轉(zhuǎn)基因水稻研究進(jìn)展及其安全性探討

張 頔，周 峰，張邊江

（南京曉莊學(xué)院，江蘇 南京 211171）

水稻是世界上主要的糧食作物之一。在我國(guó)，水稻是種植面積最大的糧食作物，種植面積約3000萬(wàn)hm2，產(chǎn)量占糧食作物總產(chǎn)的40%以上，是我國(guó)65%以上人口的主食來(lái)源。然而，在水稻生產(chǎn)過(guò)程中，由于各種病蟲(chóng)害、不良?xì)夂蚺c環(huán)境的影響，嚴(yán)重制約了水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[1]。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是指將外源基因通過(guò)生物、物理或化學(xué)手段導(dǎo)入其他生物基因組，以獲得外源基因穩(wěn)定遺傳和表達(dá)的遺傳改良體[2]。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因水稻成為研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)已經(jīng)獲得抗蟲(chóng)、抗除草劑、抗病、抗逆境以及改良品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因水稻，但是轉(zhuǎn)基因水稻的安全性問(wèn)題還沒(méi)得到完善解決。

本文概述了目前轉(zhuǎn)基因水稻的類型，簡(jiǎn)要分析了轉(zhuǎn)基因水稻存在的安全性問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 轉(zhuǎn)基因水稻的研究現(xiàn)狀

1.1 抗性轉(zhuǎn)基因水稻

1.1.1 抗蟲(chóng) 水稻抗蟲(chóng)性改良的外源基因主要有蘇云金桿菌殺蟲(chóng)結(jié)晶蛋白基因（Bt基因）、昆蟲(chóng)蛋白酶抑制劑（Pi基因）和植物凝集素基因3種。其中，Bt基因是目前使用最廣泛的抗蟲(chóng)基因，其作用機(jī)理是:Bt稻能合成Bt抗蟲(chóng)蛋白，被靶標(biāo)昆蟲(chóng)取食后，在昆蟲(chóng)堿性腸道內(nèi)經(jīng)中腸蛋白酶的消化后使其活化為活性蛋白，活性蛋白與中腸細(xì)胞膜受體結(jié)合，形成跨膜離子通道或孔，使消化道細(xì)胞的離子滲透壓平衡遭到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞溶解，最終使昆蟲(chóng)死亡。Pi能與蛋白酶的活性部位和變構(gòu)部位結(jié)合，抑制酶的催化活性或阻止酶原轉(zhuǎn)化為有活性的酶。因此，它具有防止體內(nèi)不必要的蛋白降解，調(diào)節(jié)蛋白代謝及各種蛋白酶的生理活性的功能。凝集素抗蟲(chóng)的作用機(jī)制可能是在昆蟲(chóng)腸腔部位與糖蛋白結(jié)合，降低膜透性，從而影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的正常吸收，同時(shí)誘發(fā)病灶，促進(jìn)消化道內(nèi)細(xì)菌繁殖，使昆蟲(chóng)得病或引起拒食、生長(zhǎng)停滯甚至死亡[3]。

楊虹等[4]首次報(bào)道了用原生質(zhì)體電融合技術(shù)成功地將Bt基因?qū)胨九_(tái)粳209。項(xiàng)友斌等[5]利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法成功地將密碼子經(jīng)過(guò)優(yōu)化的Bt殺蟲(chóng)基因Cry1A（b）導(dǎo)入了許多水稻品種。復(fù)旦大學(xué)遺傳所與中國(guó)水稻所、湖北農(nóng)科院等單位合作利用基因槍法將雪花蓮凝集素基因?qū)刖酒贩N鄂宜105和鄂晚5號(hào)中，得到了一批轉(zhuǎn)基因株系[6]。

1.1.2 抗除草劑 雜草為害嚴(yán)重影響水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量，每年稻谷因雜草減產(chǎn)損失巨大。將抗除草劑基因?qū)胨臼蛊洚a(chǎn)生對(duì)除草劑的抗性，有助于田間雜草控制。主要的除草劑抗性基因是來(lái)自鏈霉菌的Bar基因，因?yàn)榕c其對(duì)應(yīng)的除草劑Basta被德國(guó)Aventis公司所壟斷，所以使該基因的廣泛應(yīng)用受到很大限制[7]。施利利等[8-10]將來(lái)自細(xì)菌的阿特拉津氯水解酶基因atzA轉(zhuǎn)入津稻107中，并成功地利用除草劑阿特拉津?qū)D(zhuǎn)基因植物進(jìn)行了篩選和鑒別?？钩輨┺D(zhuǎn)基因雜交水稻組合應(yīng)用于田間栽培的報(bào)道較少。侯海軍等[11]對(duì)轉(zhuǎn)Bar基因抗除草劑兩系雜交早稻株進(jìn)行了高產(chǎn)栽培試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，供試組合各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性狀穩(wěn)定，生長(zhǎng)整齊，抗倒伏能力比對(duì)照強(qiáng)。肖國(guó)櫻等[12]利用抗除草劑親本Bar68-1與香125S配組育成了轉(zhuǎn)基因抗除草劑雜交稻香125S/Bar68-1，秧田噴施除草劑能明顯提高大田的雜種純度，顯著提高產(chǎn)量。

