新型转基因植物及其食用安全性评价对策研究进展

梅晓宏，许文涛，贺晓云，曹思硕，李晓红，柳 倩，黄昆仑*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)

自1983年首例转基因植物烟草问世以来，转基因植物的种植以无可比拟的优势在近30a时间内得到迅猛发展。据国际农业生物技术应用咨询服务中心(ISAAA)统计，全球转基因植物的种植面积由1996年的260万hm2猛增到1999年的4148万hm2，2007年全球转基因植物种植面积达到1.143亿hm2。虽然2009年的经济萧条带来严重的影响，但全球的转基因植物种植面积继续攀升，达到1.34亿hm2[1]。2009—2010年，转基因作物种植面积增加了1400万hm2，即增长了10%，这是迄今排名第2的年增长速度，使2010年全球的转基因作物种植面积增加到1.48亿hm2，这一数字表明转基因技术仍保持着强有力的发展态势[2]。与此同时，转基因植物新品种不断涌现。以药用、工业用为代表的新一代转基因植物及复合性状转基因植物以其无可比拟的优势和发展态势成为当今转基因技术开发和研究的热点。

药用、工业用转基因植物及其产品虽然不是以食用为目的，但是在生产与流通环节中很有可能混杂到食物链中，从而引起一系列的食品安全问题。复合性状转基因植物涉及到多个转入基因，与单一性状转基因植物食用安全性评价相比，对复合性状转基因植物的食用安全性评价应该具有更高的标准。针对目前研究现状，本文从药用、工业用及复合性状转基因植物及食用安全评价对策两方面分别加以阐述，以期为我国转基因技术的健康发展提供一定的技术支持。

1 药用、工业用及复合性状转基因植物研究概况

1.1 药用转基因植物的国内外研究概况

药用转基因植物作为一种大规模生产重组蛋白的生产系统，因其具有安全、方便、经济等优势现已被公众普遍接受。随着蛋白诊断学及治疗学日益增长的需求，利用转基因植物作为生物反应器生产外源药用蛋白已成为当前该领域中研究最活跃、产业发展最迅速、效益最显著的热点之一。近20a的研究表明大量有价值的外源蛋白能在植物体中有效表达，例如疫苗、人血清蛋白、抗体、工业酶及分子生物反应试剂等[3]。目前，第一代药用转基因植物产品已经进入商业化生产阶段。

利用转基因植物所表达的药用蛋白主要以人类及动物疫苗为主。在转基因植物中成功表达的用于疫苗研究的病原基因主要包括：乙型肝炎表面抗原(HBsAg)基因、大肠杆菌热敏肠毒素B亚单位(LT-B)基因、狂犬病病毒糖蛋白(G蛋白)基因、口蹄疫病毒(VP1)基因、轮状病毒基因等。乙型肝炎表面抗原(HBsAg)基因已在烟草[4]、马铃薯[5]、羽扇豆[6]中成功表达。Karaman等[7]将大肠杆菌热敏肠毒素B亚单位基因转入玉米中，成功表达出无毒性的LT-B蛋白。Sun等[8]将狂犬病病毒G蛋白基因转入番茄，得到了转基因植株。dus Santos等[9]在苜蓿中成功表达了口蹄疫病毒VP1基因的抗原表位VP135～160肽段和GUS 的融合基因。近年来，利用转基因植物表达的重组疫苗还有在烟草中表达SARS冠状病毒蛋白[10]、在番茄中表达 Norwalk病毒衣壳蛋白[11]、在烟草中表达结核病抗原[12]、在大麦中表达鸟甲型流感病毒血凝素[13]、在烟草中表达新城疫病毒血凝素[14]、在番茄中表达口蹄疫病毒多聚蛋白及蛋白酶[15]、在甜菜中表达结肠直肠癌相关抗原[16]、在番茄中表达狂犬病病毒核蛋白等[17]。

用转基因植物作为生物反应器生产药用蛋白的研究与应用也受到越来越多相关领域科研机构和商业公司的关注。美国种业巨头孟山都公司已经培育出一种达到药用蛋白标准的含有人类抗体的转基因玉米，每公顷该转基因玉米可产生37kg抗体蛋白。与此同时，孟山都公司还在种植一种转基因大豆，这种大豆可以生产针对单纯疱疹病毒(HSV-2)的人源化抗体，动物实验表明这种抗体可以阻止单纯疱疹病毒HSV-2在小鼠生殖系统内的传播[18]。在美国和加拿大，利用转基因植物生产药用蛋白的田间实验超过370次，有16个植物源药品进入临床实验。

