轉基因技術的應用與糧食的可持續(xù)發(fā)展

轉基因技術的應用與糧食的可持續(xù)發(fā)展

1糧食危機研究的“一般程序”聯(lián)合國人口銀行會報告稱，2011年10月31日，世界人口達到70億。到2025年，他們將超過80億。到目前為止，這可能超過100億?！叭绾勿B(yǎng)活世界?”“如何養(yǎng)活70億人?”成了全球人民十分關切的問題,大家議論紛紛、眾說紛紜,甚至分歧十分激烈,大相徑庭。爭論往往集中在對轉基因技術的分歧上。支持者會列舉出很多優(yōu)點,來贊揚轉基因作物的強大生命力以及在作物保護中發(fā)揮的巨大作用,并且認為今后將會發(fā)揮更大的作用。養(yǎng)活這個世界,將來得主要指望它啦!而持不同意見的人,則完全不這樣認為?！段膮R報》于2011年10月31日,在世界人口達到70億之際,特別發(fā)表了該報記者田曉玲就糧食安全等問題對美國著名經濟學家《糧食危機》的作者威廉·恩道爾(WilliamEngdahl)的訪問錄?，F(xiàn)摘抄一部分,作為這些意見的一種反映。文匯報記者認為:為了提高糧食產量,轉基因技術的確被普遍運用到了糧食種植過程之中。還有很多人認為轉基因食品是解決人口迅速增長過程中出現(xiàn)的糧食危機的最優(yōu)選擇。恩道爾談到:“恰恰相反,美國等一些國家都做了相關實驗證明,不論大豆還是玉米,每英畝轉基因糧食產量兩三年以后都會下降,而并不是很多人想象中的增加。更糟糕的是野草大量出現(xiàn),這是我們所不想要的東西。它們被稱為超級野草,具有很大的破壞力,普通的化學除草劑對此不起作用。很多國家都出現(xiàn)了這種情況,因為野草出現(xiàn)而導致糧食歉收。轉基因食品并不能真正解決全球的糧食危機。農業(yè)工業(yè)化和農業(yè)商業(yè)化是最重要的問題。為了追逐利潤,食物生產鏈被加以工業(yè)化,從種子到土壤到糧食直到超市銷售,每樣東西都是借助利潤丈量的,越來越多的人意識到這些問題的嚴重性。在美國也是這樣,人們意識到食品質量的重要性。食品成為導致人們健康問題以至于疾病的原因,他們吃不到高質量的食物,也就得不到身體所需的維生素等各種營養(yǎng)。他們吃到的是工業(yè)化食品,這些東西看上去像食品,聞上去像食品,但不是食品。我在《糧食危機》一書中就提到,轉基因食品和種子諸如玉米、大豆、大米等,其背后的議程是同人口控制有關的,而不是替人類著想,提高糧食的質量。這是洛克菲勒基金會幾十年前就提出的政治議程,他們做了很多研究,以便找到控制地球人口的方法。拿一些嚇人的數(shù)字告訴人們說,我們需要另一個星球,我們必須控制人口等,是西方強勢群體所設定的議程,即通過控制人口來控制世界。我指的是在美國和歐洲那些想要控制全球人口的人?！逼鋵?近些年來,國內外有關轉基因研究成果的爭論已經十分激烈,國外曾經有過幾次反對的浪潮,國內由于大家獲取的信息不對稱,爭論雙方所掌握的專業(yè)知識不盡相同,反對的人士往往會使用一些過激的提法來指責對方,甚至將轉基因的研究工作與研究人員上綱到十分嚇人的政治層面。而支持的人士指責反對者是“科盲”,不懂生物新技術的偉大意義,不懂什么是“基因”?什么是“轉基因”?完全是無知,瞎嚷嚷。最痛苦的是廣大老百姓,給弄得稀里糊涂,不知道“轉基因”食品究竟有沒有毒?能不能吃?這問題量大而面廣,太實際了!2現(xiàn)代遺傳百年歷史史為使大家對這兩個問題有個初步的、然而又是科學的了解,簡單回顧一下現(xiàn)代遺傳學百年發(fā)展史是十分有益的。面對有些爭論的問題,就能說出個“所以然”,而不會被對方說你是個“科盲”,只會瞎嚷嚷。2.1factor的誕生孟德爾,1822年生于奧地利,在布呂恩修道院當修道士。用自花授粉的純種豌豆做試驗,經過8年的艱辛試驗,發(fā)現(xiàn)了孟德爾第一遺傳定律———因子分離定律,第二定律———因子自由組合定律。