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转植酸酶基因玉米

第一部分 转基因小知识

1. 什么是基因?
        基因似乎是一个神秘莫测的名词,实际上早在中国的民谚中就蕴藏着有关基因的内在科学依据。我国民间流传的谚语“种瓜得瓜,种豆得豆”,就是借用自然界的某些相似现象来暗喻遗传学上子代和亲代的遗传规律。人有胖瘦高矮,花有红白黄紫……,这也都是遗传基因在起着很大的作用。1865年孟德尔通过碗豆杂交实验等系列研究,认为生物体之所以能够传代是因为有一种叫做“基因”的物质存在,但当时对基因的结构、特性等都一无所知。直到1953年,科学家沃森和格雷克发现了脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构,才开创了分子遗传学和分子生物学的新纪元。现在人们已能准确地回答“什么是基因?”这一问题:基因就是DNA大分子中的各个功能片段,基因是遗传信息的携带者,通过DNA复制使遗传信息在传代中保留下来。(见图1)
 



 图1 DNA 双螺旋结构

2. 基因在哪里?
        生物体的各种组织及器官都是由细胞组成的,基因存在于细胞中。而细胞中又含有细胞核、细胞质及各种细胞器,那基因的具体位置到底在哪里呢?
经大量的研究确定,基因主要存在于细胞核内的染色体上,染色体是生物体的遗传物质,主要由蛋白质和脱氧核糖核酸(DNA)组成,而基因就是具有遗传效应的DNA片段。(如图1)
基因大多并不相连,而是像珠链上的珍珠那样有距离的线性排列在DNA上。DNA也并不是散乱的分布在细胞核的各个角落,而是经过有规律的缠绕和紧密包装,形成一种称为染色体的物质。染色体已经大到可以用显微镜观察,呈丝状或棒状,由核酸和蛋白质组成,在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料着色,因此而得名。
此外,在许多细胞器中也存在着基因,如叶绿体基因组和线粒体基因组等。
延伸小知识:人体共有23对染色体,其中22对大家都有,称为常染色体;剩下1对男女有别,也称性染色体。男性的性染色体由一个X性染色体和一个Y染色体组成,而女性则有两个X性染色体。23对染色体中一半来自父方,一半来自母方。每一个染色体含有一个DNA分子,每个DNA分子含有很多个基因。

3.    什么是转基因?

        转基因的概念可以分为广义和狭义两种。
        现在大家提到的转基因主要是狭义上的,指的是通过现代先进的基因工程手段,把某个基因从生物中分离出来,然后转入到我们的目标生物的基因组中,从而使该生物具有我们想要的性状。例如,北极鱼体内的某个基因有防冻作用,科学家将它抽出,植入西红柿里,于是就制造出新品种的耐寒西红柿。转基因技术实际上是传统育种的延伸,其本质与常规杂交育种相同。传统的常规育种一次转移的是成千上万个不同植物品种甚至不同植物种类的基因;而基因工程只是转移一个或数个基因,且更为准确、更具预见性和高效率。(转基因流程如图2)
 


        广义的转基因其实一直在我们身边存在:在人类发展的历史上,物种驯化和通过杂交等技术进行的作物品种的选育一直伴随着人类的发展而存在,这些作物已经从原始的野生型通过自然杂交,人工驯化等途径,被遗传改良了。因此,自然界中物种之间的自然选择及天然杂交,以及后来的人工杂交育种以及诱变育种等手段,都可以算是转基因的范畴,只是由于这些方法基本上是人为辅助的自然杂交过程,所以人们对常规遗传育种方式没有提出异议。

4.     转基因的发展历程
      1983年世界上首例转基因烟草问世
        1986转基因作物开始田间试验
        1994年,首例转基因植物产品——耐贮存番茄进入市场,
        1996年后转基因植物的产业化迅速发展,势不可挡。
        1996至2008年在全球25个国家转基因作物累计种植面积已达8亿公顷,1996年至2008年十三年间全球转基因作物种植面积增长近74倍,相当于我国耕地面积的6.7倍。
        目前,大面积推广应用的转基因植物主要是抗虫、抗除草剂的品种,为了满足人们生活质量提高的需求,科学家正在培育抗旱耐盐、改良品质、增加营养、医疗保健及生物能源用的第二代、第三代转基因植物,不仅可使消费者直接得益,还将为解决与广大消费者日常生活紧密相关的全球性水资源短缺和能源危机作出重大贡献。

