第二章-转基因植物的安全性

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1、第二章 转基因植物的安全性,第一节 转基因植物概况 第二节 转基因植物安全性评价 第三节 主要转基因植物安全性评价 第四节 转基因植物安全管理,第一节 转基因植物概述,转基因植物是指采用基因工程手段将外源基因(动物, 微生物,或其他植物)导入受体植物细胞,并由重组体细胞再生而成的植物体(GMP).转基因植物也称基因修饰植物. 世界上首例转基因植物是1983年问世的转基因烟草. 最早进行田间试验的转基因植物是转基因棉花(1986) 现全球已在200多种植物中实现转基因.,转基因植物生产疫苗,一 转基因植物的应用,1 全球转基因植物应用的状况 目前在转基因植物中成功表达的基因主要有: 抗除草剂基因

2、, 抗虫基因, 抗病基因, 抗逆基因, 品质改良基因, 雄性不育基因, 迟熟基因和改变花色基因等数十种. 已从这些转基因植物中选育出众多具有丰产、优质、抗病、抗虫、抗除草剂、抗寒、抗早、耐盐碱等优良性状的新品种. 至2010年, 全球已有22个国家共种植1.48亿公顷转基因作物. 主要种植国家是美国、阿根廷、巴西、加拿大、印度及中国.,2 中国转基因植物应用的现状 我国从上世纪90年代开始转基因植物的研发和应用, 实现从 跟踪仿制自主创新产业化 的跨越, 走在发展中国家的前列. 自主克隆的基因已超过400个，其中抗虫基因约50个、抗病基因近60个、抗逆基因160多个、生长发育相关基因近80个、

3、品质与产量相关基因70多个、抗除草剂基因4个, 共申请专利300多项. 2010年, 我国共种植转基因植物350万公顷, 主要包括: 棉花、番木瓜、白杨、蕃茄和甜椒等. 其中抗虫棉种植面积占全国棉花总种植面积的66%. 中国已批准进口的转基因农产品包括:转基因油菜(籽)、转基因棉花、转基因玉米、转基因大豆.,3 转基因植物应用的利弊 中国转基因植物实验品种包括: 棉花、木瓜、番茄、甜椒、杨树、牵牛花、牧草、草莓、葡萄、甘蔗，可能还有更多. 转基因植物的产业化，由于提高产量、品质和节约大量劳力，而带来巨大的经济效益。全球转基因植物产品的销售额1995年仅7500万美元，1996年达2.35亿美元

4、，到1999年达到23亿美元, 预计现已达到35 -45亿美元. 种转基因抗病虫和抗逆(耐)植物可减少农用化学品使用, 有利于改善农业生态环境和农产品安全.,开发利用转基因植物还能够拓展产业形态，提高产品附加值: 功能性和治疗性转基因食品; 转基因生物能源和环保产品; 利用生物反应器生产转基因医药和检测试剂. 转基因作物及转基因食品的泛滥或失控可能造成的对于环境、生态、生物多样性、动物与人类健康的危害或风险, 引起越来越多的争议和担扰. 转基因植物向外释放对生态环境的风险; 抗性基因向杂草转移的可能性和潜在危险性; 转基因食品对人体健康的影响; 公众的知情权和消费者权益保护.,二 抗除草剂转基

5、因植物,1 除草剂的种类及应用 除草剂是指能杀死田间杂草的化学药剂. 目前使用的除草剂可分为选择性除草剂和灭生性除草剂两类, 后者为非选择性除草剂. 选择性除草剂可在一定剂量范围内杀死杂草而对作物无害或低毒. 可在特定农田中防除部分杂草. 灭生性除草剂能杀死作物和杂草, 只能用于种植前除草、定向除草或树下除草. 任何除草剂的过量使用都有可能对作物产生毒害和残留, 包括土壤残留.,2 抗除草剂转基因作物 一些微生物和植物能够产生分解某种除草剂的酶, 其编码基因称为抗除草剂基因. 利用基因工程技术将抗除草剂基因转入植物中表达而形成的转基因植物,赋予了抗某种除草剂的特性, 称为抗除草剂转基因植物.