我国在药用转基因植物生物反应器方面的研究从20世纪90年代开始，在建立高效遗传植物转化体系方面取得了令人瞩目的成绩，同时不断拓展研究的深度和广度。在国家“863”计划、“973”计划以及“农业部转基因生物新品种培育重大专项”等一系列科技支持项目中均重点扶持了药用转基因植物作为生物反应器的科学研究。其中，利用植物生物反应器生产乙型肝炎疫苗、动物口蹄疫及禽流感等兽用疫苗是这方面研究的热点。中国科学院上海植物生理研究所的科研人员利用烟草花叶病毒(TMV)作为表达载体在烟草中成功表达了重组口蹄疫疫苗，中国农业科学院生物技术研究所的科研人员将含有乙型肝炎病毒包膜的蛋白基因导入马铃薯和番茄中，获得了高效表达乙型肝炎抗体的重组工程植株[19]，目前该项研究已进入临床应用的前期实验阶段。结核病是危害人类健康最为严重的慢性传染病之一，目前在我国一些地区结核病的发病率呈现出明显增长趋势。如果利用转基因植物生产结核病口服疫苗可大大降低生产成本，从而更好地服务于结核病的防治工作。王凌健等[20]将结核杆菌分泌蛋白MPT64基因遗传转化到胡萝卜中，获得了转基因阳性植株。该项研究为利用转基因植物研制防治肺结核的新型疫苗提供了新材料。张更林等[21]将改造后的结核杆菌分泌蛋白(ESAT26)基因转化到热带水果番木瓜中，获得了转基因阳性植株。上海交通大学唐克轩课题组[22]在药用转基因植物研究方面成果显著。该课题组将香叶醇-10-脱氢酶(G10H)基因转化到3个不同品系的长春花中，获得了转基因阳性植株。该课题组分别克隆了青蒿素合成途径的4个关键酶基因，构建了3种高青蒿素含量的转基因青蒿品系[23-25]，并由上海农业科学院唐雪明实验室完成了环境安全评价。这3种转基因青蒿品系是我国农业部批准进行环境释放实验的第1例药用转基因植物[26-27]，这是近年来我国最重要的转基因药用植物构建和安全评价研究之一。

1.2 工业用转基因植物的国内外研究概况

随着传统化石燃料的日益枯竭及当今自然环境的不断恶化，开发利用各种生物能源具有明显发展优势和巨大应用前景。利用转基因植物，如转基因大豆、转基因玉米等生产生物燃料已成为生物能源领域研究的热点。与此同时，利用转基因植物的代谢产物生产化工原料也是未来发展的必然趋势。国内外对于工业用转基因植物的研究异常活跃，有相关转基因作物已投入商业种植的试点阶段。

瑞士先正达种子公司研制的转基因玉米Event3272含有微生物α-淀粉酶基因，该酶能够迅速地将淀粉分解为糖，从而生产乙醇。2011年2月11日，美国农业部宣布对用于生产乙醇的转基因玉米完全解除管制，该作物不构成植物风险。先正达公司于2012年进行大范围的商业化种植[28]。2010年3月2日，欧盟委员会宣布，批准欧盟国家种植转基因土豆Amflora，是欧盟近13a内首次批准种植的转基因作物。这种土豆可用于生产工业用淀粉，副产品可用于生产畜牧饲料[29]。

我国在工业用转基因植物研究方面也取得了很大成就。上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究人员[30]利用基因工程技术改良甘薯农艺性状，通过改变直链淀粉含量，有效地满足以淀粉为原料的生物基产品加工需要原材料品质多样化的要求，有利于提高甘薯生产燃料乙醇的转化效率。2007年，科研人员通过基因工程手段和温室培养对转基因植株进行分子生物学检测。2008年底获得农业部许可之后，2009年5月在山东泰安正式投入田间中试。芥酸是一种二十二碳长链不饱和脂肪酸[31]，具有用途广泛、附加值高、市场需求量大以及可再生等特点，在现代诸多工业领域中正显示出越来越重要的作用，被誉为21世纪的重要精细化工原料。目前，芥酸主要从高芥酸菜籽油中提取。浙江省农业科学院病毒学与生物技术研究所研究人员通过在反义 PEp基因高油油菜中导入酵母 sn22酰基转移酶基因，已成功育成含油量在50%以上、芥酸含量超过55%的高油高芥酸能源油菜新品系[32]。由中国农科院油料研究中心培育的中油-0361的新型转基因油菜籽含油量为54.72%，比原先含油量最高的品种高出近2%，可作为生物柴油行业的原料使用[33]。

