遗传物质的横向传递与转基因植物的安全性

生态学杂志ChineseJournalofEcology 2005,24(10):1221~1225

遗传物质的横向传递与转基因植物的安全性*

李学红

**

程贯召 高明刚 李冬玲 宋云鹏

摘 要 横向传递是在同种或异种生物不同个体之间沿水平方向进行遗传物质的单方向转移,有多种不同的转移方式。在生物界中,遗传物质的横向传递通常是借助某种载体如病毒来完成,高等生物还可以通过有性生殖在同种生物不同个体之间或异种生物不同个体之间传递遗传物质。基因的横向传递是普遍存在的,是生物进化的重要动力之一。转基因植物是人工遗传物质横向转移的结果,人工遗传物质横向转移正在越来越明显地影响着生物的生存状态。关键词 遗传物质,横向传递,生物进化

中图分类号 Q943 文献标识码 A 文章编号 1000-4890(2005)10-1221-05

Horizontaltransferofhereditarymaterialandsecurityoftransgenicplants.LIXuehong,CHENGGuanzhao,GAOMinggang,LIDongling,SONGYunpeng(DepartmentofBiology,WeifangCollege,Weifang261061,China).ChineseJournalofEcology,2005,24(10):1221~1225.Thehorizontaltransferofhereditarymaterialisaone waygenetransmittingpatternbetweendifferentorgan isms.Thereareseveraltransferpatternsalwaysrecurredtosomecarrierssuchasviruses.Thehorizontalgenetransfernotonlytakesplacebetweenmicrobialcells,butalsohappensbetweenhigheranimalsorplants,orbe tweenplantsandanimals.Thehorizontaltransferofhereditarymaterialisubiquitous,whichisanimportantmotivityforbiologicalevolution.Transgenicplantsaretheresultsofgeneticengineering,theone wayartificialgenetransferringinplants.Itisobviousthatmanualhorizontalgenetransferhasbeenmakinggreateffectsontheorganismsandtheenvironment.

Keywords hereditarymaterial,horizontaltransfer,biologicalevolution.

(潍坊学院生物系,潍坊261061)

1 引 言

遗传和变异是生命的基本属性,是生物进化的基础。在经典遗传学中,遗传是指生物通过生殖在物种繁衍过程中表现出来的世代间的相似现象,这充分体现了经典遗传学对遗传物质在世代间的纵向传递方式的关注。事实上,遗传物质在世代之间的传承必须经历横向和纵向两个传递过程。对遗传物质横向传递的真正了解开始于1944年,首先是Av ery等用生化方法证明了导致肺炎双球菌表型转化的因子是DNA而不是蛋白质,提示不同个体的DNA之间可以发生横向的交流,随后在其它细菌及真核细胞中也发现了类似的转化现象。特别是细菌中F 因子的发现,使得人们对遗传物质的横向传递方式有了更多、更深刻的了解[1,13]。生物个体之间遗传物质的横向传递在生物进化和生命传承过程中均起到重要作用。

可分为两种:纵向垂直式和横向扩展式。纵向垂直式传递是指遗传物质从亲代传到子代,这种子代获得亲代所具有的遗传特性现象,是自然界中最广泛存在的一种遗传物质传递方式,在经典遗传学中已经有充分的表述。关于遗传物质的横向传递,在遗传学中缺少综合的论述,通常仅有关于转化和转导的介绍。与纵向垂直式遗传过程一样,遗传物质横向传递的研究也有着漫长而艰难的研究历史,Avery等发现的肺炎双球菌转化现象的实质是遗传物质由一种肺炎双球菌转移到了另一种肺炎双球菌的细胞中,使后者的遗传物质组成发生了改变,这是发生在同种生物不同个体之间、沿平行方向进行的单方向的遗传物质转移。自然界中遗传物质的横向传递还可发生在不同物种的生物个体之间,最典型的证据来自于病毒。由于病毒是非细胞形式的生命体,必须借助于细胞才能完成其生命活动过程,特殊的生活史决定了病毒可以在种间或种内个体之间充当遗

*山东省然科学基金资助项目(198D08056)。

**通讯作者

:2004-18 改回日期2005-03-20

2 遗传物质的横向传递及其普遍性

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传物质横向传递的载体[13],表现在以下3方面: 病毒必须经历侵染宿主细胞,在其进行遗传物质的复制、装配、成熟和释放等过程中,有些病毒的DNA可以整合到宿主细胞的DNA中,参与宿主DNA的复制及其信息的表达。!病毒将其自身的遗传物质整合到宿主细胞基因组的同时,也可将其携带的来自其它个体的基因带入宿主细胞的基因组中。例如,最早发现的导致鸡白血病的病毒癌基因V src存在于劳氏肉瘤病毒(roussarcomavirus,一种逆转录病毒,src为sarcoma缩写)的基因组中,后来的研究表明病毒中的致癌基因src(即V src)来源于鸡的正常体细胞src(C src)基因[26,29]。鸡体细胞内的C src基因编码一种与细胞增殖调控有关的蛋白激酶(一种酪氨酸蛋白激酶),是个体发育过程中的一个必需基因,而V src基因对病毒的繁殖不是必要的,脊椎动物的细胞癌基因并不是逆转录病毒癌基因的复本,逆转录病毒致癌的原因在于病毒可以作为不同生物个体之间遗传物质横向传递的载体。∀有些病毒不仅借助细胞进行繁殖,而且在宿主细胞中长期存在并向后代传递,并不因细胞的分裂而丢失。例如植物病毒中的水稻黄矮病毒,不仅可以通过叶蝉在植物之间传播,还可借助叶蝉的卵传递到叶蝉的后代,通过叶蝉的后代在不同时间、地点感染水稻[13]。这表明遗传物质的横向传递不仅是遗传的一种方式,也是生物在进化过程中选择性适应的结果。

