转基因抗虫作物非预期效应研究进展

魏杰锋 徐顺连 陈志

摘要：在介绍转基因抗虫作物非预期效应概念基础上，分析了转基因抗虫作物非预期效应产生的机制，从转录组学技术、蛋白组学枝术及代谢组学技术三方面综合论述了转基因抗虫作物非预期效应的检测方法及检测结果。大多数的研究结果已表明，转基因作物并没有产生明显的大尺度的非预期效应，但仍然不能完全排除转基因作物产生非预期效应的可能，国内外对转基因作物的安全性问题都未给出完全的肯定性结论。

关键词：转基因;抗虫;作物;非预期效应;研究进展

一、转基因抗虫作物非预期效应

近些年来，随着转基因作物的大规模栽培，转基因作物的安全问题也引起了人们的普遍关注。关于转基因作物的非预期效应，联合国粮食及农业组织、世界卫生组织早就清楚地表明，基因组是外来基因的重新整合，除了适应符合于人类需要的变化外，它还会产生意外效应。因为转基因作物在基因重组、转录及翻译中所产生的RNA序列、蛋白质序列、氨基酸序列等产生的错误装配情况，以及机体在新陈代谢过程中代谢产物和次生代谢产物生物学方式引起的序列混乱等不可避免地会产生意外效应的突变。在这些性状改变或者说性状突变中，其中有一些人们可以通过对植物生物学代谢途径等方面的认知进行预见，称之为可预见性非预期效应。转入的基因在受体植物中继续表达稳定的相关蛋白，通过引进和整合对人类有益的外来基因进入受体的植物基因组，使受体植物表现出该特定外源基因在原物种中所表现出来的特定性状。所以，把转基因抗虫作物的非预期效应定义为：通过基因工程所构建的新物种所产生的除抗虫害这一性状以外的不同于原物种的效应，这些效应除了包括性状改变，而且包括重组后的新物种基因组在性状无差别情况下的新物种所存在的潜在差异性。

二、转基因抗虫作物非预期效应产生机制

不管是可预见性非预期效应，还是超出人类目前认知水平的潜在性非预期效应，主要通过以下几种机制产生：

一是外源基因插入内源基因的阅读框，破坏了基因的核酸序列，使其不能有效地表达。

二是外源基因插入内源基因调控的功能元件区，造成调控基因失去应有的功能，从而使调控的内源基因不能有效表达。

三是外源基因插入基因组的某个“敏感区”内，使原本沉默的内源基因“被激活”，而高效表达。

四是作为活性因子直接或间接诱导或抑制内源性基因表达的外源基因或表达产物的转录，导致这些内源性基因表达的定性或定量变化。

所有这些原因的存在，或多或少会引起转基因植物的变化，他们都存在可能引起转基因植物代谢途径的变化，进而引起原植物本有性状和特性的改变，从而导致转基因植物非预期效應的产生。

三、转基因抗虫作物非预期效应的检测方法

为了保证转基因抗虫作物生产的安全性，转基因抗虫作物非预期效应的检测自然是必不可少的。近些年来，关于转基因抗虫作物的非预期效应的研究得到了新进展，其安全性检测方法主要有两类。一是方向性检测，通过对一些主要营养元素和关键毒素进行单组分分析，检测其营养成分和抗营养因子。二是非方向性检测，它主要是结合功能性基因组学和蛋白质组学以及代谢组学等方面对转基因抗虫作物的非预期效应进行安全性检测，对一定的组成成分进行分析比对，从而发现它们所存在的差异性或者变化。方向性检测这种方法的不足是插入其中的一定外源基因所存在的非预期效应大多具有不可预见性，且方向性检测这种方式只是很简单地分析了转基因抗虫作物中一部分化学成分及其变化，并不能够相对准确地使转基因抗虫作物中的外源基因导致的非预期效应正好表现出来。非定向性检测方法对于定向性检测方法是一个很好的补充，它可以检测出可能存在的细胞和组织生理或者代谢水平方面的变化。对于转基因抗虫作物来说，在食品安全评价中正逐步走向完善，对健康成长发育不利的各种非预期效应都有望随着这一系列“组学”技术的日益发展而得到相应解决。

（一）转录组学技术

转录组是指所有可以在活细胞中转录的RNA的总和，是研究和分析基因在整个RNA水平上的表达。DNA作为模板合成RNA的这样一个转录途径，实际上就是基因开始表达的第一步，同时，也是基因开始表达调控的关键一步，在转录组的概念中一定程度上包含了时间和空间的限制，相同的一个细胞在其不同的生长时期和生长环境下的相互影响和交叉影响下，它们的基因在表达上则完全不一样。