1.1.3 抗病 病害是影響水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要因素之一。目前，抗病轉(zhuǎn)基因水稻包括轉(zhuǎn)抗病毒基因、抗真菌病毒基因和抗細(xì)菌病毒基因3個(gè)方面。許多抗病基因如Xa21，Pib，CecropinB，Cp等已被成功導(dǎo)入水稻，并取得了顯著的成績(jī)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心與作物所合作，將幾丁質(zhì)酶和葡聚糖酶雙價(jià)基因?qū)胄←?，育成雙價(jià)抗病轉(zhuǎn)基因小麥，抗赤霉?。‵usarium graminearum）、紋枯?。‵usarium solani）和根腐?。˙ipolaris soroki-nianum）等真菌性病害[13]。水稻抗白葉枯病基因克隆進(jìn)展較迅速，從水稻中克隆了抗白葉枯病的2個(gè)基因，即Xa21和Xa1[14-16]。Wang等[17]通過(guò)微彈轟擊法將水稻抗白葉枯病菌基因Xa21 導(dǎo)入感病品系 Oryza sativa（var.Taipei309），測(cè)定了來(lái)自印度、印度尼西亞、哥倫比亞、中國(guó)、菲律賓、尼泊爾、朝鮮和泰國(guó)8個(gè)國(guó)家的32個(gè)水稻白葉枯病菌菌株在T1轉(zhuǎn)基因系、受體品種TP309以及原初抗病品種IRBB21上的致病表型變化[18]。

1.1.4 抗逆 環(huán)境脅迫（如干旱、土壤鹽漬化和極端溫度等）嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)和發(fā)育，降低作物產(chǎn)量。2009年，中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所植物分子遺傳國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲得了一份較強(qiáng)抗旱、耐鹽、而且遺傳穩(wěn)定的水稻突變體，將該突變體命名為DST（drought and salt tolerance），為作物抗逆分子育種提供了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要新基因[19]。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科研人員成功分離出1個(gè)對(duì)水稻抗旱改良有顯著作用的基因OsSKIPa，它能調(diào)動(dòng)其他水稻抗旱基因的表達(dá)，從而增強(qiáng)水稻細(xì)胞的活力，提高水稻在缺水條件下的生存能力，可以顯著提高水稻抗旱性[20]。Xu等[21]將大麥Lea蛋白基因（HVA1）用基因槍法導(dǎo)入水稻懸浮細(xì)胞系后發(fā)現(xiàn)，其耐旱能力明顯提高。Zhu等[22]將P5CS基因轉(zhuǎn)入水稻，使用ABA或逆境誘導(dǎo)的特異啟動(dòng)子，在逆境脅迫下轉(zhuǎn)基因植株脯氨酸含量增加。研究表明，耐鹽性狀屬于數(shù)量性狀，受多基因控制，易受環(huán)境影響而變異。在目前的種質(zhì)資源耐鹽性遺傳分析中，除了在突變體或轉(zhuǎn)基因植株中發(fā)現(xiàn)有單個(gè)主基因控制的耐鹽性以外，大多數(shù)水稻耐鹽性受多基因控制[23]。水稻是喜溫植物，溫度是限制其生長(zhǎng)的重要因子。有研究表明，轉(zhuǎn)CBF1基因的水稻中脯氨酸含量和抵抗逆境的能力明顯提高[24-25]。林秀鋒等[26]通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將CBF1基因?qū)胨酒贩N沈6014和松粳3號(hào)中，以期獲得耐低溫的轉(zhuǎn)基因水稻材料。

1.2 改良品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因水稻

Ye等[27]獲得的轉(zhuǎn)基因黃金稻的出現(xiàn)，可以幫助以稻米為主食的發(fā)展中國(guó)家的人們解決維生素A缺乏的問(wèn)題。日本還通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)先后獲得了抗過(guò)敏功能性稻米、低蛋白功能性稻米、高半胱氨酸功能性稻米[28]。對(duì)高鐵功能型水稻的研究表明，水稻中鐵的含量差異顯著，水稻的不同部位、品種、環(huán)境以及籽粒的形狀、顏色等使鐵的含量都存在很大差異。我國(guó)成功選育一批高鐵香稻新種質(zhì)，其中，晚秈新品種特3029和晚粳糯新品種紫香糯糙米中鐵含量分別達(dá)47.6，46.1 mg/kg。賴來(lái)展等采用稻穗離體雜交、孤雌誘導(dǎo)及子房培養(yǎng)的方法，培育出鐵含量高達(dá)52.20 mg/kg的新品種黑優(yōu)粘3號(hào)[29]。迄今為止，國(guó)內(nèi)外已有許多改良品質(zhì)的品種（系）被選育成功。