5. 我国已获准商业化并大量种植的转基因作物有哪些?
        目前我国政府已经批准抗虫棉花、抗虫杨树、抗病毒木瓜等转基因作物进行商业化种植生产。此外,转植酸酶基因玉米及抗病虫转基因水稻商业化生产所需要的各种安全评价程序和试验环节也已经完成。

6. 人类吃了转基因食品,是不是也会被转入基因?
        转基因技术中要成功的转移基因,必须经过一系列精确的基因操作,这些过程都不可能在人的消化道中完成。此外,所有基因由核酸组成,人体对转基因食品消化过程与非转基因食品没有区别,基因在消化过程中都会被降解,是不会被转入基因的。否则,人每天吃的非转基因食物里面也有成千上万的基因,岂不是都有被转到人体的可能?

7. 转基因食品安全吗? 
        公众对转基因食品普遍存在的恐惧心理主要是由于对转基因食品的制作过程不够了解造成的。转基因是一种专业知识,而普通百姓所了解的大都是一些转基因植物(食品)的负面消息,因此在心理上产生了压力。
就目前而言,还没有发现转基因食品对人类有害。而且,中国政府已经建立了高度科学的、严格的农业转基因生物安全性评价与管理体系。经政府批准进口或商业化种植的每一个转基因植物品种或产品都是通过严格的农业转基因生物的食品安全性与环境安全性评价的。
        另外,目前农作物病虫害程度加重,传统的作物在种植的时候农民会使用农药来保证质量,而转基因作物无需喷洒农药,作为农药的替代品,保护了环境,同时解决了食品中农药残留的问题,反而更安全。

第二部分  转植酸酶基因玉米问答

1. 什么是植酸?

        植酸又称肌醇六磷酸(C6H18O24P6),广泛存在于植物果实及子粒中(图1):分子中含有6个磷酸基团,磷的含量高达28.2%。


        植酸中所含的磷称为植酸磷,植酸磷占植物总磷量的60-90%,是植物性饲料中磷的主要贮存形式。植酸盐中的磷是不可被动物体有效利用的,造成磷源浪费; 同时,大量未被消化吸收的植酸磷随动物粪便排出体外,造成环境污染。
植酸还是一种抗营养因子,它能够与钙、镁、锌、铜、锰、铁、钾等阳离子形成不溶性盐,降低畜禽对矿物质元素的吸收利用率;植酸还可与蛋白质、氨基酸、淀粉等结合,形成不溶复合物,降低动物日粮的营养价值。

2.     什么是植酸酶?
        植酸酶是催化植酸和植酸盐水解成肌醇和磷酸(或磷酸盐)的一类酶的总称,能水解植酸最终释放出能被动物体直接利用的无机磷。自1907年Suxuki等首次发现具有植酸酶活性的磷酸酶以来,有关植酸酶的认识不断深入。现阶段植酸酶及其产品在动物和人类营养方面已经有了非常广泛的应用,这也是植酸酶的主要用途。
        植酸本身具有较高的营养价值,但是其水解吸收需要植酸酶的作用。植物(包括玉米、水稻等谷物种子) 中约80%磷元素都以植酸磷的形式存在,而单胃动物体内缺乏能够水解植酸的植酸酶,不仅不能够消化利用植酸中的磷,同时由于植酸的存在,给畜禽生产造成了一连串不利影响。
        因此,植酸酶目前作为一种新型的单胃畜禽饲料添加剂,受到了广泛的欢迎。它能有效降解饲料中的植酸盐,提高饲料中磷的利用率和各种营养成份的消化率,减少饲料中无机磷的添加量,降低饲料成本。植酸酶还能作为一种新型的食品添加剂,可调高磷、锌等人体吸收率,提高食品营养价值。由于植酸酶所具有的安全、环保、高效、经济等特点以及很好的社会生态环境效益,因此,在欧洲大部分国家均已强制在饲料中使用植酸酶,亚洲的日韩以及我国的台湾也在推进植酸酶的使用,我国也将在可预见的将来全面推动植酸酶在饲料中的应用。
        虽然植酸酶在饲料行业的应用才仅仅十多年,但是据统计,全球饲料中15%以上的都添加了植酸酶,占饲料酶制剂市场的一半左右,市场容量达到10亿美元。英国鸡饲料中添加植酸酶的饲料比例达到95%以上。而我国从1994年开始,饲料行业开始应用植酸酶,植酸酶工业有了长足发展,涌现出了像挑战集团等技术、创新能力一流的植酸酶生产企业。据咨询机构的统计和预测在2009年我国植酸酶产能达到5万吨,实际产量达到2万吨。
        同时,植酸酶作为一种新型的食品添加剂,在降低食物中的植酸含量,提高磷、锌、钙和铁等的利用率,改善人体对矿物质的吸收,提高、改善食品的营养价值等方面具有很大潜在应用前景。