提出了“隱性”“顯性”因子的概念。孟德爾當時提到的遺傳因子(factor)實際上就是今天的基因,只不過孟德爾只是將遺傳因子看作為父代傳給子代的遺傳單位,不知道它的成分,更不知道在哪里能找到它。1866年,孟德爾這一偉大發(fā)現(xiàn)的論文《植物雜交試驗》發(fā)表在當?shù)氐摹恫紖味髯匀豢茖W會刊》第四卷上。孟德爾激動地宣稱:我的時代已經來了!直到1884年他去世時,一直沒有得到世人的關注。去世16年后,1900年,也就是論文發(fā)表35年后,歐洲三位植物學家在研究遺傳規(guī)律查閱資料時才重新發(fā)現(xiàn)了孟德爾的偉大成果。孟德爾定律的重新被證實,轟動了整個生物界。從此,世界把孟德爾看成為現(xiàn)代遺傳學之父。1900年被看作為現(xiàn)代遺傳學的起點。在科學史上,重新發(fā)現(xiàn)孟德爾定律的三位科學家的高尚品德也同樣被人們所敬仰。尊重先者,尊重歷史,也就尊重了科學,尊重了自己。他們是荷蘭人德弗里斯、德國人科倫斯、奧地利人切爾邁克。2.2分離體的遺傳關系1879年,德國生物學家弗萊明發(fā)現(xiàn),細胞核里面有一些可以被堿性染料染上顏色的顆粒,稱之為“染色質”。1888年,德國解剖學家沃爾德把這種上色顆粒命名為“染色體”。人們還發(fā)現(xiàn),同一物種所有細胞核內的染色體數(shù)目是固定不變的,而且是成對出現(xiàn)的。在細胞有絲分裂過程中,染色體的數(shù)目還能復制增倍,分裂后,一分為二,又回復到原來的數(shù)目。而在生殖細胞形成的過程中,數(shù)目只有一半,另一半被丟掉,這叫減數(shù)分裂。當雌雄生殖細胞再通過受精結合后,又將各自的一半合并為原來每個體細胞所具有數(shù)目。這種關系正好與孟德爾的分離、組合遺傳因子相對應。因此,1903年美國細胞學家薩頓就大膽設想孟德爾的“遺傳因子”存在于染色體上,新生命的遺傳因子一半來自父親,一半來自母親。此說一經提出,遭到許多人的反對。因為,沒有更多的試驗支撐。美國生物學家摩爾根也是激烈反對者之一。這里還必須提到,1909年丹麥的約翰遜首先提出了“基因”的概念,他定義為“基因是用來表示任何一種生物中控制任何性狀及其遺傳規(guī)律又符合孟德爾定律的遺傳因子。”很顯然,他給出的仍然是一個概念,沒有提出基因的物質基礎是什么。遺傳學為genetics,他可能取其詞首作為遺傳因子的稱號“gene”,應該說,中文將gene翻譯成“基因”堪稱翻譯一絕,太妥帖了,音義俱佳。2.3摩爾根的遺傳多樣性1909年,美國生物學家摩爾根開始果蠅試驗研究,他原來是一位胚胎學家。以果蠅做材料有許多好處,果蠅繁殖周期短,身體性狀明顯,便于觀察,特別是他發(fā)現(xiàn)了果蠅幼蟲唾液腺細胞染色體巨大,染色后,斑紋明顯清晰。由于繁殖后代數(shù)目多,十分適宜做數(shù)量統(tǒng)計分析。摩爾根不但用這個巨大染色體的斑紋與果蠅繁多的性狀對照起來,驗證了遺傳連鎖互換定律。果蠅巨大的四對染色體(其中有一對性染色體),為摩爾根撰寫“基因論”提供了得天獨厚的試驗材料。摩爾根不僅證實了遺傳基因與染色體的關系,而且成功將各種基因在染色體上的位置,繪圖展示于世。摩爾根的功績在于明確指出:遺傳因子的物質基礎就是染色體。任何一種假說,只有找到研究對象的物質基礎,才能表明這種假說是真理。這一點對做科學研究的人來說,是至關重要的。1933年,摩爾根因此獲得了諾貝爾生理學和醫(yī)學獎,這是遺傳學家第一次獲得的殊榮。別忘了他原來是一位胚胎學家。2.4誰是基因—威爾金斯、沃森、克里克———脫氧核糖核酸DNA的雙螺旋結構美國生物物理學家威爾金斯采用X-射線衍射晶體技術對DNA進行研究發(fā)現(xiàn),DNA的分子是有規(guī)律的,并推測可能是螺旋體結構。