1.3 轉(zhuǎn)基因水稻其他方面的研究進(jìn)展

轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)水稻的培育主要是集中于C4水稻的研究上，目前高光效的水稻研究策略以轉(zhuǎn)入C4植物來(lái)源的C4光合作用途徑相關(guān)基因?yàn)橹?，也有過(guò)量表達(dá)C3來(lái)源的C4循環(huán)相關(guān)基因的報(bào)道。幾個(gè)與C4光合作用相關(guān)的基因都被一一轉(zhuǎn)入到水稻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比較常見(jiàn)的有PEPC、丙酮酸正磷酸雙激酶（pyruvate,orthophosphate dikinase，PPDK）基因、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK） 基因、依賴 NADP 的蘋(píng)果酸酶（NADP-malic enzyme，ME）基因、依賴NADP的蘋(píng)果酸酶脫氫酶（NADP-malate dehydrogenase，MDH）基因等[30-33]。

一些研究者也嘗試通過(guò)過(guò)量表達(dá)某些氨基酸轉(zhuǎn)氨酶來(lái)改變植物體內(nèi)氨基酸合成和氮代謝的水平，以期增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因水稻中氮的利用效率。Shrawat等[34]發(fā)現(xiàn)在水稻根中特異性表達(dá)來(lái)源于大麥的丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（alanine aminotransferase，AlaAT）。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的大量元素之一。Yi等[35]在磷高效利用水稻品種Kasalath中鑒定出了1個(gè)磷缺乏誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子OsPTF1。在低磷敏感水稻品種日本晴中過(guò)量表達(dá)OsPTF1基因，可以顯著增強(qiáng)磷的利用效率。

2 轉(zhuǎn)基因水稻的安全性

轉(zhuǎn)基因食品安全性一直飽受爭(zhēng)議，尤其是主要的糧食作物轉(zhuǎn)基因水稻。有些學(xué)者認(rèn)為，轉(zhuǎn)基因水稻是完全安全的，食用轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)人體無(wú)害[36]；也有學(xué)者認(rèn)為，轉(zhuǎn)基因水稻是人造物，若大量種植會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，而且對(duì)人體產(chǎn)生副作用。

賀曉云等[37]從轉(zhuǎn)基因水稻的營(yíng)養(yǎng)成分實(shí)質(zhì)等同性分析、動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)評(píng)價(jià)、體內(nèi)及體外毒理學(xué)評(píng)價(jià)、致敏性評(píng)價(jià)及外源基因的水平轉(zhuǎn)移5個(gè)角度對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻的國(guó)內(nèi)外食用安全性評(píng)價(jià)工作進(jìn)行了概括?，F(xiàn)代分子生物學(xué)手段也開(kāi)始滲透到轉(zhuǎn)基因的安全性評(píng)價(jià)中，目前常用的轉(zhuǎn)基因水稻的檢測(cè)方法主要有PCR（聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)）、ELISA（酶聯(lián)免疫吸附法）和基因芯片法等。盡管人們對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻的安全性還存在疑慮，但不可否認(rèn)，轉(zhuǎn)基因水稻具有普通水稻無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。相信隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)基因食品安全性評(píng)價(jià)方法的不斷完善，轉(zhuǎn)基因水稻將為世人所接受，并將成為21世紀(jì)人類解決糧食問(wèn)題的一條重要途徑。

3 展望

轉(zhuǎn)基因水稻的研究大部分還處在實(shí)驗(yàn)室階段，還未能定點(diǎn)、定量地將外源基因引入到水稻受體基因組中，從而未能獲得穩(wěn)定遺傳、高效率表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株。同時(shí)，由于基因沉默等原因，阻礙了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在水稻上的推廣應(yīng)用。外源基因的穩(wěn)定遺傳、高效表達(dá)及目的基因的沉默等遺傳機(jī)理仍有待于進(jìn)一步研究。

在轉(zhuǎn)基因水稻研究中，選育多抗性品種，比如利用抗除草劑基因結(jié)合其他抗性基因質(zhì)粒如抗逆、抗病蟲(chóng)、改良農(nóng)藝性狀或產(chǎn)品風(fēng)味的基因，選育高抗且優(yōu)質(zhì)的品種。在改善功能方面，加入質(zhì)量性的基因，比如黃金稻，能夠解決人體維生素缺乏情況；含有高降鈣素轉(zhuǎn)基因的油菜可以防治老年骨質(zhì)疏松；含人乳鐵蛋白基因的稻米能防止腹瀉[38-39]。利用重組哺乳動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)藥用蛋白極其昂貴，而用植物生產(chǎn)成本較低，以轉(zhuǎn)基因植物為生物反應(yīng)器，可望在農(nóng)田里廉價(jià)收獲大量的藥用蛋白。

盡管轉(zhuǎn)基因水稻的安全性仍頗具爭(zhēng)議，至今也尚無(wú)任何轉(zhuǎn)基因水稻被允許進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，但是其前景仍然被看好，新的轉(zhuǎn)基因水稻還在不斷問(wèn)世。我國(guó)從2004年開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)基因水稻的環(huán)境和食用安全性評(píng)價(jià)工作，目前這項(xiàng)工作仍在緊張地進(jìn)行之中。相信隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)基因食品安全性評(píng)價(jià)方法的不斷完善，轉(zhuǎn)基因水稻及其他轉(zhuǎn)基因作物能得到推廣，從而解決我國(guó)的糧食問(wèn)題。

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