類似植物的 poly( A) 信號序列、切割序列、修飾序列、 終止序列、內(nèi)含子序列以及富含AT的ATTTA序列等。這些序列的存在會導(dǎo)致

5、基 因轉(zhuǎn)錄的提前終止和不恰當(dāng)?shù)那懈?。此外，從細菌中克隆的Bt與植物基因相比,A/T( G/C)含 量和密碼子的使用頻率都有很大差異，而且Bt不具有真核生物基因中的5非翻譯區(qū)序列和 3末端識別信號序列，從而不適合在植物中表達。鑒于以上問題，研究者開始對來自細菌的 Bt進行修飾和改造，使其在轉(zhuǎn)基因植物中能高效表達。隨著新的Bt不斷分離及其ICP殺蟲 譜的鑒定，研究者開始對具有較好殺蟲能力的 Bt 進行有效的改造。對 Bt 的修飾最早是在 1990年，修飾改造的cry1A( b)和cry1A( c)在轉(zhuǎn)基因棉花中的表達水平大大提高，ICP含 量為植株可溶性總蛋白的0.05%0. 1%，達到了抗蟲目的

6、，從而使轉(zhuǎn)Bt作物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 上的應(yīng)用成為可能。 Bt 轉(zhuǎn)基因棉花的種植不僅控制了棉鈴蟲對棉花的危害，降低了棉鈴蟲 在其他作物上出現(xiàn)的幾率，還大大減少了殺蟲劑的使用，保護了生態(tài)環(huán)境。但是隨著Bt轉(zhuǎn) 基因植物的大面積種植，昆蟲對其產(chǎn)生抗性成為一個不容忽視的問題。延遲昆蟲抗性的一個 重要的方法就是將兩個不同的抗蟲基因轉(zhuǎn)入同一植物中，這兩個基因可以是一種Bt和一種 非Bt抗蟲基因的組合，也可以是兩種Bt的聯(lián)合2。實驗將完美的構(gòu)想變成了現(xiàn)實，新的 品系抗蟲能力得到顯著提高。10多年來,Bt毒蛋白編碼基因在轉(zhuǎn)基因抗蟲植物中的應(yīng)用卓有 成效。 1987 年,比利時的 Vacek 研究小組以及美國孟山都公司

7、的 Fischhoff 等人報道了首例 有關(guān)轉(zhuǎn)Bt基因煙草和番茄的研究結(jié)果。此后,Bt基因相繼被轉(zhuǎn)入到棉花、水稻、玉米等農(nóng)作 物中,以抗鱗翅目昆蟲為主要目標1。迄今為止, 轉(zhuǎn)基因抗蟲農(nóng)作物的培育是生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的最成功例子之一 . 在 2007 年, 全球轉(zhuǎn)基因抗蟲作物總計種植了4210 萬公頃, 占當(dāng)年世界轉(zhuǎn)基因作物面積的37%. 各國由于種植轉(zhuǎn) Bt 抗蟲棉均產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益. 除了顯著減少化學(xué)殺蟲劑施用量外, 同時發(fā)現(xiàn)抗蟲作物的種植提高了作物產(chǎn)量并降低了生產(chǎn)成本。中國自1997 年便開始大面積 種植Bt抗蟲棉.自從1997年中國批準Bt抗蟲棉商業(yè)化種植以來，已經(jīng)有幾百萬小農(nóng)戶種

8、 植Bt抗蟲棉，到2007年中國已經(jīng)商業(yè)化種植10年.研究顯示,Bt抗蟲棉在中國最初幾年 的種植有效地減少了殺蟲劑的施用量增加了棉花產(chǎn)量。隨著Bt抗蟲棉品種的推廣和種植 年代的增加, 由于中國種植模式的原因, 一些研究人員開始擔(dān)心 Bt 抗蟲棉的長期影響。研 究發(fā)現(xiàn), 棉花害蟲, 如煙葉蚜和棉鈴蟲, 能在 40 代內(nèi)積累起抗性. 按棉鈴蟲在中國一年可 以繁殖4代，到2007年Bt抗蟲棉已經(jīng)種植了 10年計算，棉鈴蟲已在Bt棉田生態(tài)條件下 存活超過 40 代了. 因此,當(dāng)時是評價 Bt 抗蟲棉的長期效益的合適時間. 對這個問題的研究 將揭示發(fā)展中國家轉(zhuǎn)Bt基因技術(shù)應(yīng)用的長期效果。同時段，Wu等人