在转基因抗虫作物中插入一定的外源靶基因，首先导致植物基因转录和表达过程的改变，进一步在生理方面和代谢水平上导致转基因抗虫作物生物代谢途径发生改变，最后将会导致转基因抗虫作物非预期效应变异的出现。所以，人们可以通过对转基因抗虫作物中所表现出来的差异表达的基因进行比对分析，来追踪和发现转基因植物代谢途径可能发生的变化，并最终分析转基因植物可能出现的非预期效应，并对其进行安全性评价。

近些年来，许多调查研究结果表明，在转基因抗虫作物中，只有少量表达的基因发生了改变，并且这些遗传变异不足以引起转基因抗虫作物显著的非预期变异。例如，利用基因芯片技术对AEP抗真菌水稻的差异表达基因进行分析比较，发现196个差异表达基因中约有一半是由转基因引起的，剩下部分则是由环境影响造成的。又如，Gregersen等人，通过分析和比较转基因小麦种子在发育过程中的转录，结果表明转基因小麦前额差异的基因数目非常少，这些变化还不足以对转基因抗虫作物的变异产生意外影响。又如，通过对拟南芥转ABF3基因的分析，发现拟南芥的不同基因数量很少，并且没有产生一些非常规效应。另外，Coil等人使用微阵列技术，对相同环境中种植的Bt转基因玉米和非转基因玉米进行对比检测分析的结果表明，其两者转录序列仅仅有0.15%左右发生了差异性表达，其中，常规育种和转基因对转录序列变异的贡献率分别为37.4%和9.7%。可以看出，对于转基因玉米转录组有很大影响的是自然变异，而通过基因转化的影响比较微小，所以在GM作物安全性评价研究中，必须考虑到常规育种和环境条件对转基因植物转录组的影响。

需要说明的是，转基因抗虫作物通过芯片检测技术所能够检测出来的也仅仅限于少数差异性基因的表达，但是这些差异性基因的存在确实不足以使非预期效应发生，因而，在一定程度上说明了大部分的转基因抗虫作物的安全性还是值得期待的。可是鉴于这些转基因抗虫作物的差异性基因方面的检测，只是在植物体特定发育阶段或者特定的环境条件下进行，以此为依据来分析和评价转基因植物是否发生非预期效应，毋庸置疑地忽视了很多因素，特别是不同发育时期和条件是否会对转基因植物的基因转录产生影响作用。然而，在一定的生物发育时期和一定的环境条件下，芯片检测技术对转基因抗虫作物所表现出来的基因性改变的一系列情况，能不能在一定程度上表现出转基因植物非预期效应出现的可能，仍然值得探讨。

（二）蛋白组学技术

蛋白质组学主要是通过对蛋白质的一个整体表达情况的分析比对，获得在整体蛋白质水平上的许多关于病理、药理或者毒理等方面发生的可能性，以及整个细胞在代谢途径中的全面完整而深层次的了解。

Coil等人对两株转基因玉米的蛋白质组进行了分析比较，发现它们的蛋白质组相似性很高，这在一定程度上可以解释控制基因之间存在着实质的等价性。Mbo等也进行了蛋白组学的相关研究，他们把转Bt玉米和非转基因玉米的蛋白组分别进行了分析比对，结果表明，转Bt玉米与非转基因参考系之间的差异并不可以明显地分辨，与实质上的等价性保持一致;同时，还对转Bt玉米中的一百多个蛋白成分进行了追踪，通过分析他们的表达水平后发现，外源基因的插入对转基因抗虫作物突变效果所造成的影响明显地弱于一系列环境因子所发挥的作用。赵艳等分析结果表明，转基因水稻与常规水稻具有实质等同性，而且不同环境变化的条件对水稻整个蛋白质组发生变异的影响占比很明显要高于单基因插入的影响。

Xue等分析和鉴定了转基因水稻中携带Bt和磷酸烯醇丙醇转基因和非转基因对照的蛋白质图谱，从结果中发现，在这两种不同转基因的水稻品系中的果糖-1一二磷酸醛缩酶都发生了或多或少地表达。

Barbosa等人分析和比较了转基因大豆和非转基因大豆种子中酶和蛋白质表达的差异，结合2-DEMALDI-TOF-MS和电喷雾质谱分析技术，从丙二醛（MDA）、抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶和过氧化氢酶的含量与分离到的192种蛋白质进行了比较，结果表明，上面所列出的四种物质在含量上表现出明显差异，转基因大豆中的指标这些都有所增高。

