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转基因技术的应用
08120326 汪彤
摘要：转基因技术目前广泛应用于医药、工业、农业、环保、能源等领域。转基因技术首先在医药领域得到广泛应用，1982年美国食品药物管理局（FDA）批准利用转基因微生物生产的人胰岛素商业化生产，是世界首例商业化应用的转基因产品。此后，利用转基因技术生产的药物层出不穷，如重组疫苗、抑生长素、干扰素、人生长激素等。转基因技术广泛应用的第二个领域在农业，包括转基因动物、植物及微生物的培育，其中转基因作物发展最快，具有抗虫、抗病、耐除草剂等性状的转基因作物大面积推广，品质改良、养分高效利用、抗旱耐盐碱转基因作物纷纷面世。转基因技术在工业中的应用也有长久历史，如利用转基因工程菌生产食品用酶制剂、添加剂和洗涤酶制剂等。此外，转基因技术还广泛应用于环境保护和能源领域，如污染物的生物降解以及利用转基因生物发酵燃料酒精等。
关键词：转基因技术，遗传改良，基因治疗
转基因简介
转基因技术是将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术（Transgene technology）。转基因技术在医学上的应用
1).基因工程用于生产蛋白质类药物
治疗糖尿病的胰岛素，是一种 51 个氨基酸残基组成的蛋白质，1982 年美国 EliLilly 公司推出基因工程制造的人胰岛素，商品名为(Humulin)。传统的生产方法是从牛的胰脏中提取。每 1000 磅牛胰脏，才能得到 10 克胰岛素。通过基因工程方法，把编码胰岛素的基因送到大肠杆菌细胞中去，造出能生产胰岛素的工程菌；从200升发酵液就可得到10克胰岛素。
干扰素具有广谱抗病毒的效能，是一种治疗乙肝的有效药物，国际上批准治疗丙型病毒性肝炎的药物只有它。但是，通常情况下人体内干扰素基因处于“睡眠”状态，因而血中一般测不到干扰素。只有在发生病毒感染或受到干扰素诱导物的诱导时，人体内的干扰素基因才会“苏醒”，开始产生干扰素，但其数量微乎其微。即使经过诱导，从人血中提取1mg干扰素，需要人血8000ml，其成本高得惊人。据计算：要获取1磅（453g）纯干扰素，其成本高达200亿美元。使大多数病人没有使用干扰素的能力。1980年后，干扰素与乙肝疫苗一样，采用基因工程进行生产，其基本原理及操作流程与乙肝疫苗十分类似。现在要获取1磅（453g）纯干扰素，其成本不到1亿美元。从人血中分离纯化治疗一个肝炎病人的费用高达二三万美元，用基因工程技术生产干扰素治疗一个肝炎病人大约只需二三百美元。基因工程生产出来的大量干扰素，是基因工程药物对人类的又一重大贡献。
生产基因工程药物的基本方法是，将目的基因用DNA重组的方法连接在体载体上，然后将载体导入靶细胞（微生物，哺乳动物细胞或人体组织靶细胞），使目的基因在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的蛋白质提纯及作成制剂，从而成为蛋白类药或疫苗。若目的基因直接在人体组织靶细胞内表达，就成为基因治疗。
目前用基因工程生产的蛋白质药物已达数十种，许多以前本不可能大量生产的生长因子，凝血因子等蛋白质药物，现在用基因工程办法便可能大量生产。已有50多种基因工程药物上市，近千种处于研发状态。每年平均有3-4个新药或疫苗问世，开发成功的约五十个药品已广泛应用于治疗癌症、肝炎、发育不良、糖尿病、囊纤维变性和一些遗传病上，在很多领域特别是疑难病症上，起到了传统化学药物难以达到的作用。)基因工程用于疫苗生产
常用的制备疫苗的方法，一种是弱毒活疫苗，一种是死疫苗。两种疫苗各有自身的弱点。活疫苗隐含着感染的危险性。死疫苗免疫活性不高，需加大注射量或多次接种。利用基因工程制备重组亚基疫苗，可以克服上述缺点，亚基疫苗指只含有病原物的一个或几个抗原成分，不含病原物遗传信息。重组亚基疫苗就是用基因工程方法，把编码抗原蛋白质的基因重组到载体上去，再送入细菌细胞或其他细胞中区大量生产。这样得到的亚基疫苗往往效价很高，但决无感染毒性等危险。在酵母中表达乙型肝炎表面抗原 HBsAg 产量可达每升 2.5mg，已于 1984 年问世。
