转基因技术的应用与粮食的可持续发展

转基因技术的应用与粮食的可持续发展

1粮食危机研究的“一般程序”联合国人口银行会报告称，2011年10月31日，世界人口达到70亿。到2025年，他们将超过80亿。到目前为止，这可能超过100亿。“如何养活世界?”“如何养活70亿人?”成了全球人民十分关切的问题,大家议论纷纷、众说纷纭,甚至分歧十分激烈,大相径庭。争论往往集中在对转基因技术的分歧上。支持者会列举出很多优点,来赞扬转基因作物的强大生命力以及在作物保护中发挥的巨大作用,并且认为今后将会发挥更大的作用。养活这个世界,将来得主要指望它啦!而持不同意见的人,则完全不这样认为。《文汇报》于2011年10月31日,在世界人口达到70亿之际,特别发表了该报记者田晓玲就粮食安全等问题对美国著名经济学家《粮食危机》的作者威廉·恩道尔(WilliamEngdahl)的访问录。现摘抄一部分,作为这些意见的一种反映。文汇报记者认为:为了提高粮食产量,转基因技术的确被普遍运用到了粮食种植过程之中。还有很多人认为转基因食品是解决人口迅速增长过程中出现的粮食危机的最优选择。恩道尔谈到:“恰恰相反,美国等一些国家都做了相关实验证明,不论大豆还是玉米,每英亩转基因粮食产量两三年以后都会下降,而并不是很多人想象中的增加。更糟糕的是野草大量出现,这是我们所不想要的东西。它们被称为超级野草,具有很大的破坏力,普通的化学除草剂对此不起作用。很多国家都出现了这种情况,因为野草出现而导致粮食歉收。转基因食品并不能真正解决全球的粮食危机。农业工业化和农业商业化是最重要的问题。为了追逐利润,食物生产链被加以工业化,从种子到土壤到粮食直到超市销售,每样东西都是借助利润丈量的,越来越多的人意识到这些问题的严重性。在美国也是这样,人们意识到食品质量的重要性。食品成为导致人们健康问题以至于疾病的原因,他们吃不到高质量的食物,也就得不到身体所需的维生素等各种营养。他们吃到的是工业化食品,这些东西看上去像食品,闻上去像食品,但不是食品。我在《粮食危机》一书中就提到,转基因食品和种子诸如玉米、大豆、大米等,其背后的议程是同人口控制有关的,而不是替人类着想,提高粮食的质量。这是洛克菲勒基金会几十年前就提出的政治议程,他们做了很多研究,以便找到控制地球人口的方法。拿一些吓人的数字告诉人们说,我们需要另一个星球,我们必须控制人口等,是西方强势群体所设定的议程,即通过控制人口来控制世界。我指的是在美国和欧洲那些想要控制全球人口的人。”其实,近些年来,国内外有关转基因研究成果的争论已经十分激烈,国外曾经有过几次反对的浪潮,国内由于大家获取的信息不对称,争论双方所掌握的专业知识不尽相同,反对的人士往往会使用一些过激的提法来指责对方,甚至将转基因的研究工作与研究人员上纲到十分吓人的政治层面。而支持的人士指责反对者是“科盲”,不懂生物新技术的伟大意义,不懂什么是“基因”?什么是“转基因”?完全是无知,瞎嚷嚷。最痛苦的是广大老百姓,给弄得稀里糊涂,不知道“转基因”食品究竟有没有毒?能不能吃?这问题量大而面广,太实际了!2现代遗传百年历史史为使大家对这两个问题有个初步的、然而又是科学的了解,简单回顾一下现代遗传学百年发展史是十分有益的。面对有些争论的问题,就能说出个“所以然”,而不会被对方说你是个“科盲”,只会瞎嚷嚷。2.1factor的诞生孟德尔,1822年生于奥地利,在布吕恩修道院当修道士。用自花授粉的纯种豌豆做试验,经过8年的艰辛试验,发现了孟德尔第一遗传定律———因子分离定律,第二定律———因子自由组合定律。提出了“隐性”“显性”因子的概念。