6、种植抗除草剂转基因植物的农田可在生长期间较高剂量地使用除草剂. 种植抗除草剂转基因植物可简化除草作业、提高产量；并有利于推广少耕或免耕技术，从而保护土壤，节约能源、肥料和灌溉用水，具有明显的经济效益和一定的生态效益。,3 抗除草剂转基因植物的抗性机理 提高靶标酶或靶标蛋白基因的表达量，减轻或消除靶标酶或靶标蛋白受抑制，即被除草剂结合后仍有相当浓度的靶标物，从而产生除草剂耐性； 通过基因突变产生对除草剂不敏感的靶标酶或靶标蛋白异构体，使其不能与除草剂结合，但生物活性不降低，因而对除草剂具有抗性。 抗除草剂基因表达产生能降解（或转化）除草剂的酶或酶系统，将除草剂分解（或转化）为无毒或低毒的代谢产物

7、，或在一定程度上降低甚至消解除草剂的危害。,三 抗虫转基因植物,1 抗虫转基因植物的应用状况 害虫是农业的第一危害，引起作物产量下降、品质降低，而杀虫剂的应用在减少虫害的同时，也可能导致害虫的抗药性和农药在植物产品和土壤中的残留. 将苏云金芽孢杆菌(Bt)毒蛋白基因转入植物中表达, 所产生的转基因植物细胞能产生毒蛋白, 表现出抗虫性, 称为转基因抗虫植物. 1987年美Agracetus公司首获转基因抗虫棉, 一 年后Monsanto公司获基因改造后的转基因抗虫棉, 1995年获美环保局批准登记进入商业化生产. 已获转Bt抗虫棉的国家有美、中、澳、埃、法、印、俄、泰等国.,中国1990年自主分

8、离获Bt基因克隆，其后对Bt基因进行改造，人工合成 BtCry IA基因. 1993年将BtCry IA基因成功转入中棉12和泗棉3号等主栽品种, 表现对棉铃虫抗虫能力达90%以上. 此后, 我国科学家还将BtCry IA基因和修饰后的豇豆胰蛋白酶抑制基因CPTI共导入棉花, 获双价抗虫棉, 1997年农业部批准转基因抗虫棉商业化生产, 到目前共审批了60个单价和双价抗虫棉品种. 我国抗虫棉种植从1998年27万公顷(5.4%)发展至2005年的330万公顷(70%以上), 目前抗虫棉种植约占棉花总种植面积的80%左右. 除抗虫棉, 我国还批准转Bt玉米进行环境释放试验; 抗虫稻已完成实验室研

9、制, 尚未商业化种植.,2 抗虫转基因植物的抗虫机理- Bt毒蛋白 Bt毒蛋白对鳞翅目、双翅目、鞘翅目等9个目的昆虫，螨类、寄生性线虫、原生动物、扁形动物等有特异性毒性，对人畜安全，害虫不易产生抗毒性，易于工业化生产( Bt 杀虫剂). Bt毒蛋白(ICP)由N端活性片段和C端结构片段构成, 为碱溶性蛋白, 被敏感昆虫取食后, 由于其肠道的碱性条件, ICP受消化酶的作用, 产生有活性的毒性肽, 作用于昆虫中肠上皮细胞, 与膜上特异受体结合, 使细胞穿孔, 细胞结构受破坏而丧失吸收功能, 最终导致昆虫死亡. 目前已发现有多种功能不同的Bt毒蛋白, 其毒力和杀虫的特异性有一定差异.,2 抗虫转基

10、因植物的抗虫机理-蛋白酶抑制剂 蛋白酶抑制剂是由植物组织细胞产生并储存的一类天然蛋白质. 蛋白酶抑制剂能与蛋白酶的活性部位或变构部位特异性结合, 抑制其催化活性, 或阻止蛋白酶原转化为有活性的蛋白酶, 从而调节蛋白质代谢. 当植物组织受损伤时, 细胞内蛋白酶抑制剂的表达量剧增. 昆虫取食植物组织, 植物组织中的蛋白酶抑制剂与其消化道中的蛋白酶特异结合, 抑制蛋白酶活性, 影响昆虫对食物中蛋白质的消化吸收, 扰乱昆虫的正常代谢, 导致其发育异常, 最终致死.,2 抗虫转基因植物的抗虫机理外源凝集素 外源凝集素是一组广泛存在于植物组织中的蛋白质, 在不同植物及植物的不同器官中的分布有一定差异, 以

11、种子中含量最高. 植物组织被昆虫取食后,外源凝集素释放出来, 与肠道围食膜上的糖蛋白结合, 影响昆虫的营养吸收. 此外, 外源凝集素还可诱发昆虫消化道的病灶, 促进肠道有害细菌的增生, 对虫体造成危害. 外源凝集素对人畜有毒副作用, 应用于转基因食品生产有难度, 但豌豆和雪花莲的外源凝集素对人毒性极低, 对昆虫强毒, 因而受到重视.,四 抗病转基因植物,1 植物病害与抗病性 植物病害的病原生物包括真菌、细菌、病毒、支原体和线虫等。 植物病害可导致植物体组织细胞受损、新陈代谢异常、生长发育不正常、种性退化等症状，严重的可导致死亡。 在农业生产上，植物病害可引起严重减产、品质降低、甚至使农产品带病