3.     什么是转植酸酶基因玉米?
        简单的讲,转植酸酶基因玉米就是通过生物技术手段将植酸酶基因转入到玉米中,并在其中高效表达,从而使该玉米植株自身产生具有高活性的植酸酶。

4.     植酸酶的来源有哪些?生产工艺如何?
        植酸酶虽然广泛存在于自然界中,根据来源可分为微生物植酸酶、植物性植酸酶和动物性植酸酶,但是这些天然存在于生物体内的植酸酶因为含量少、活性低、最适pH等等原因不能满足实际应用。
        植酸酶最早是在植物中发现的,早期的研究也都集中在植物和动物器官中的植酸酶上。来源于植物的植酸酶最适pH在5.0~7.5,不适合在单胃动物的酸性胃中起作用,而且植酸酶在植物中含量极低。动物植酸酶存在于哺乳动物的小肠及脊椎动物的红血球和血浆原生质中。比起植物和微生物植酸酶,动物植酸酶方面的研究非常少。一般而言,动物植酸酶含量较少且活性低。因而从应用角度出发,自上世纪60年代末植酸酶的研究转向最适pH值为酸性,具有应用前景的酶含量较高的微生物来源的植酸酶,目前商品植酸酶制剂一般也都是通过微生物发酵所制得的。尤其是随着现代生物技术的发展,利用基因工程技术,对微生物进行改良和改造,培养高产量、高活性的植酸酶菌株,是植酸酶在实际生产当中得到广泛应用的关键。
        目前用于工业生产植酸酶的微生物主要是曲霉,如米曲霉、土曲霉、黑曲霉和无花果曲霉等,生产工艺有固体发酵(sSF)和液体发酵(sMF)两种。选择某一特定生产工艺时应考虑培养条件、菌株类型、底物特性以及营养素的利用率等因素,因为这些都是影响产量的关键因素,而这一生产过程能耗一般在生产成本的20%左右。而作为后加工方式国内主要采用有吸附干燥、喷雾干燥、制粒、包衣、微丸等方式。
作为完全不同于微生物发酵的全新植酸酶生产方式——植酸酶第二代产品,转植酸酶玉米在07年的中国农业科学院获得认定——“利用玉米种子生物反应器生产高活性植酸酶”项目通过农业部科技成果鉴定。通过和农科院的强强合作,北京奥瑞金公司获得并掌握了这一技术,并结合自身优势和资源,获得利用玉米种子生物反应器生产高活性植酸酶的新一代系列产品——高活性转植酸酶玉米品种系列。

5.     使用转植酸酶基因玉米有哪些好处?
        转植酸酶基因玉米作为第二代植酸酶产品除了与传统生物发酵等方法生产的植酸酶一样:
        1. 可以降解饲料中大量含有的植酸磷,释放可被单胃动物利用的无机磷,减少饲料中磷酸氢钙的添加量,降低饲养成本,提高饲料利用效率,提高肉、蛋产量和质量。
        2. 可减少动物粪、尿中磷的排泄,减轻环境污染,有利于环境保护;
        转植酸酶基因玉米还有一个最大特点:它可以利用农业种植方式替代原有工业发酵生产方式生产植酸酶,可减少厂房、设备、能源消耗等投入,具有节能、环保、低成本的优势。