孟德尔当时提到的遗传因子(factor)实际上就是今天的基因,只不过孟德尔只是将遗传因子看作为父代传给子代的遗传单位,不知道它的成分,更不知道在哪里能找到它。1866年,孟德尔这一伟大发现的论文《植物杂交试验》发表在当地的《布吕恩自然科学会刊》第四卷上。孟德尔激动地宣称:我的时代已经来了!直到1884年他去世时,一直没有得到世人的关注。去世16年后,1900年,也就是论文发表35年后,欧洲三位植物学家在研究遗传规律查阅资料时才重新发现了孟德尔的伟大成果。孟德尔定律的重新被证实,轰动了整个生物界。从此,世界把孟德尔看成为现代遗传学之父。1900年被看作为现代遗传学的起点。在科学史上,重新发现孟德尔定律的三位科学家的高尚品德也同样被人们所敬仰。尊重先者,尊重历史,也就尊重了科学,尊重了自己。他们是荷兰人德弗里斯、德国人科伦斯、奥地利人切尔迈克。2.2分离体的遗传关系1879年,德国生物学家弗莱明发现,细胞核里面有一些可以被碱性染料染上颜色的颗粒,称之为“染色质”。1888年,德国解剖学家沃尔德把这种上色颗粒命名为“染色体”。人们还发现,同一物种所有细胞核内的染色体数目是固定不变的,而且是成对出现的。在细胞有丝分裂过程中,染色体的数目还能复制增倍,分裂后,一分为二,又回复到原来的数目。而在生殖细胞形成的过程中,数目只有一半,另一半被丢掉,这叫减数分裂。当雌雄生殖细胞再通过受精结合后,又将各自的一半合并为原来每个体细胞所具有数目。这种关系正好与孟德尔的分离、组合遗传因子相对应。因此,1903年美国细胞学家萨顿就大胆设想孟德尔的“遗传因子”存在于染色体上,新生命的遗传因子一半来自父亲,一半来自母亲。此说一经提出,遭到许多人的反对。因为,没有更多的试验支撑。美国生物学家摩尔根也是激烈反对者之一。这里还必须提到,1909年丹麦的约翰逊首先提出了“基因”的概念,他定义为“基因是用来表示任何一种生物中控制任何性状及其遗传规律又符合孟德尔定律的遗传因子。”很显然,他给出的仍然是一个概念,没有提出基因的物质基础是什么。遗传学为genetics,他可能取其词首作为遗传因子的称号“gene”,应该说,中文将gene翻译成“基因”堪称翻译一绝,太妥帖了,音义俱佳。2.3摩尔根的遗传多样性1909年,美国生物学家摩尔根开始果蝇试验研究,他原来是一位胚胎学家。以果蝇做材料有许多好处,果蝇繁殖周期短,身体性状明显,便于观察,特别是他发现了果蝇幼虫唾液腺细胞染色体巨大,染色后,斑纹明显清晰。由于繁殖后代数目多,十分适宜做数量统计分析。摩尔根不但用这个巨大染色体的斑纹与果蝇繁多的性状对照起来,验证了遗传连锁互换定律。果蝇巨大的四对染色体(其中有一对性染色体),为摩尔根撰写“基因论”提供了得天独厚的试验材料。摩尔根不仅证实了遗传基因与染色体的关系,而且成功将各种基因在染色体上的位置,绘图展示于世。摩尔根的功绩在于明确指出:遗传因子的物质基础就是染色体。任何一种假说,只有找到研究对象的物质基础,才能表明这种假说是真理。这一点对做科学研究的人来说,是至关重要的。1933年,摩尔根因此获得了诺贝尔生理学和医学奖,这是遗传学家第一次获得的殊荣。别忘了他原来是一位胚胎学家。2.4谁是基因—威尔金斯、沃森、克里克———脱氧核糖核酸DNA的双螺旋结构美国生物物理学家威尔金斯采用X-射线衍射晶体技术对DNA进行研究发现,DNA的分子是有规律的,并推测可能是螺旋体结构。DNA是染色体的主要组成部分。美国生物学家沃森1951年在剑桥大学做博士后工作与英国分子生物学家克里克合作研究DNA,他们研究了威尔金斯的X-射线结构和分子可能存在的立体化学结构。