1.3 复合性状转基因植物的国内外研究概况

复合性状转基因策略是将多个抗虫基因或是将抗虫基因和抗除草剂基因导入同一植物中，一方面可以有效地延缓靶标生物抗性的产生，另一方面能提高杀虫活性、扩大杀虫谱、延长抗性品种的使用寿命。复合转基因策略拓展了转基因作物功能，满足了种植者多元化的需求，提高了资源利用效率，有良好的应用前景。据统计截至2009年，已有包括美国、加拿大、澳大利亚、墨西哥、南非、菲律宾等在内的11个国家种植了复合性状转基因植物，种植面积超过2870万hm2[1]。2010年，11个国家种植了具有复合性状的转基因作物，其中8个为发展中国家。在2010年共计种植了3230万hm2的复合性状转基因作物，其中，美国以其总计6680万hm2转基因作物中41%具有复合性状处于领先地位，包括78%的玉米以及67%的棉花[2]，在美国复合性状转基因玉米增长最快的部分为3种性状复合，包含对2种害虫的抵抗性状加上耐除草剂性状。复合性状转基因植物已成为当前发展最快的转基因产品类型。SmartstaxTM转基因玉米转入8个基因，拥有多种抗虫性状及耐除草剂性状，于2010 年在美国和加拿大发布。目前有多种复合性状转基因植物获得审批，如先正达公司的BT11×GA21、BT11×MIR162、B T 11×M I R 1 6 2×M I R 6 0 4、B T 11×M I R 6 0 4、BT11×MIR604×GA21、MIR604×GA21等转基因玉米品系，孟山都公司的G A 2 1×M O N 8 1 0、M O N 8 1 0×LY 0 3 8、M O N 8 1 0×M O N 8 8 0 1 7、MON863×MON810、MON863×MON810×NK603、MON863×NK603等转基因玉米品系。

我国对复合性状转基因植物的研究和开发还处在起步阶段，研究和开发具有自主知识产权复合性状转基因植物必将成为我国今后转基因技术领域的必然趋势。

2 建立药用、工业用及复合性状转基因植物食用安全性评价技术体系的必要性和紧迫性

在转基因植物的研发和产业化规模不断扩大的同时，由此引发的食用安全性问题已引起全世界的广泛关注。其中一个比较典型的案例就是美国的星联抗虫转基因玉米事件。“星联”玉米由美国阿凡迪斯公司于1996年开始生产，但由于其含有Cry9C抗虫蛋白，对人体存在潜在过敏可能性，美国农业部禁止该玉米用于食物生产。但在2000年，美国农业部发现有些玉米食品中混入了“星联”玉米，且有人声称对含有“星联”玉米的产品过敏，为此美国农业部采取了回收处理措施。与此同时，美国食品药品监管局(FDA)搜集了声称对含有“星联”玉米产品过敏的人的血清，对“星联”玉米中的抗虫蛋白Cry9C进行检测，结果发现这些病人血清与Cry9C蛋白不能发生反应。对这部分病人进行了食物双盲实验，结果发现这些病人吃了含有高水平“星联”玉米的食物也没有发生过敏反应。因此，这些结果说明引起这些人发生过敏反应的并不是“星联”玉米中转入的Cry9C蛋白，而是食物中的其他成分[34-35]。虽然整个事件的最终结果并没有证实“星联”玉米会对人体产生过敏反应，但是充分说明不同用途的转基因生物很可能发生混杂。此外，还发生过一些非审批通过的转基因生物进入食物链的情况，如2006年美国拜耳公司试验田种植的Liberty Link 601(LL RICE 601)混入阿肯色州出口的普通水稻中；我国的转Cry1Ac基因水稻在2006年和2007年，被检测出混杂在出口欧盟的普通水稻中[36]。这些未经批准的转基因生物由于管理不当而混杂到普通的食品原料中，虽然对国际贸易产生了不良影响，但没有对人体和动物造成实质性的伤害。而药用转基因植物发生混杂的情况也有发生，2002年，在美国的普通大豆中发现了转动物疫苗的药用玉米，这是由于在同一块田地中先种了玉米后改种大豆造成的，这个事件造成大约有1.8×107kg大豆被没收[37]。这些案例在一定程度上说明现有的转基因生物监管体系仍然存在漏洞，对于非食用的转基因植物的安全性应加强防范。因此对各种来源及不同用途的转基因植物及其产品进行食用安全性评价是非常必要和紧迫的。