DNA是染色體的主要組成部分。美國生物學家沃森1951年在劍橋大學做博士后工作與英國分子生物學家克里克合作研究DNA,他們研究了威爾金斯的X-射線結構和分子可能存在的立體化學結構。同時,再博覽了當時許多研究者關于DNA研究所取得的成果,用自己的智慧,經過計算、分析和想象,于1953年提出DNA的雙螺旋分子結構模型。這是一對三十歲上下的年輕科學家,在劍橋大學校外一間酒吧閑談時,報告了這一驚天的科研成果,受到著名卡文迪許實驗室主任的大力推崇,發(fā)表在“自然”雜志上。1956年美國的康貝格等按照這一模型的假說,成功地人工合成了DNA。由于沃森、克里克和威爾金斯的杰出貢獻,三位科學家于1962年獲得了諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。記住,這三位科學家同樣都不是學習遺傳專業(yè)出身的。進一步的研究了解了DNA雙螺旋結構是由四種堿基組成:腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T),并按照A-T、C-G配對的原則組合。DNA這樣配對組合的片段就是“基因”,它可以復制自己,把遺傳信息代代相傳。而這些基因編碼又控制蛋白質的合成,所有的后代性狀都是各式各樣蛋白體的表現(xiàn)。從基因自我復制到染色體復制再到細胞分裂的過程,就清楚展示了配對堿基作為基因的本質與功能?；蚴墙Y構單位,是突變單位,是重組單位。基因具有控制生物遺傳性狀和活性調節(jié)的功能。基因通過自我復制把遺傳信息準確地代代相傳。通過控制酶的合成來控制生物的代謝過程,從而控制生物個體多種性狀的發(fā)育表現(xiàn)?；蜻€可以通過控制結構蛋白成分,直接控制生物的性狀。這里講的生物可以說覆蓋了地球上從最微小的細菌、噬菌體開始到地球上智慧最高的花朵———人類,都是一樣,能夠想象得出嗎?地球上的億萬種生物,說到底都是由這四個堿基組成的不同片段,組成千變萬化的基因控制的。你不但與猴子、老鼠、大象、犬類都是很近的親戚,你還是青蛙、魚兒、花兒、雜草、苔蘚、細菌的遠房親戚。想起來,甚至有點恐怖。其實,世界上的各類物質,都是由不同元素組成的,他們都排列在元素周期表上。只不過是以各種形式,記載著有機、無機兩大類物質的組成情況。再說白了,這些有生命的東西,其最基本的元素也是逃脫不了元素周期表所包含的內容。天地萬物,同出一處,奇妙無窮,有待探究,不是嗎?人們不是正在加緊研究那些占了宇宙70%以上不為人類所知道的“暗物質”嗎?從這兒想開,對目前轉基因研究中發(fā)生的種種猜想與爭論,正確與錯誤的交叉,就不足為怪了。它是促進人類認識宇宙萬物本質的巨大動力,大家要珍惜它。人體基因存在于細胞核的染色體中,估計不足2.5萬個。由總數(shù)30億對堿基組成。由中國參與(1%)國際合作的人類基因組計劃(HGP),已經完成了人類基因組序工作。這已經或必將為人類更深入地認識自己,包括對疾病的戰(zhàn)勝,建造了一個日趨完善的平臺。水稻、小麥、小鼠等基因組序工作都很出色,為我們基因改造、基因疾病、基因經濟的研究提供了很好的科學基礎。3“轉移”是什么？3.1遠緣雜交研究的重要性轉基因就是一種生物體內的基因轉移到另一種生物或同種生物的不同品種的過程。在自然界,動物的不同品種、不同類型之間交配(如貓、狗、豬),植物的花粉通過不同的媒介飄到另一植物的雌蕊上,并與其雜交。這些過程都能產生基因的轉移。轉基因是自然界每天都在發(fā)生的事情,只不過自然界中的基因轉移是沒有目標的,好的壞的都一起轉。而且是嚴格地控制在同一物種內(動物特別顯著)。植物也要控制在親緣關系很近的種類之間。人類為了改良品種,提高農作物的產量、品質,增強其抗病蟲、抗逆能力、抗寒、抗旱、抗鹽堿等品質,常常采用人工雜交,遠緣雜交的方法來育種,偉大的自然改造者———米丘林就是常用這種方法來培育新品種。