同时,再博览了当时许多研究者关于DNA研究所取得的成果,用自己的智慧,经过计算、分析和想象,于1953年提出DNA的双螺旋分子结构模型。这是一对三十岁上下的年轻科学家,在剑桥大学校外一间酒吧闲谈时,报告了这一惊天的科研成果,受到著名卡文迪许实验室主任的大力推崇,发表在“自然”杂志上。1956年美国的康贝格等按照这一模型的假说,成功地人工合成了DNA。由于沃森、克里克和威尔金斯的杰出贡献,三位科学家于1962年获得了诺贝尔生理学和医学奖。记住,这三位科学家同样都不是学习遗传专业出身的。进一步的研究了解了DNA双螺旋结构是由四种碱基组成:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T),并按照A-T、C-G配对的原则组合。DNA这样配对组合的片段就是“基因”,它可以复制自己,把遗传信息代代相传。而这些基因编码又控制蛋白质的合成,所有的后代性状都是各式各样蛋白体的表现。从基因自我复制到染色体复制再到细胞分裂的过程,就清楚展示了配对碱基作为基因的本质与功能。基因是结构单位,是突变单位,是重组单位。基因具有控制生物遗传性状和活性调节的功能。基因通过自我复制把遗传信息准确地代代相传。通过控制酶的合成来控制生物的代谢过程,从而控制生物个体多种性状的发育表现。基因还可以通过控制结构蛋白成分,直接控制生物的性状。这里讲的生物可以说覆盖了地球上从最微小的细菌、噬菌体开始到地球上智慧最高的花朵———人类,都是一样,能够想象得出吗?地球上的亿万种生物,说到底都是由这四个碱基组成的不同片段,组成千变万化的基因控制的。你不但与猴子、老鼠、大象、犬类都是很近的亲戚,你还是青蛙、鱼儿、花儿、杂草、苔藓、细菌的远房亲戚。想起来,甚至有点恐怖。其实,世界上的各类物质,都是由不同元素组成的,他们都排列在元素周期表上。只不过是以各种形式,记载着有机、无机两大类物质的组成情况。再说白了,这些有生命的东西,其最基本的元素也是逃脱不了元素周期表所包含的内容。天地万物,同出一处,奇妙无穷,有待探究,不是吗?人们不是正在加紧研究那些占了宇宙70%以上不为人类所知道的“暗物质”吗?从这儿想开,对目前转基因研究中发生的种种猜想与争论,正确与错误的交叉,就不足为怪了。它是促进人类认识宇宙万物本质的巨大动力,大家要珍惜它。人体基因存在于细胞核的染色体中,估计不足2.5万个。由总数30亿对碱基组成。由中国参与(1%)国际合作的人类基因组计划(HGP),已经完成了人类基因组序工作。这已经或必将为人类更深入地认识自己,包括对疾病的战胜,建造了一个日趋完善的平台。水稻、小麦、小鼠等基因组序工作都很出色,为我们基因改造、基因疾病、基因经济的研究提供了很好的科学基础。3“转移”是什么？3.1远缘杂交研究的重要性转基因就是一种生物体内的基因转移到另一种生物或同种生物的不同品种的过程。在自然界,动物的不同品种、不同类型之间交配(如猫、狗、猪),植物的花粉通过不同的媒介飘到另一植物的雌蕊上,并与其杂交。这些过程都能产生基因的转移。转基因是自然界每天都在发生的事情,只不过自然界中的基因转移是没有目标的,好的坏的都一起转。而且是严格地控制在同一物种内(动物特别显著)。植物也要控制在亲缘关系很近的种类之间。人类为了改良品种,提高农作物的产量、品质,增强其抗病虫、抗逆能力、抗寒、抗旱、抗盐碱等品质,常常采用人工杂交,远缘杂交的方法来育种,伟大的自然改造者———米丘林就是常用这种方法来培育新品种。但是获得的性状很难遗传,远缘杂交的杂种是不育的。所以,已故著名遗传学家谈家桢教授曾说过,米丘林是位园艺学家,不是遗传学家。