9、3在昆蟲學(xué)領(lǐng)域的一 項研究也進一步支持了本研究. 他們對棉鈴蟲種群變化的研究為 Bt 抗蟲棉效益的長期可持 續(xù)性提供了可靠的證據(jù).他們在中國華北地區(qū)建立了實驗站, 連續(xù) 10 年對棉鈴蟲的種群變 化進行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隨著Bt抗蟲棉推廣種植面積的擴大，棉鈴蟲種群數(shù)量在逐年下降.更 重要的是，Bt毒蛋白不僅減少了種植Bt棉花地塊的棉鈴蟲數(shù)量，而且對受到棉鈴蟲危害的 其他作物產(chǎn)生了正外部性. 根據(jù) Wu 等人的研究結(jié)果, Bt 抗蟲棉的作用通過降低第一代棉 鈴蟲的蟲卵和幼蟲數(shù)量來實現(xiàn), Bt 抗蟲棉在經(jīng)過10 年的商業(yè)化種植以后, 還沒有發(fā)現(xiàn)棉鈴 蟲對Bt毒蛋白積累起抗性的跡象.近些年，由于Bt抗蟲棉

10、占棉花播種面積比重非常高，人 們開始關(guān)注對庇護所的要求美國環(huán)境保護局（EPA）于1996年針對轉(zhuǎn)Bt基因作物的播種, 制定了控制針對 Bt 蛋白抗性增長的庇護所政策4. 例如, 在 20 世紀 90 年代中期,美國南 部棉農(nóng)必須在其全部土地上留出 5%的“純”庇護所（非轉(zhuǎn)基因棉花, 不打化學(xué)殺蟲劑進行害 蟲防治）或者 20%可以施用傳統(tǒng)控制棉鈴蟲農(nóng)藥的庇護所.加拿大和澳大利亞等其他發(fā)達國家 也針對 Bt 作物采用了類似的抗性管理政策19.與之相反, 中國沒有制定類似于美國等國家 的庇護所政策. 但這并不表示沒有關(guān)于庇護所問題的爭論. 一方面, 中國的一些科學(xué)家認為, 像玉米、小麥、水稻和花生等

11、作物都可以作為棉鈴蟲的寄主, 因而, 在中國的產(chǎn)棉區(qū)已經(jīng)有 足夠的“自然庇護所”。持有該觀點的人還指出, 在中國這樣擁有眾多小農(nóng)戶的國家, 要實行 庇護所政策非常困難。另一方面也有一部分學(xué)者認為，棉鈴蟲正在逐漸產(chǎn)生對Bt蛋白的抗 性 23 . 他們的觀點和擔(dān)憂是, 如果棉鈴蟲迅速對 Bt 蛋白產(chǎn)生抗性, 那就意味著農(nóng)民將不 得不重回大量施用農(nóng)藥防治棉鈴蟲的老路. 但中國“自然庇護所”政策是合理的,至少到目前 為止.盡管存在棉鈴蟲累積起對Bt毒素抗性的可能，但到2007年為止，抗性的發(fā)展還沒有 達到足以使農(nóng)戶施用更多的農(nóng)藥的程度, Bt 抗蟲棉技術(shù)依然有效.而 這一結(jié)論與 Wu 等人 25和 G

12、ao 等人5的發(fā)現(xiàn)一致.Bt 抗蟲棉在降低農(nóng)藥施用方面的可持續(xù)性問題非常重要 , 但到目前為止還沒有關(guān)于 中國（或其他發(fā)展中國家）農(nóng)戶水平的實證研究. 盡管中國農(nóng)戶種植 Bt 抗蟲棉已超過 10 年, 但人們還不了解農(nóng)戶控制棉鈴蟲用藥量的變化趨勢. 許多問題還需要進一步研究, 轉(zhuǎn) Bt 基 因植物的出現(xiàn)已經(jīng)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展開創(chuàng)了一個新時代，但它僅僅是增加產(chǎn)量，帶來持續(xù)農(nóng)業(yè)， 保護生態(tài)環(huán)境的一系列新的安全技術(shù)的一個開端，將來仍必須開展如何合理和持續(xù)利用 Bt 以及如何使轉(zhuǎn)Bt基因植物與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相結(jié)合的研究，同時注重解決轉(zhuǎn)Bt基因植物中存在的 問題，使轉(zhuǎn)Bt基因植物更好地服務(wù)于人類。參考文獻及注釋：

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15、,Bt in the application of transgenic insect-resistant proteinAbstract:Human is always in harmony with nature. mysterious and the wonderful creatures is to surprise our lives.When pests unruliness damaged the interests of human beings, thuringiensis bacillus c broke into our life, it rescures the pes

16、ts of plants by its unique insect-resistant protein. Through continuous research and experiment of sicientists, the Bt insect-resistant protein gene is constantly modified and changed to be more efficient to improve the plants ability to resist insect.After their painstaking research, the application of transgenic insect-resistant Bt protein is more and more strong, pestici