12、菌毒素, 影响人体健康. 抗病育种一直是主要的育种目标，其中抗病转基因植物的选育越来越受重视。,平整土地,2 抗病基因的抗病机理 植物抗病基因：来自植物，在植物生长发育的某个阶段或全生长期组成性表达，其表达产物能抑制病原生物的生长或消解病原毒素的作用。 抗真菌病害机理：病程相关蛋白PR, 核糖体大亚单位灭活蛋白, 植物凝集素(与胞壁几丁质结合), 次生代谢物关键酶(产生植保素的酶或酶系), 真菌酶, 毒素抑制剂. 抗细菌病害机理: 抗菌肽(破坏细胞膜), 溶菌酶 (破坏细胞壁). 抗病毒病害机理: 抗外壳蛋白基因(抑制细胞合成外壳蛋白), 复制酶介导的抗性(抑制病毒RNA复制酶基因表达), 小

13、分子RNA介导的抗病性(RNA干扰),五 利用转基因植物的优势,改良植物性状: 打破物种间的生殖隔离, 实现无障碍基因重组, 产生新性状. 改善植物产品品质: 获得本物种所不具备的蛋白质、氨基酸、脂肪酸、糖成份等。 改良花色：新花叶颜色、荧光色等 生物反应器：培养细胞分离次生代谢物、生产药品、酶制剂、以及其他生物制品。 改良产品货架期和贮运品质：迟熟蕃茄。,第二节 转基因植物安全性评价,所谓安全性，是指某一事物或事件在一定条件下所造成的危害程度(是否危险? 危险性多大?)和公众对风险的接受程度。 安全性评价是对某一事物或事件的安全性进行权衡，了解是否有害、发生概率和危害的可接受程度。 转基因植

14、物的安全性评价应贯穿从研发到应用的全过程, 不仅是对当前的评价, 也应包括对将来的评价，既针对转基因植物本身，也针对其衍生产品.,1 转基因植物杂草化 杂草是适应人工环境、持续危害栽培植物和耕作的非目标栽培植物的统称。 杂草在漫长进化中由于自然选择作用，适应了耕地生态环境，具有对目标栽培植物的自然竞争优势： 旺盛而顽强的生命力 抗(耐)逆性和繁殖力极强 可塑性大 在不同生境下的生长发育和繁殖调节 繁衍的复杂性和强势性 结实率高、种子寿命长 繁殖方式多样、有利传播 种子成熟度参差不齐 再生能力强,一 转基因植物的生态风险,杂草化是原本自然分布或被栽培的植物在人工生境中演化成为杂草的过程。理论上，

15、野生植物和栽培植物如果在人工生境中不受控制，都有演化为杂草的潜力。 转基因植物由于导入新基因，有可能改变其生存竞争力，或产生更强的抗逆性和适应性，释放到环境中如果管控不当，就有可能演化为杂草。 许多性状的改变都可能增加转基因植物演化为杂草的潜力和趋势： 对有害生物和逆境的抗(耐)性的提高； 种子休眠期改变、萌发率提高、繁殖力增强； 转基因植物的自然突变产生新的有利性状。,2 转基因植物的基因漂移 基因漂移或转基因逃逸是指由遗传工程方法转移到某一生物体的遗传信息(目标基因)在非转基因生物的个体、种群乃至物种之间自发移动的过程. 基因漂移包括：目标基因在转基因作物同品种个体间移动；在该作物不同品种

16、间移动；在该作物的野生近缘种(包括其杂草类型)间移动. 在同一转基因品种个体间的基因漂移不会造成生物安全问题，但转基因流向非转基因品种或其野生近缘种可能带来一系列的生物安全问题. 基因漂移主要通过以下两种方式实现：一是种子传播；二是花粉流即有性杂交.,转基因植物的种子传播是指其种子传播到另一个品种或其野生近缘种的种群内, 并建立能自我繁育的个体. 种子传播导致基因逃逸的距离较近. 转基因植物的花粉流传播是通过花粉与其他非转基因品种或其野生近缘种进行杂交和回交, 而在非转基因品种、野生近缘种的种群中建立可育的杂交和回交后代的过程. 通过花粉传播而导致的基因漂移可以是远距离的. 通过花粉流发生的基因漂移的转基因必须是位于细胞核内，即染色体基因组上. 细胞质基因组上的基因通常不能通过花粉传播. 发生花粉流基因漂移的基本条件: 亲和性; 花期一致; 空间距离; 杂交后代的适合度.,3 对非目标生物的影响 对传粉昆虫的影响: 包括对取食花粉和花蜜行为的影响, 花粉花蜜成份变化对其生长发育的影响. 对天敌昆虫的影响: 即转基因植物影