以乙型病毒性肝炎（以下简称乙肝）疫苗为例，像其它蛋白质一样，乙肝表面抗原（HBSAg）的产生也受DNA调控。
长期以来，医学工作者在防治乙肝方面做了大量工作，但曾一度陷于困境。乙肝病毒（HBV）主要由两部分组成，内部为DNA，外部有一层外壳蛋白质，称为HBSAg。把一定量的HBSAg注射入人体，就使机体产生对HBV抗衡的抗体。机体依靠这种抗体，可以清除入侵机体内的HBV。过去，乙肝疫苗的来源，主要是从HBV携带者的血液中分离出来的HBSAg，这种血液是不安全的，可能混有其他病原体[其他型的肝炎病毒，特别是艾滋病病毒（HIV）]的污染。此外，血液来源也是极有限的，使乙肝疫苗的供应犹如杯水车薪，远不能满足需要。基因工程疫苗解决了这一难题。利用基因剪切技术，用一种“基因剪刀”将调控HBSAg的那段DNA剪裁下来，装到一个表达载体中，所谓表达载体，是因为它可以把这段DNA的功能发挥出来；再把这种表达载体转移到受体细胞内，如大肠杆菌或酵母菌等；最后再通过这些大肠杆菌或酵母菌的快速繁殖，生产出大量我们所需要的HBSAg（乙肝疫苗）。)基因工程用于基因治疗
人体基因的缺失，导致一些遗传疾病，应用基因工程技术使缺失的基因归还人体，达到治疗的目的，已成为基因工程在医学方面应用的又一重要内容。
2植物转基因在农业中的应用
1)抗除草剂基因
该类植物由于转入了抗除草剂基因，表现出抗不同类型除草剂的性状。目前已获得了一些抗除草剂作物，如抗草丁膦(Glufosinate)转基因作物冬油菜，抗草甘膦(农达)转基因作物大豆、玉米、棉花、油菜、向日葵、甜菜，抗磺酰脲类除草剂转基因作物大豆、棉花，抗溴苯腈转基因作物油菜、小麦、棉花、烟草，抗阿特拉津(Atrazine)转基因作物大豆、玉米n]，抗唑啉酮类除草剂转基因作物玉米、油菜、甜菜、小麦、水稻以及脱卤素酶转基因抗除草剂作物。此外，解溴苯腈毒害的BXn基因和解2，4一D毒害的tfDA基因等也在抗除草剂作物选育中获得成功的表达。
2)抗虫基因
比利时植物遗传公司的科学家于1987年首次将苏云金杆菌(Bacillus thunringiensis)毒蛋白基因导入烟草中得以表达，表现出对一龄烟草夜蛾幼虫的抗性。经过10多年的发展，已取得较大的进展，并实现了大面积的商业化应用。抗虫基因有两类：一类是Bt杀虫蛋白基因，来自苏云金芽孢杆菌，杀虫毒性为伴孢晶体蛋白，对鳞翅目(Lepidoptera)、双翅目(Diptera)和鞘翅目(Coleoptera)昆虫有毒，现已导入棉花、玉米、水稻、烟草、番茄、马铃薯、胡桃(Juglans sp．)、杨树(Populus sp．)、落叶松(Larix sp．)等；另一类是蛋白酶抑制剂基因，可抑制蛋白酶活性，干扰害虫消化作用而导致其死亡，是植物对虫害的自卫反应，主要有丝氨酸类、半胱氨酸类、含金属类、天冬酷氨类，现已导入棉花、烟草、番茄、龙葵(Solanum nigrum)等。根据转化所使用的基因类型，大体可以将抗虫转基因植物的发展过程分为两代：第1代即以转入Bt杀虫晶体蛋白基因为主，其产生的许多转基因作物都已进入商品化生产，如获得Bt杀虫晶体蛋白基因的烟草和番茄植株；第2代则转入Bt杀虫晶体蛋白基因之外的高效杀虫蛋白基因，这一代转基因作物大部分还处在实验室阶段，少数进入田间试验。抗虫基因在棉花作物上得到了最成功的应用，获得转基因抗虫棉的Bt基因已见诸报道的有CrylA(b)，CrylA(c)，CrylIA和CrylVA；涉及的国家有美国、中国、澳大利亚、埃及、法国、印度、原苏联、泰国等。目前已获得转化植株的蛋白酶抑制剂基因有：大豆胰蛋白酶抑制剂基因(SKTI)、豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)、慈菇胰蛋白酶抑制剂基因(API)等几类；其中获得转 CpTI基因的植物种类最多，有苹果、油菜、水稻、番茄、向日葵、甘薯、烟草、马铃薯等10余种。我国转CpTI棉花的研究已开展多年，并先后获得了转CpTI基因和转 Bt+CpTI双价基因棉花，并开始了商业化生产。另外，外源凝集素基因(GNA)也至少在油菜、西红柿、水稻、甘薯、甘蔗、向日葵、烟草、马铃薯、大豆和葡萄等10种植物上获得了表达，均表现出一定的抗虫性。
