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转基因的未来
2013-07-05 15:02:24 来源: 作者: 浏览:1078次 评论:0
                    

  2013年7月号《环球科学》将独家授权刊发《自然》(nature)转基因专题,这一组文章中,将以详实数据呈现转基因作物的全球图景,剖析事实与谣传,描绘转基因未来发展之路。数年来,转基因始终站在舆论的风口浪尖,我们希望,科学和有理有据的辩论,能启迪这些技术的未来。

  撰文:丹尼尔·克雷塞(DanielCressey)

  翻译:朱机

  用阿纳斯塔西娅·博德纳尔(AnastasiaBodnar)的话来说,开发第一批经过基因改造的农作物时,“我们仿佛看到了火箭喷气背包”──未来的超级营养作物将为菜篮子带来奇异的产品,喂饱这个饥饿的世界。博德纳尔是非营利转基因技术倡导组织生物强化(BiologyFortified)的生物技术专家。

  可是直到目前为止,她说,转基因技术的大部分好处是由农业公司所获得──为它们盈利的,几乎都是经过基因改造过后,可以对杀虫剂或害虫有抗性的农作物。种植这些作物,农民可以获得更高的产量,减少杀虫剂的用量。

  但问题是,这些进步是普通消费者感受不到的,博德纳尔说。相反,这些进步倒给反对转基因的人火上浇油。反对者认为,转基因作物让权力和利益集中在少数大公司手中,此外转基因作物正是科学家无视危险,干涉自然的最佳例证。

  不过,如今新一代转基因作物走出实验室、走向市场之际,情况将会改观。从延缓变色的苹果,到营养增强、可以改善贫穷国家人民饮食的“黄金大米”和亮橙色香蕉,一些新作物将解决新的问题。

  新一代作物中,还有一些会用到更先进的基因技术,可以更精确地“编辑”植物本身的基因组。用这样的方法,就不太需要向经济作物中转入其他物种的基因,而引入外源基因正是反转人士的一个主要攻击点。这样一来,想必将会减少公众对转基因食品的不安。

  不过也不一定。无论这些作物在实验室里表现出的前景是多么美好,它们还必须通过辛苦、昂贵、精细的田间实验来证明其优势,通过层层关卡,并且消除公众通常会有的疑惑。最后一步并不容易,菲利普·波利诺(PhilipBereano)说。波利诺在华盛顿大学研究新技术的政治社会影响,他指出,有关转基因生物的争论涉及安全性、标签贴示、专利申请的伦理问题等方方面面。“大家都很在意给孩子吃了些什么,”他说,“这一点不会变的。

  尽管如此,绝大多数研究转基因生物的人看来都信心十足地认为,最严重的技术问题业已克服,未来是光明的。假如我们盼望的是转基因食品的喷气火箭时代,博德纳尔表示,“现在就是时候”。

  第一波转基因作物主要面向的市场是农民,目标是让他们工作更轻松,产量更高,利益更大。举例来说,1996年,生物技术公司孟山都推出了他们第一个畅销品种:“抗农达”(RoundupReady)。这是一个大豆品种,转入了细菌基因,可以耐受孟山都公司生产的除草剂草甘膦(商品名“农达”)。这意味着农民们可以只需一种除草剂就能除掉大多数杂草,同时还不损伤庄稼。接着,很快出现了其他转基因作物,包括孟山都公司的Bt棉花:这种棉花经过了改造,可以产生一种能杀灭棉铃虫的毒素,从而减少杀虫剂的用量。

  农民依然会是新一代转基因作物的主力市场。譬如,在位于英国哈普敦的洛桑研究所,科学家正在开发一种新作物,种植这类作物所需杀虫剂比Bt棉花还少,甚至根本不用杀虫剂。在这些作物中,起关键作用的是一种有警示性的外激素,某些野生植物品种在演化过程中会产生这种外激素,模拟蚜虫(温带地区最主要的作物害虫)受到攻击时释放的化学警告信号。把表达这种化学防卫物质的基因转入小麦后,会让小虫子们误以为身陷危境,从而达到驱虫的目的。和Bt棉花以及其他现有的转基因生物不同的是,这种作物在防虫的时候完全不需要用到杀虫剂。