6. 转基因植酸酶玉米对环境安全吗?
        在生存竞争能力方面,该转基因玉米与非转基因对照玉米相比,在有性生殖特性和生殖率、花粉传播方式和传播能力、有性可交配种类和异交结实率、花粉离体生存与传播能力、落粒性和落粒率、休眠性和越冬能力、生态适应性和生物量等方面,均未发现明显的差异,在杂草性和入侵性方面也未发现变化。
        在基因漂移对生态环境的影响方面,根据国内外文献和对该转基因玉米的观察,转基因玉米能够向其他栽培玉米发生基因漂移,其基因漂移的可能性与基本规律与非转基因对照品种是一致的,没有发现植酸酶基因漂移对农田生态和自然环境有不良影响。
        在对植物病虫害和生物多样性影响方面,室内和田间试验分析结果,该转基因玉米对玉米螟和棉铃虫等农田害虫的生长发育以及玉米病害的发生危害、对玉米田蜘蛛/草蛉/寄生蜂等天敌和有益昆虫没有发现不利的影响;对玉米田节肢动物多样性也没有发现不良的影响。
        综合考虑,该转基因玉米对生态环境不存在已知风险。

7.     转基因植酸酶玉米对动物和人安全吗?
        首先,传统的微生物和转基因微生物发酵生产的植酸酶作为饲料添加剂已有多年安全应用的记录,而转基因植酸酶玉米中插入的外源基因与插入转基因微生物中的基因来源一样,产生的植酸酶具有同样的性质和作用。
        此外,在转基因植酸酶玉米研发过程中,分别从营养、毒性、过敏性等方面进行了严格、规范的安全检测和评价,并为发现任何不良反应。而且,人类食用玉米会通过煮粥、煮玉米棒子的烹煮高温大约95-100℃,持续时间大约20-30分钟,这种条件下,植酸酶与玉米中的其他蛋白一样受热会被降解。
        因此,可以认为转基因植酸酶玉米与普通玉米一样对人和动物都是安全的。

8. 为什么是转植酸酶基因玉米,而不是其他作物?
        我国玉米播种面积均在4亿亩以上,年总产量在1.5亿吨左右。到目前为止,世界各大洲均有玉米种植,并且成为最主要的饲料作物。在世界范围内,尽管还有大麦、燕麦、高粱等饲料作物,但其产量与玉米相比,实在是冰山之一角。我国玉米作为重要且最佳的饲料原料,总需求量近80%作饲料,饲料中用量达50%以上。
        因此,转植酸酶基因玉米可直接添加到饲料原料中,即可作为饲料又同时提供了丰富的植酸酶,而且简化了目前植酸酶的添加工序,因此,比选用其他作物为载体生产植酸酶有更加明显的优势。

9. 富含植酸酶转基因玉米的研发单位及研发主持人是谁?
        富含植酸酶转基因玉米由中国农业科学院生物技术研究所研发。该所是我国唯一专门从事农业基因工程研究的、国家级、非营利性的科研机构,主要围绕高产、优质、高效和可持续农业发展的需求,开展相关农作物和微生物前沿基础和应用基础的生物技术研究。
        研发富含植酸酶转基因玉米的科研团队主持人是,我国著名分子遗传学家、我国基因工程的奠基者和开拓者之一、农业生物工程的带头人范云六院士。她1930年5月16日生于湖南长沙市;1952年毕业于国立武汉大学农化系;1956年在前苏联列宁格勒大学生物系读研究生,并于1961年获得生物系博士学位;1997年当选为中国工程院院士。
范云六院士现任教育部“长江学者计划”农业科学评审组成员、HarvestPlus-China项目主席、中国农学会和中国作物学会常务理事、农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程学术委员会主任、中国农业科学院学术委员会及学位委员会委员、《中国农业科技导报》主编和国家生物产业发展专家咨询委员会副主任等职务。

10. 首个获得转植酸酶基因玉米商业化的企业是哪家?
        北京奥瑞金种业股份有限公司通过与农科院的合作,现已成为国内及全球首家进行转植酸酶基因玉米商业化的公司,而转植酸酶基因玉米也成为我国第一例获准在国内市场进行商业销售的转基因玉米。
        作为中国种业的领头羊,北京奥瑞金种业股份有限公司于1997年在中关村海淀留学人员创业园成立,是一家融合现代生物技术及遗传育种等高科技手段,进行农作物优良新品种选育、生产、加工、销售及技术服务的农业生物技术企业,总部坐落于中关村生命科学园。目前,公司在全国各地设立了13个营销中心、8个生产中心、9个育种站、1个南繁基地、1个研发中心,及3000多个营销服务网络,并建有国内种业企业最具规模的生命科学研究中心,参控股三家“中国种业50强企业”。

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