但是獲得的性狀很難遺傳,遠緣雜交的雜種是不育的。所以,已故著名遺傳學家談家楨教授曾說過,米丘林是位園藝學家,不是遺傳學家。從這個意義上講,也談不上遺傳學有什么摩爾根、米丘林兩派之爭。可是這場極不正常的爭論,使遺傳學的研究發(fā)展不知走了多少坎坷曲折的道路,更令人痛心的是,多少國際著名的遺傳學家喪命于這場斗爭的屠刀下?？茖W發(fā)展到今天,特別是分子生物學、生物化學突飛猛進的發(fā)展,科學家利用現(xiàn)代生物技術的方法,將人們所需要的基因先進行定位,分離、克隆,然后再將這個目的基因,通過載體轉移到我們目標生物品種中去。這種以生物技術的手段來轉移基因的過程,就是人們現(xiàn)在日常生活中無處不碰到的“轉基因”問題。放在餐桌上的“轉基因”食品,能不能吃,有害嗎?敢吃嗎?更加不應該的是這些食品不標明是否是“轉基因”食品。3.2細胞生物學法(1)農桿菌法:農桿菌細胞內有一種很大的Ti質粒,研究發(fā)現(xiàn),Ti質粒的DNA大環(huán)上有一段堿基序列(T-DNA),可以轉移到受染植物的細胞內,并整合到受體細胞的DNA中,成為受體基因組的一部分。農桿菌介導法就是用目的基因對Ti質粒進行質粒重組,并使目的基因插入到Ti質粒大環(huán)的非必須區(qū)域或替換掉T-DNA部分區(qū)域,然后讓重組后的Ti質粒整合到受體細胞中,達到轉基因的目的。實用中通常采用Ti質粒衍生出來的載體系統(tǒng)。該法在單子葉植物轉基因研究中獲得了一定的成功。(2)顯微注射法:在顯微鏡下,用微型注射針把外源基因或重組的載體DNA分子直接注射到受體細胞中。這種方法在鼠、兔、魚、豬和一些植物的轉基因操作中獲得成功。但是這種方法最好使用于大的卵細胞,其他小細胞的失敗率很大,一次只能處理一個,效率也很低。(3)電擊法:電穿孔轉基因法,把受體細胞放在一個高強的電場中,讓電脈沖在細胞膜上打出一些孔,讓外源基因或含有外源基因的載體容易進入受體。用這種方法,只要對50mL細胞用適當?shù)拿}沖處理4.6ms,就可以轉化10億個細胞,效率很高。(4)基因槍法:又名微粒轟擊法,該法是先用氯化鈣、亞精胺或聚乙二醇等試劑讓DNA分子沉淀。然后用直徑約1~4μm的球狀金粉或鎢粉顆粒包被DNA分子。最后用基因槍裝置,借助火藥或其他瞬間力量,在高壓下,使包被DNA微粒以很高的速度穿越植物細胞壁或動物細胞膜,而進入細胞。這是一種經濟、實用、適用范圍廣的轉基因方法。近年來,研究成功的克隆技術、PCR技術(聚合酶鏈式反應)、基因測序技術、基因打靶技術、基因芯片技術等,都是轉基因研究,是基因經濟中的重要高新技術。4林林總總“轉化”科技成果4.1小鼠精子的制備1982年,美國科學家將大鼠的生長激素基因和小白鼠的金屬硫蛋白(MT)啟動基因組成重組體,然后用顯微注射法注射到小白鼠的受精卵中,再借腹懷胎,將受精卵移植到另一只小白鼠子宮內。結果發(fā)現(xiàn),產生的小白鼠均生長速度比普通小白鼠快50%,體重是1.8倍?？茖W家們稱轉基因后的小鼠為“超級小鼠”?！俺壭∈蟆遍_創(chuàng)了動物基因改造的先例。4.2蛋白酶抑制劑1991年,英國PPL公司采用顯微注射方法,得到了4只轉基因綿羊,利用綿羊乳腺生產一種含蛋白酶抑制劑AAT的藥用蛋白質。AAT對治療遺傳性肺氣腫有特殊療效。中國北京、深圳等都有轉基因動物繁殖基地。1996年,5只轉基因的羊在上海誕生,檢測后代表明,每只均能分泌含凝血因子IX用于治療血友病,外源基因整合率達100%。1999年,又誕生了能分泌人的白蛋白的轉基因牛。4.3通過基因克隆豬進行移植2000年3月14日,曾經成功克隆了多利綿羊的PPL公司宣布:采用“基因敲除”技術得到了5頭轉基因克隆豬,這些轉基因豬由于去除了一個引發(fā)人體排斥的基因,因此,大大增加了人體移植豬器官的可能性。