（三）代谢组学技术

代谢组学是新兴的一门学科，主要是通过对生物机体所产生的代谢物进行一系列的定量分析，借此来探寻有机体生理病理等相关变化，他是系统生物学不可或缺的一个重要组成部分。代谢组学是一门在某一时间点研究细胞内所有代谢物的科学，基因序列与蛋白质整体的表达相关联，这样代谢物就会较多地表现出细胞所存在的环境，它与细胞的营养情况、化学药物和环境污染方面的影响以及其他外界因素的影响密切相关。

毛細血管电泳时间飞行质谱技术是近些年来新发起的一种代谢组学分析技术，用于转基因作物的代谢物轮廓谱，不仅在检测转基因作物的非预期效应方面具有明显优势，还能够发现可能作为转基因作物识别依据的新型生物标志物。Kim等人在比较转基因水稻和非转基因水稻时，在GC-MS技术的帮助下，成功地分离和比较了其中52种不同的化合物。

Picconi等人对转Bt基因玉米种子也做了相关方面的研究，研究结果发现，柠檬酸、乙醇、海藻糖和甜菜碱这四种物质在转Bt基因玉米种子里的含量都高于非转基因玉米种子。Levan-di等人发现，利用CE-TOF-MS技术，从转基因Bt玉米代谢产物中分离出的27种化合物中L-肉碱的含量有所增加。根据L-肉碱含量变化可以成为转基因玉米样品的生物标志物。Rocio等人通过对大豆中40多个组分的综合分析，认为4-羟基苏氨酸可作为转基因大豆的生物标志物。Leon等人结合加压液相萃取、傅里叶变换粒子回旋共振质谱（FTICR）和CE-TOF-MS研究了同一场体系的代谢产物剖面，结果发现，513种化合物在FTICR被清楚地分辨出来。与其亲本相比，转Bt抗虫基因玉米的酪氨酸、色氨酸、赖氨酸、嘌呤、叶酸等10种代谢物水平增加，某些代谢途径发生改变，尤其是与氨基酸相关的代谢途径，并且鉴定了几种新的生物标志物。

四、展望

在过去的十几年中，人们采用了多种方法培育了多种抗病虫害的转基因作物，并且取得了较大的进展，到目前为止，大多数的研究结果表明，转基因作物并没有产生明显的大尺度的非预期效应，尽管如此，转基因作物通过基因重组所产生的在生长，繁殖和代谢过程中的潜在性危害不容忽视，依然未能够完全排除转基因作物产生非预期效应的可能，同时，国内外对于转基因作物的安全性问题都并未给出完全的肯定。

通过转基因技术所生产出来的食品，在解决人类粮食和全世界饥荒问题上做出了不可磨灭的贡献，所产生的经济效益也越来越大。传统育种的历史非常悠久，但它仅仅是局限在一定范围内，即有性杂交，而且还只能是近缘物种。而转基因技术是按照人们的意愿设计，把原有的基因组“成分”改造成新的基因组，它是一种新的育种方法，与传统生物育种有着根本的区别。

转基因抗虫作物所发挥的作用大家有目共睹，确实从一定程度上解决了一系列粮食生产问题，但是对于新的变异种在新的环境中进行新表达所产生的不确定性影响并不明朗，对于人类的繁衍进化以及环境演绎进化所知甚少，所以转基因抗虫作物非预期效应的安全性问题将不容忽视。而且，国内外都未能完全肯定转基因食品的安全性，因此，对于转基因作物的非预期效应检测非常必要。

基因组学技术、蛋白组学技术和代谢组学技术的兴起为很多学科及相关研究提供了契机，同时，转基因抗虫作物的非预期效应和非转基因作物的基因表达也更多地能够为人们所熟悉。组学技术为客观评价和正确认识转基因农作物的非预期变异提供了有效新手段，用于检测转基因作物非预期变异效应的突出优势是中性无偏倚的，但差异并不代表有害。比如，转基因大豆中的丙二醛含量增加，可能对食用者产生经口毒性，但表达量增高的抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶和过氧化氢酶却可能有助于清除体内的有害自由基。再如，转Bt基因玉米中增加的L-肉碱，还可能促进脂肪代谢而有利于减肥。此外，20多年来，Hermam等人在评价转基因作物与非转基因作物的实质等价性方面的研究和分析表明，植物组成的变化不仅发生在转基因抗虫作物的意外效应中，而且在所有传统育种方法中都发生了变化;另一方面，转基因作物产生非预期效应的机制也发生了变化。随着转基因作物广泛地栽培种植，其越来越为人们所熟知，但是，这些突变的产生是不是由于转基因过程导致的，还需要进一步研究。