从这个意义上讲,也谈不上遗传学有什么摩尔根、米丘林两派之争。可是这场极不正常的争论,使遗传学的研究发展不知走了多少坎坷曲折的道路,更令人痛心的是,多少国际著名的遗传学家丧命于这场斗争的屠刀下。科学发展到今天,特别是分子生物学、生物化学突飞猛进的发展,科学家利用现代生物技术的方法,将人们所需要的基因先进行定位,分离、克隆,然后再将这个目的基因,通过载体转移到我们目标生物品种中去。这种以生物技术的手段来转移基因的过程,就是人们现在日常生活中无处不碰到的“转基因”问题。放在餐桌上的“转基因”食品,能不能吃,有害吗?敢吃吗?更加不应该的是这些食品不标明是否是“转基因”食品。3.2细胞生物学法(1)农杆菌法:农杆菌细胞内有一种很大的Ti质粒,研究发现,Ti质粒的DNA大环上有一段碱基序列(T-DNA),可以转移到受染植物的细胞内,并整合到受体细胞的DNA中,成为受体基因组的一部分。农杆菌介导法就是用目的基因对Ti质粒进行质粒重组,并使目的基因插入到Ti质粒大环的非必须区域或替换掉T-DNA部分区域,然后让重组后的Ti质粒整合到受体细胞中,达到转基因的目的。实用中通常采用Ti质粒衍生出来的载体系统。该法在单子叶植物转基因研究中获得了一定的成功。(2)显微注射法:在显微镜下,用微型注射针把外源基因或重组的载体DNA分子直接注射到受体细胞中。这种方法在鼠、兔、鱼、猪和一些植物的转基因操作中获得成功。但是这种方法最好使用于大的卵细胞,其他小细胞的失败率很大,一次只能处理一个,效率也很低。(3)电击法:电穿孔转基因法,把受体细胞放在一个高强的电场中,让电脉冲在细胞膜上打出一些孔,让外源基因或含有外源基因的载体容易进入受体。用这种方法,只要对50mL细胞用适当的脉冲处理4.6ms,就可以转化10亿个细胞,效率很高。(4)基因枪法:又名微粒轰击法,该法是先用氯化钙、亚精胺或聚乙二醇等试剂让DNA分子沉淀。然后用直径约1~4μm的球状金粉或钨粉颗粒包被DNA分子。最后用基因枪装置,借助火药或其他瞬间力量,在高压下,使包被DNA微粒以很高的速度穿越植物细胞壁或动物细胞膜,而进入细胞。这是一种经济、实用、适用范围广的转基因方法。近年来,研究成功的克隆技术、PCR技术(聚合酶链式反应)、基因测序技术、基因打靶技术、基因芯片技术等,都是转基因研究,是基因经济中的重要高新技术。4林林总总“转化”科技成果4.1小鼠精子的制备1982年,美国科学家将大鼠的生长激素基因和小白鼠的金属硫蛋白(MT)启动基因组成重组体,然后用显微注射法注射到小白鼠的受精卵中,再借腹怀胎,将受精卵移植到另一只小白鼠子宫内。结果发现,产生的小白鼠均生长速度比普通小白鼠快50%,体重是1.8倍。科学家们称转基因后的小鼠为“超级小鼠”。“超级小鼠”开创了动物基因改造的先例。4.2蛋白酶抑制剂1991年,英国PPL公司采用显微注射方法,得到了4只转基因绵羊,利用绵羊乳腺生产一种含蛋白酶抑制剂AAT的药用蛋白质。AAT对治疗遗传性肺气肿有特殊疗效。中国北京、深圳等都有转基因动物繁殖基地。1996年,5只转基因的羊在上海诞生,检测后代表明,每只均能分泌含凝血因子IX用于治疗血友病,外源基因整合率达100%。1999年,又诞生了能分泌人的白蛋白的转基因牛。4.3通过基因克隆猪进行移植2000年3月14日,曾经成功克隆了多利绵羊的PPL公司宣布:采用“基因敲除”技术得到了5头转基因克隆猪,这些转基因猪由于去除了一个引发人体排斥的基因,因此,大大增加了人体移植猪器官的可能性。由于猪的器官大小与人相似,生理也有很大的相似之处,基因差距也不大,这样可以避免了烦人的伦理问题。