由于豬的器官大小與人相似,生理也有很大的相似之處,基因差距也不大,這樣可以避免了煩人的倫理問題。上世紀70年代,豬胰島素就廣泛應用于人類。4.4為一般鼠的nr2b基因序列作誘導由來自華東師大的美國華裔科學家錢卓領導的普林斯頓大學的分子生物學研究團隊,培養(yǎng)出一種經過NR2B基因改造的“聰明鼠”,就是將利于學習和記憶的NR2B基因復制一份,植入普通鼠的受精卵中,使其發(fā)育。其記憶力比普通鼠高出4~5倍。這一成果發(fā)表在1999年9月2日出版的“自然”雜志上。錢卓博士還介紹說:利用基因技術研制新藥,可能為某些先天智障兒童或老年癡呆患者帶來福音。甚至想利用轉基因技術將NR2B植入人類的胚胎,當然,這只是想法,距離現(xiàn)實還不知道有多遠呢。4.5以轉羊為原料生產的轉食單品質、轉牛乳的過程,以提高服務操作成本等.如上所述,英國PPL公司轉基因綿羊乳腺可以生產一種含AAT的藥用蛋白質,對治療遺傳性肺氣腫有很特殊的療效。而且對肺炎、囊性纖維化等疾病也有很好的療效。每升羊奶中AAT的含量約為30g,每只綿羊奶期每年可達到8000L,而每升此種羊奶售價為6000美元,一只轉基因羊,一年能產20kgAAT蛋白。大約有1000只這樣的轉基因綿羊就能滿足全世界肺氣腫患者對AAT的需求了。上海曾溢滔教授培育的轉基因山羊中的乳汁含有凝血因子IX,而培育的轉基因牛乳汁則含有人的白蛋白。有人估稱,如果用其他生物技術生產1g藥用蛋白質,費用為800~5000美元,而用產乳量高的轉基因家畜生產1g藥用蛋白質,所需成本不超過0.5美元,相差千倍萬倍了。甚至有人估稱,美國每年白蛋白的需求量為100kg,只需要5000頭轉基因牛或10萬只轉基因羊就可解決。如此推斷,“轉基因”帶來的經濟效益是驚人的,這方面的研究蘊藏著巨大的經濟效益。不言而喻,也包含著巨大的風險。只要有一點瑕疵發(fā)生,就會遭來全軍覆沒的險境。因為那是用在人類身上,而人的個體差異也是千變萬化的,不能有一點疏漏。4.6利用植物基因型疫苗生產口服疫苗利用轉基因技術,將特定目的基因轉入植物,可使植物作為生物反應器,高效表達特定的蛋白質。1990年第一例利用植物轉基因表達系統(tǒng)生產口服疫苗問世以來,已有多種疫苗和蛋白在轉基因植物中得到成功的表達。中國農科院成功地將乙型肝炎病毒表面抗原基因導入馬鈴薯和番茄。經過飼喂小鼠試驗檢測到較高的保護性抗體,濃度足以對人類產生保護作用。吃幾個馬鈴薯、番茄就能預防乙肝,能行嗎?有什么副作用呢?都需冷靜地等待科學家進一步研究的回答。4.7農桿菌誘導法轉移到了大果獼猴桃新西蘭從一種水果紅肉獼猴桃中分離提取出控制紅肉的基因,用農桿菌介導法轉移到大果獼猴桃品種中,得到了果重達70g以上的紅肉獼猴桃。隨后,在蘋果、葡萄、扁桃、柑橘、芒果、日本柿、杏、山核桃、橡膠樹等經濟林木中大量地獲得了轉基因植株。4.8轉移的花朵使世界上的花朵更加美麗在顏色、形態(tài)、香味、抗病蟲害、保鮮等方面都取得令人興奮的成功。與其他植物相比,花卉是最容易產業(yè)化投入市場的。4.9等待生物安全評估的轉魚中國是研究轉基因魚最早的國家,十多年來,取得很大的進展。已有兩種轉基因鯉魚,正在安全評價中,尚無商業(yè)化生產。4.10旋轉軸非轉大豆這是美國孟山都公司首先研究發(fā)明的,也是影響力最大的轉基因作物。1994年美國轉基因大豆進入商業(yè)化生產以來,得到了迅速的發(fā)展。美國、阿根廷、加拿大是種植大戶。2004年,美國轉基因大豆作物種植面積已占大豆總種植面積的86%,占全球轉基因作物的60%,所有轉基因大豆均為抗除草劑大豆。2010年,全球轉基因作物面積為1.48×104億m2,美國占45.1%、巴西占17.2%、阿根廷占15.5%。3個美洲大戶已占了全球的80%,大豆、玉米是主要對象。整個歐洲都