3)抗病基因
1986年，美国Beachy研究小组首次将烟草花叶病毒(TMV)外壳蛋白基因(CP)导入烟草，培育出抗 TMV的烟草植株，开创了抗病毒育种的新途径。通过导入植物病毒的外壳蛋白基因来提高植物的抗病毒能力的技术，已在多种植物病毒中进行了试验，如梁小友等将抗病毒的CMV—f户基因和抗虫的B卜一toxin基因导入番茄，获得了再生的番茄植株。目前被导入的抗病基因有：抗烟草花叶病毒蛋白基因(MP)、抗白叶枯病基因、抗棉花枯萎病基因、抗烟草花叶病毒(TMV)和黄瓜花叶病毒(CMV)基因、小麦抗赤霉病、纹枯病和根腐病基因，并进行了抗水稻白叶枯病，花生、番茄青枯病，大白菜软腐病，柑橘溃疡病，桑树、桉树青枯病、根肿病等研究。获得转基因抗病性状的植物有：烟草、番茄、棉花、大麦、燕麦草、小麦、马铃薯、水稻等。除了外壳蛋白基因这一有效途径外，近年来国内外实验室正在摸索多种抗病毒基因工程的新方法，包括卫星RNA、复制酶基因以及病毒复制抑制因子、核糖体失活蛋白、致病相关蛋白、核酸酶等。细菌病和真菌病的抗病基因工程研究基本上还处于实验室阶段。我国培育的转基因抗黄瓜花叶病毒甜椒和番茄已实现商品化生产。
4)抗逆境基因
目前已分离出大量与抗逆代谢相关的基因，包括与抗(耐)寒有关的脯氨酸合成酶基因、鱼抗冻蛋白(AFP)基因、拟南芥叶绿体3一磷酸甘油酰基转移酶基因、与抗旱有关的茧蜜糖合成酶基因及一些植物去饱和酶基因等。我国在抗逆基因的分离、克隆和转化等方面的研究已取得一定进展，克隆了耐盐碱相关基因，通过遗传转化已获得了耐1％NaCl的苜蓿(Medicago sativa)，耐 O．8％NaCl的草莓，耐2％NaCl的烟草，抗逆基因工程作物已进入田间试验阶段。刘岩等获得了耐盐性明显提高的转基因玉米植株。张荃等获得了耐盐性提高的转基因番茄。
5)改良品质基因
品质改良主要涉及蛋白质的含量、氨基酸的组成、淀粉和其它多糖化合物以及脂类化合物的组成。富含蛋氨酸的转基因烟草、直链淀粉含量降低的转基因水稻、月桂酸含量高达40％的转基因油菜都相继成功，有的已进入大田试验。另外，延熟转基因番茄和改变花色转基因玫瑰也已J商品化。“金米的故事”(将水仙花的两个基因和一种细菌的一个基因一起植入一种名为T309的水稻中，获得一种水稻新品种。这样获得的新水稻富含铁元素、锌元素和可转化为维生素A的胡萝卜素，能防止贫血和维生素A缺乏症，大米又呈金黄色)告诉我们转基因技术改良大米品质，解决人类营养不良已成为可能。而我国学者将玉米醇溶蛋白(Zein)基因导人马铃薯后，田间转基因植物的块茎中必需氨基酸含量提高10％以上，而含硫氨基酸的增加尤为显著乜“。此外，富含蛋氨酸的转基因烟草、直链淀粉含量降低的转基因油菜都相继成功，有的已经进入大田试验，延熟转基因番茄和改变花色转基因玫瑰也已商品化。
3.转基因技术在动物方面应用 转基因动物的应用能提高动物体组成、肉品质量、乳产量、毛的质量，提升多产性和抗病性，还包括其它重要的经济特征。下面是一些应用实例：
（1）1983 年美国将大白鼠的生长激素基因注射到小白鼠的受精卵内，经移植和胚胎发育成功地培育出“超级鼠”其体重比一般小鼠增加2倍。可以将其应用到实验室中。
（2）运用反转录病毒为载体携带生长激素基因导入动物，相继培育出快速生长的 转基因猪、羊、鸡、兔和牛等。
（3）将牛的生长激素注射到乳牛或羊羔体内，可以改善食物的转换效率，提高蛋白质与脂肪的比例，生产出更加符合人们要求的较瘦的肉类。
转基因动物的出现引导人们把转基因动物作为一种反应器生产有用的蛋白，特别是医用活性蛋白。美国一大学利用转基因技术使转基因山羊和转基因小鼠分泌出人的t PA。美国公司已成功地培育出3 头能生产人血红蛋白的转基因猪。荷兰一公司培育的一批转基因牛中携带着在奶中表达的人乳铁蛋白基因。我国科学家把乙肝病毒表面抗原基因注入家兔的受精卵中，获得了表达。再有，将能够控制产卵率的促卵素（booroolla）基因导入动物体内，有可能培育出具有高产卵率特性的转基因家畜。这种促卵素基因是从澳大利亚绵羊中分离出来的，它能够提高绵羊的双胞胎和三胞胎的发生率。把这个基因导入其他牛和羊体内，可提高奶牛和母羊的产仔率。4转基因与工业（1）生物能源