  洛桑研究中心的负责人莫里斯·莫洛尼(MauriceMoloney)表示,目前正在进行田间试验。“在温室里非常成功,”他说,“要是能让它在田间起作用,我们就能充分利用这一点,使其变成稳定的性状”,以适用于大规模种植。莫洛尼说,他们希望以此为起点继续拓展,在其他作物中寻找自然演化出的其他保护和威慑因子,并研究如何增强或调控这些因子来对抗特定害虫。“举例来说,可以用一种挥发性的化合物,来威慑毛虫、天牛之类的害虫,”莫洛尼说,“有可能我们一旦弄出这样的东西,应用范围之广会非常惊人。”

  当地的问题

  很多研究转基因作物的科学家正致力于那些不太被大公司关注的问题。比如在苏黎世的瑞士联邦理工学院,由赫尔夫·范德休伦(HerveVanderschuren)领头的植物生物技术课题组正在研究木薯,这是一种热带灌木,其块茎在发展中国家作为主食。他说:“没有人给这种作物的种植、改良等问题做大的投资。”

  范德休伦的课题组正在做的研究是利用基因工程手段,将抗木薯褐条病毒的基因,插入天然就能抵抗木薯花叶病毒的自然突变体,从而得到对这两种病毒都有抗病能力的木薯。范德休伦说,这种适应于当地的转基因作物是“我们在此处所做的研究中非常重要的一环”,而这点也是那些出售全球化商品的大型农业公司极少愿意做的。范德休伦等人已成功培育出这种转基因植物,目前正与非洲的大学合作安排田间实验,以确认它们能够在田间生长。

  发展中国家的农作物研究有大部分是关注营养增强的问题,最著名的例子就是黄金大米。大米是全世界半数人口的主食,黄金大米正是一种经过改造的大米。它的独特黄色来自添加的β-胡萝卜素,也就是维生素A的前体,借以弥补很多东亚国家饮食中所缺乏的维生素A。自2000年第一代黄金大米问世,经过多年的不懈努力,经历了反转基因组织的诸多非难后,黄金大米目前已在菲律宾开展田间实验。可以明确的是,黄金大米到2014年可以通过最终的监管审批并到达农民手中。

  其他作物紧随其后。澳大利亚昆士兰科技大学热带作物与生物用品中心负责人詹姆斯·戴尔(JamesDale)就在研究可抗黄叶病(真菌引起的香蕉枯萎),同时增加β-胡萝卜素、铁等营养元素的香蕉。他解释说,在乌干达等非洲国家,“微量元素真的非常缺乏”,而香蕉是他们的主食。目前他们已在澳大利亚展开田间实验。

  尽管大部分新一代转基因作物是以农民为目标,不过也有一部分针对的是食品生产链的下一个环节:食品加工商。譬如,美国农业研究局(AgriculturalResearchService)阿巴拉契亚水果研究工作站的分子植物生物学家克里斯·达迪克(ChrisDardick)解释说,传统的李子很难加工,因为给李子去核时,往往会留下坚硬而尖利的碎片。他们目前刚开展的一项研究,是利用一种基本无核的常规育种李子,通过基因工程手段改造成完全无核的水果。“我们最关心的是这个东西能否被工业界和消费者所认可。从我们现在得到的反馈来看还是很不错的。”他说。

  接下来,就是直接面向最终消费者而设计的转基因食品了。先锋之一是“北极苹果”(ArcticApple),它的特点是切开或啃咬后不会很快变成褐色。这也是拜转基因所赐,插入的基因来自某些多酚氧化酶(造成变色的生化反应中关键的一种酶)水平较低的苹果品种。

  我和太太本身都是苹果果农,苹果的消费量正在下跌,这让我们很担心。”尼尔·卡特(NealCarter)说。卡特是加拿大奥卡诺根特种水果公司(OkanaganSpecialtyFruits)的总经理,这家公司正是北极苹果的开发商。卡特说,超市里的苹果渐渐被胡萝卜等洗净切条,开袋即食的瓜果所取代。如果苹果也能加工成这样的食品同时又不会变色的话,那就给食品工业带来了大福利。要是苹果效果好,卡特说,接下来还可以再做北极鳄梨、梨甚至生菜。