3 药用、工业用及复合性状转基因植物的食用安全性评价对策

到目前为止，上一代转基因植物的食用安全性评价关键技术体系和管理模式已基本形成。而新一代转基因植物新品种在转入的外源基因种类及功能等方面，与第一代转基因植物相比有明显差异，所以不能照搬现有的转基因植物食用安全性评价技术体系来评价药用、工业用及复合性状转基因植物的食用安全性。由此，建立一套适合以药用、工业用及复合性状为代表的新一代转基因植物新品种的食用安全评价关键技术体系是目前生物技术领域迫切需要解决的关键环节。

3.1 药用和工业用转基因植物的食用安全性评价对策

到目前为止，有多种药用转基因植物已通过安全审批并投入产业化生产，对于药用转基因植物的安全性评价一般是按照临床医学评价体系进行评价。国内外还没有建立对其食用安全性的评价体系。对于药用转基因作物，虽然其预期用途并非食品或饲料，但不能排除其扩散到食物链中的可能性[36-38]，因此对其进行安全性评价是非常必要和紧迫的。由于工业用转基因植物的最终目的并不是用作食品和饲料，到目前为止还没有建立对其食用安全性评价体系。但是在使用、存放及其他环节中并不能排除工业用转基因植物掺杂或混入到食品或饲料中，因此建立工业用转基因植物的食用安全性评价技术势在必行。

药用和工业用转基因植物及其产品可对其外源蛋白与全食品进行包括营养、毒理、过敏、免疫在内的综合食用安全评价。着重通过毒理学评价手段，评估非食用目的的转基因植物及其产品在食物链中的最大无作用剂量及允许存在阈值，进行非食用目的的转基因植物的代谢标志物筛选[39]，为转基因食品预警体系的建立提供技术支撑。药用植物的外源蛋白质可能涉及到特殊用途过敏来源蛋白质和具有特殊免疫功能的蛋白质(如疫苗)，因此在过敏和免疫评价中需结合其用途综合考虑。与此同时，工业用转基因植物的外源蛋白可能涉及耐热、抗消化类的蛋白质，需要结合其预期用途与其他评价结果综合考虑。

3.2 复合性状转基因植物的食用安全性评价对策

由于复合性状转基因植物涉及多个转入基因，复合转基因之间可能存在非关联、关联、代谢等相互作用关系，可能会引发协同效应，产生与单性状转基因植物不同的食用安全结果，也能引起毒性、过敏性等方面的危害，其中非期望效应可能更为显著。所以，对复合性状转基因植物的安全性评价应将重点放在对复合转基因相互作用方面。复合性状转基因植物受技术发展水平、经济利益及公众接受程度等诸多因素的影响，对复合性状转基因作物的管理，世界各国均采取不同模式，一般分为美国模式、日本模式和欧盟模式等。这些管理模式均重点关注复合转基因的相互作用。美国模式属于比较宽松的简化管理模式，主要监督管理部门包括食品药品监督局和农业部等，重点监管单个转化事件。如果复合性状转基因植物的单性状亲本已获得批准，且有充分证据表明组合性状间不会有相互作用，则无需再提交完整的安全评价资料；若复合基因间可能存在相互作用，则需根据个案处理原则补充相应的安全性评估数据。日本和韩国是采用递交补充数据的模式进行管理，若复合基因间有相互作用，则需补充相应的安全性评价资料。欧盟在管理上最为严格，对复合性状转基因植物采取严格的重新评价原则，对复合基因之间相互作用的判断依据也基本上涵盖了单个转化事件安全评价的全部资料[40]。

对复合性状转基因植物的研究和开发是中国今后发展的必然趋势。中国目前还没有建立对复合性状转基因植物的食用安全性评价技术体系。随着中国复合性状转基因植物的研究开发与国外新品种的引进，建立适合中国乃至全球复合性状转基因植物的食用安全性评价技术是非常必要和关键的。对于以食用和饲用为目的的复合性状转基因植物，可对其进行外源蛋白与植物全食品进行包括营养、毒理、过敏、免疫为主的食用安全综合评价。着重关注其性状叠加造成的外源蛋白摄入量增加，以及同时摄入多种同功能和/或不同功能的外源蛋白质对食用安全性的影响，通过毒理学评价评估其对人类的最大无作用剂量与允许摄入量；同时，关注基因互作对植物体内主要营养成分的营养平衡与营养功能的影响，并利用代谢组学与蛋白质组学技术分析实验动物体内代谢成分的非期望效应。

4 结 语

随着全球转基因技术，特别是以药用、工业用及复合性状转基因植物为代表的新一代转基因作物的迅猛发展，建立适用于药用、工业用及复合性状转基因植物的食用安全评价技术体系是今后该研究领域的必然发展趋势，这必将有力推进我国乃至全球转基因技术的健康发展。

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