某些转基因速生树种（如杨树和桉树）可作为供电站的原料，这些树种也可以直接做燃料。这类转基因树种主要是那些能过量表达纤维素合成酶基因或能过量表达纤维素酶基因（纤维素酶能使纤维素中的生物能转化成乙醇）的树木。（2）木质素和造纸
许多转基因植物中表达了经过修饰的木质素，在这类转基因植物的成浆加工中发现，转基因植物中CAD 的降低，对于木质素的溶解和断裂非常有利，从而大大地提高了成浆效率。成浆过程是一种耗能过程，通过转基因技术修饰木质素能降低能耗、极大地提高经济效益。（3）塑料
最新报道表明，孟山都公司培育的转基因油菜发育胚的白色体内多羟基丁酸盐（P~B）的表达水平占成熟种子干重的8%。这种聚合体也已经在棉纤维细胞中表达，可制作绝缘衣服。根据这个特征，如果把目的基因转化到橡胶树中，就可以非常方便地从转基因橡胶树中得到任何所希望的蛋白。此外，这种树能够很容易地进行营养繁殖，这不仅保证了快速获得商业利润，并且也能阻止转化的目的基因通过种子扩散而导致不利的影响。5转基因作物现状
目前社会上关于转基因作物的争论非常激烈，有人大力抵制，也有人想要大力推广。当然中国政府的意思是想要大力推广的。下面是记者在问及转基因作物时候。农业部负责人的回答。
农业部负责人回答：转基因技术是现代生物技术的核心，运用转基因技术培育高产、优质、多抗、高效的新品种，能够降低农药、肥料投入，对缓解资源约束、保护生态环境、改善产品品质、拓展农业功能等具有重要作用。目前，世界许多国家把转基因生物技术作为支撑发展、引领未来的战略选择，转基因技术已成为各国抢占科技制高点和增强农业国际竞争力的战略重点。我国是人口大国，解决十三亿人口的吃饭问题是头等大事。在工业化、城镇化快速发展的过程中，突破耕地、水等资源约束，保障国家粮食安全和农产品长期有效供给，归根结底要靠科技创新和应用。推进转基因技术研究与应用，是着眼于未来国际竞争和产业分工的重大发展战略，是确保国家粮食安全的必然要求和重要途径。当前我们必须认真实施好国家转基因生物新品种培育重大专项，努力抢占未来经济科技竞争制高点，加速转基因生物技术研究与应用健康发展，为我国农业可持续发展提供强有力的科技支撑。
但在许多国家如美国，转基因食品虽然没有明令禁止，但遭到了民众的一致抵制，转基因食品在市场上毫无市场。因为大多数美国民众认为转基因食品有很大风险。下列实例就可看出：
一、作为食用的转基因土豆（NewLeaf），在2001年之后就被撤出了美国、加拿大市场，目前的转基因土豆（Amflora）是只供工业用的。
二、转基因西红柿在美国、欧洲的遭遇悲惨，上市时间比转基因土豆还短。到1998年为止，就被欧美消费者市场淘汰了。
三。美国市场上所有的新鲜蔬菜和水果，基本没有被转基因，只有黄色歪脖南瓜和绿皮西葫芦当中的10%左右及部分夏威夷木瓜被转基因，而这两种蔬菜和水果均不属于消费量高的大众化蔬果。
而在中国，不像美国有政府认定的“有机”标志，也就是“非转基因”，我国没有规范要求标注“非转基因”，因此，对于“非转基因”并没有标准，也没有检测要求，基本上是企业的自愿行为。所以，有许多转基因食品在民众所未知的情况下就已经流向的人们的肚子里了。虽然群众对转基因有一定的怀疑，但在价格优势和模糊不清的市场环境下，大多数人都差不多已悄悄默认。
6.究竟是否有害尚且未知
对于转基因作物之所以存在安全性顾虑，主要原因之一是有些转基因作物特别是抗虫的转基因品种，含有一种物质叫做BT毒蛋白。由于虫子吃了BT毒蛋白可以被毒死，因此长期摄入该物质对人是否有害很难说，需要经过非常长的时间来考察„„
国际上对转基因食品的安全性问题尚无定论、看法不一，有人赞成有人反对；不管是反对还是赞成，都没有确切的证据可以证明它绝对安全或并不安全。各个国家对转基因食品的规定和认定标准也是不一样的，各自设置的准入门槛也各不相同。
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