  技术进步

  迄今为止,转基因研究依靠的技术虽已成熟但相对粗放,例如“基因枪”,就是在纳米金颗粒外面包上来源于其他生物的DNA,然后打入目标植株的细胞,使DNA随机插入植株的基因组。新的工具可以提高基因改造的精确度。举例来说,转录激活因子样效应物核酸酶(transcriptionactivator–likeeffectornucleases,简称TALEN)和锌指核酸酶(zinc-fingernucleases,简称ZFN)能够按人所需在DNA的特定位置剪切。控制DNA缺口的修复,就可以在精确的位点引入突变、单核苷酸改变甚至是整段基因,美国明尼苏达大学的丹·沃伊塔斯(DanVoytas)说,而他使用的也是这种技术。“正因为能够明确基因插入的位置,我们可以知道外源基因在染色体的哪一段。”因此,研究人员可以在基因组上,选择一个让新基因表达的最好位点,并尽量减少对植物自身基因组的干扰。沃伊塔斯小组用锌指核酸酶改造烟草植株,转入了抗除草剂基因;还有些研究组利用锌指核酸酶,把抗除草剂的基因转入玉米,或用转录激活因子样效应物核酸酶,把水稻中与白叶枯病有关的基因剪切下来。

  但沃伊塔斯表示,这些技术的“真正威力”在于,能够通过修饰植物的原有基因而给植物带来新的性状。譬如,研究人员想要获得抗旱植物时,可以不用给植物转入耐寒细菌的基因,而是调整植物自身的多个基因,从而达到使其在干旱环境存活的目的。“实际上,技术的下一步发展将是同时导入和调节多个基因。”他说。

  德雷克·扬茨(DerekJantz)是位于美国生物技术公司PescisionBioSciences的合伙创始人之一,他对改造植物本身的基因也很感兴趣。孟山都公司在培育抗农达作物时,向作物转入了细菌的EPSPS基因,而实际上,所有植物都含有类似的基因,也就是说,修改植物自带的这个基因而不是转入外源基因,应该也有可能产生抗除草剂的效果。

  和其他转基因公司的研究人员一样,扬茨出于商业机密的考虑而不愿多谈具体的研究项目。但概括说来,他表示,“我们现在想做的,是充分利用随时可用的功能基因组学数据。”

  基因育种法

  有一些研究人员在利用基因改造手段,加快传统育种技术的发展。阿巴拉契亚水果研究工作站的植物科学家拉尔夫·斯科扎(RalphScorza)所领导的小组正在培育转基因李树。改良李树只能在温室中生长。而在插入了杨树的基因后,它们会比传统李树的开花时间早且长。也就是说,研究人员能够全年育种,这样一来,只需几年时间就能用筛选、杂交等传统技术培育抗病性状,而不是像过去那样,往往要用十年或更长时间。一旦培育出所需的性状,以前转入的促使开花的基因可以再被敲除,这样得到的新品种就不是转基因植物了。采用这种“快速”育种策略,斯科扎等人正在致力于培育抗李痘病毒的李树,并使果实的含糖量更高。这种做法也被其他地方的研究人员应用于柑橘类植物。

  美国监管人员已经提出,利用这些新技术改造的植物不含其他物种的DNA,要与传统转基因作物区别对待。这或许也能减轻公众的忧虑。加利福尼亚大学河滨分校的分子遗传学家艾伦·麦克尤恩(AlanMcHughen)认为,“我们完全有信心至少使一部分反对者改变态度。”

  除此之外,博德纳尔还提到,转基因实验也很难禁止。她指出,基因工程的门槛相对较低,“生物黑客”在车库、家里就可以用细菌开展转基因实验(见扩展阅读),而相同的技术,未来也很容易用到植物或动物身上去。

  “现在是越来越容易了。我觉得,人们渴求这种东西。”博德纳尔说。“火箭喷气背包,人人想要。我想现在是时候出现了。市场不给你由上及下的提供,那草根自会蓬勃发展。”
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