口袋K号17:基因工程和转基因作物

在过去的50年里,随着人们对脱氧核糖核酸(DNA)作为基因形成的化学双螺旋编码的进一步认识,基因工程领域得到了迅速发展。“基因工程”一词用于描述利用“重组DNA技术”改变生物体基因组成的过程。这涉及到使用实验室工具插入,改变,或者切下含有一个或多个感兴趣基因的DNA片段。

培育具有良好农艺性状的植物品种是植物育种工作者的最终目标。通过传统的植物育种,然而,几乎不能或根本不能保证从产生的数百万个杂交中获得任何特定的基因组合。不良基因可以与理想基因一起转移;或者,当获得一个理想的基因时,另一个是由于双亲的基因混合在一起,在后代中或多或少地随机重新组合而丢失的。这些问题限制了植物育种家能够实现的改进。

相反,基因工程允许直接转移一个或几个感兴趣的基因,为了获得所需的农艺性状,在近缘或远缘的有机体之间(图1)。并非所有的基因工程技术都涉及到从其他生物体插入DNA。植物也可以通过移除或关闭自己的特定基因来进行修饰。

图1。比较传统育种和基因工程。
资料来源:农业生物技术(不仅仅是转基因作物)。http://www.威廉希尔isaaa.org/williamhillresources/publications/agricultural_biotechnology/download/

常规育种 基因工程
  • 仅限于同一物种或非常近缘物种之间的交流
  • 几乎不能或根本不能保证从产生的百万个杂交中有任何特定的基因组合。
  • 不良基因可以与理想基因一起转移。
  • 要达到预期效果需要很长时间
  • 允许直接转移一个或几个基因,近缘或远缘生物之间
  • 与传统育种相比,作物改良可以在更短的时间内实现。
  • 允许通过移除或关闭特定基因来修改植物。

资料来源:农业生物技术(不仅仅是转基因作物)。http://www.威廉希尔isaaa.org/williamhillresources/publications/agricultural_biotechnology/download/。

基因是DNA分子,它们编码不同的特征或特征。一个特定的基因序列是花的颜色或植物抵抗疾病或在极端环境中生长的能力的原因。

大自然自己的基因工程师

DNA在生物形态间的“共享”被充分记录为一种自然现象。几千年来,基因已经从一个生物体转移到另一个生物体。例如,农杆菌,一种被称为“自然基因工程师”的土壤细菌,具有对植物进行基因工程的自然能力。它在许多阔叶植物中引起冠胆病,比如苹果,梨,桃,樱桃杏仁,覆盆子,还有玫瑰。这种疾病的名字来源于通常发生在植物冠部的大肿瘤样肿大(胆囊)。就在土平面以上。基本上,细菌把部分DNA转移到植物上,这个DNA整合到植物的基因组中,引起肿瘤的产生和植物代谢的相关变化。

基因工程在作物生产中的应用

基因工程技术只有在所有其他技术都用尽时才能使用,即当作物种质中不存在要引进的性状时;传统的育种方法很难提高其性状;以及通过传统育种方法在作物中引入和/或改善这种特性需要很长时间(见图2)。通过基因工程开发的作物通常被称为转基因作物或转基因作物。

现代植物育种是一个多学科、协调的过程,其中有大量的工具和传统育种技术的要素,生物信息学,分子遗传学,分子生物学,以及基因工程的应用和整合。

图2:现代植物育种

资料来源:丹尼达,2002。

转基因作物的发展

虽然在基因工程中有许多不同和复杂的技术,它的基本原理相当简单。基因工程作物的开发有五个主要步骤。但每一步,了解作用的生物化学和生理机制是非常重要的,基因表达调控,以及待利用基因和基因产物的安全性。甚至在转基因作物投入商业使用之前,它必须通过严格的安全和风险评估程序。

第一步是从已知具有感兴趣特征的生物体中提取DNA。第二步是基因克隆,从整个提取的DNA中分离出感兴趣的基因,然后在宿主细胞中大规模生产克隆基因。一旦被克隆,感兴趣的基因被设计和包装,这样一旦进入寄主植物体内,它就可以被控制和正确表达。然后,经过修饰的基因将在宿主细胞中大量产生,以便复制数千份。当基因包准备好后,然后可以通过一个被称为转化的过程将其引入植物的细胞中。用于将基因包引入植物细胞的最常用方法包括生物转化(使用基因枪)或农杆菌介导的转换。一旦插入的基因稳定,继承,并在后世表达,然后这种植物被认为是转基因的。回交育种是基因工程的最后一步,转基因作物与具有重要农艺性状的品种杂交,以及选择以获得以所需方式表达插入基因的高质量植物。

转基因植物的发育时间取决于基因,作物种类,可用资源,williamhill以及监管部门的批准。一个新的转基因杂交种可能需要6-15年的时间才能投入商业生产。

通过基因工程改良的商用作物

转基因作物已经在不同的国家种植了20年,从1996年到2015年。2015年,转基因作物市场价值较高,种植面积约1.797亿公顷。如耐除草剂大豆,玉米,棉花,油菜;抗虫玉米,棉花,马铃薯,大米;以及抗病毒南瓜和木瓜。基因工程,一种植物可以包含或堆放多种性状。具有综合性状的转基因作物也可以在商业上买到。其中包括耐除草剂和抗虫玉米,大豆和棉花。

作物基因工程的新举措和未来举措

到目前为止,商业转基因作物在作物生产中产生了效益,但也有一些产品正在生产中,它们将对食品质量做出更直接的贡献,环境效益,药品生产,以及非粮食作物。这些产品的例子包括:铁和-胡萝卜素含量较高的大米(一种重要的微量营养素,可在体内转化为维生素A);长寿命香蕉,在树上成熟得更快,因此可以更早收获;富含黄酮醇的番茄,它们是强大的抗氧化剂;耐砷植物;水果和蔬菜中的可食用疫苗;以及造纸用的低木质素树。

工具书类

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* 2016年8月

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