上世纪70年代,猪胰岛素就广泛应用于人类。4.4为一般鼠的nr2b基因序列作诱导由来自华东师大的美国华裔科学家钱卓领导的普林斯顿大学的分子生物学研究团队,培养出一种经过NR2B基因改造的“聪明鼠”,就是将利于学习和记忆的NR2B基因复制一份,植入普通鼠的受精卵中,使其发育。其记忆力比普通鼠高出4~5倍。这一成果发表在1999年9月2日出版的“自然”杂志上。钱卓博士还介绍说:利用基因技术研制新药,可能为某些先天智障儿童或老年痴呆患者带来福音。甚至想利用转基因技术将NR2B植入人类的胚胎,当然,这只是想法,距离现实还不知道有多远呢。4.5以转羊为原料生产的转食单品质、转牛乳的过程,以提高服务操作成本等.如上所述,英国PPL公司转基因绵羊乳腺可以生产一种含AAT的药用蛋白质,对治疗遗传性肺气肿有很特殊的疗效。而且对肺炎、囊性纤维化等疾病也有很好的疗效。每升羊奶中AAT的含量约为30g,每只绵羊奶期每年可达到8000L,而每升此种羊奶售价为6000美元,一只转基因羊,一年能产20kgAAT蛋白。大约有1000只这样的转基因绵羊就能满足全世界肺气肿患者对AAT的需求了。上海曾溢滔教授培育的转基因山羊中的乳汁含有凝血因子IX,而培育的转基因牛乳汁则含有人的白蛋白。有人估称,如果用其他生物技术生产1g药用蛋白质,费用为800~5000美元,而用产乳量高的转基因家畜生产1g药用蛋白质,所需成本不超过0.5美元,相差千倍万倍了。甚至有人估称,美国每年白蛋白的需求量为100kg,只需要5000头转基因牛或10万只转基因羊就可解决。如此推断,“转基因”带来的经济效益是惊人的,这方面的研究蕴藏着巨大的经济效益。不言而喻,也包含着巨大的风险。只要有一点瑕疵发生,就会遭来全军覆没的险境。因为那是用在人类身上,而人的个体差异也是千变万化的,不能有一点疏漏。4.6利用植物基因型疫苗生产口服疫苗利用转基因技术,将特定目的基因转入植物,可使植物作为生物反应器,高效表达特定的蛋白质。1990年第一例利用植物转基因表达系统生产口服疫苗问世以来,已有多种疫苗和蛋白在转基因植物中得到成功的表达。中国农科院成功地将乙型肝炎病毒表面抗原基因导入马铃薯和番茄。经过饲喂小鼠试验检测到较高的保护性抗体,浓度足以对人类产生保护作用。吃几个马铃薯、番茄就能预防乙肝,能行吗?有什么副作用呢?都需冷静地等待科学家进一步研究的回答。4.7农杆菌诱导法转移到了大果猕猴桃新西兰从一种水果红肉猕猴桃中分离提取出控制红肉的基因,用农杆菌介导法转移到大果猕猴桃品种中,得到了果重达70g以上的红肉猕猴桃。随后,在苹果、葡萄、扁桃、柑橘、芒果、日本柿、杏、山核桃、橡胶树等经济林木中大量地获得了转基因植株。4.8转移的花朵使世界上的花朵更加美丽在颜色、形态、香味、抗病虫害、保鲜等方面都取得令人兴奋的成功。与其他植物相比,花卉是最容易产业化投入市场的。4.9等待生物安全评估的转鱼中国是研究转基因鱼最早的国家,十多年来,取得很大的进展。已有两种转基因鲤鱼,正在安全评价中,尚无商业化生产。4.10旋转轴非转大豆这是美国孟山都公司首先研究发明的,也是影响力最大的转基因作物。1994年美国转基因大豆进入商业化生产以来,得到了迅速的发展。美国、阿根廷、加拿大是种植大户。2004年,美国转基因大豆作物种植面积已占大豆总种植面积的86%,占全球转基因作物的60%,所有转基因大豆均为抗除草剂大豆。2010年,全球转基因作物面积为1.48×104亿m2,美国占45.1%、巴西占17.2%、阿根廷占15.5%。3个美洲大户已占了全球的80%,大豆、玉米是主要对象。整个欧洲都