根据基因或遗传物质的起源及其在细胞间的转移方向,可将遗传物质的横向传递分为3类: 从细菌细胞到细菌细胞;!从细菌细胞到真核细胞;∀从真核细胞到真核细胞。已发现细菌细胞之间遗传物质的横向传递有转化(transfer)、细菌接合(bacterialconjunction)、转导(transduction)等方式,细菌之间的这种横向遗传物质转移在细菌进化过程中起到重要的作用。细菌与真核细胞之间的遗传物质横向传递,最典型例证是土壤农杆菌可利用其自身的Ti质粒将遗传物质转移到植物细胞的染色体上[3,12]。发生在真核细胞之间的遗传物质横向传递有着较为复杂的机制,细菌、病毒等在此过程中能够起到载体或中介作用,而高等动植物的雄性个体所产生的雄性配子,特别是植物的花粉,无疑是完成不同个体之间遗传物质横向传递的有力工具。此外,在动植物细胞的染色体上存在着被称为可移动因子(mobile染色体上移动,从而导致不同的生物学效应。人类基因组计划的研究结果表明,人类基因组DNA约有45%是可移动的DNA序列,这些序列在基因组中所起的作用还有待深入研究。

在自然界中,遗传物质横向传递现象十分普遍。细菌与病毒均可通过不同的方式感染寄主细胞,所以二者均可担当生物个体之间遗传物质横向传递的载体。特别是对细菌质粒的分子生物学特性的研究发现,质粒是细菌进行遗传物质横向转移的一种最直接和最有力的工具,使细菌具有了#主动∃向受体细胞转移遗传物质的能力。由于细菌极易感染动植物细胞,这为细菌介导遗传物质的横向传递提供了空间上的保证。例如,土壤中的土壤农杆菌(a grobacteriumtumefaciens)遇到双子叶植物的幼根时则汇聚根的表皮外并很快侵入表皮细胞,利用细菌细胞内携带的Ti质粒,将与生长素代谢有关的基因转移到植物细胞内[12],这些外源基因在植物细胞内表达导致植物体内生长素代谢失调并产生冠瘿。土壤农杆菌的这种能力已经被广泛应用于植物基因工程的研究中。除了病毒和细菌外,一些低等真核生物有时也能作为遗传物质横向传递的载体。例如一种常用的遗传实验模型动物%%%黑腹果蝇,其体内有一种被称为P因子的遗传物质,而与它近缘的数百个果蝇种中却没有发现这种因子,黑腹果蝇体内的P因子在与其关系较远的一些果蝇种(如南美果蝇)中是普遍存在的。对一种经常与果蝇伴生的肛历螨的生态、行为习性及其地理分布情况的分析,科学家们推测P因子可能是以螨虫为载体从南美果蝇横向转移到黑腹果蝇体内的[22]。

高等生物在长期的进化过程中获得了一种特殊的遗传物质横向传递方式%%%有性生殖,即雌雄个体之间通过配子相互融合完成遗传物质在种内或种间个体之间的横向交流,这也是高等生物代与代之间垂直式传递遗传物质的基础。但是通过性进行遗传物质交流的方式在生物进化过程中受到了严格限制,不同物种的高等生物之间出现了生殖隔离,这是高等生物在进化过程中形成的一种保证物种稳定的机制,因而高等生物之间通过有性生殖进行遗传物质的横向传递通常局限在种内个体之间,有性生殖也往往被认为是遗传物质纵向传递的表现方式。事实上,有性生殖是高等生物完成遗传物质向后代传递的主要途径,整个过程的完成不仅需要遗传物质(&)[11]

李学红等:遗传物质的横向传递与转基因植物的安全性

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质体的遗传转化研究也随之不断扩展和深入,发展了一系列将外源基因导入植物细胞的技术方法

[3,12]

要有遗传物质的横向传递方式协助(传粉&受精&雌雄配子融合),没有遗传物质在雌雄个体之间的单方向水平转移与生殖细胞融合,有性生殖过程不能完成。此外,生殖隔离也不是绝对的,高等生物在自然状态下有时会突破生殖隔离的局限,不同物种的个体之间能授粉或完成受精过程,进行遗传物质的横向交流,这种跨越物种的遗传物质横向传递是生物进化过程中新物种形成的一条重要途径。许多重要经济作物如烟草、油菜、棉花、菊花、郁金香等都是自然形成的异源多倍体,这些多倍体中的染色体组来自不同的物种[15]。我国育种家鲍文奎等[8]利用远源杂交法选择培育的异源八倍体小黑麦,是人工辅助下小麦与黑麦种间杂交的结果,这从一个侧面佐证了高等生物不同物种之间突破种间生殖隔离的可能性。特别是最近30年来,新的抗病、抗虫、优质等基因通过渐渗杂交从野生种、近缘种向栽培种的渗入速度在不断加快[3~

[23]

[2]

6,14]

。

人工的遗传转化研究主要包括以下3个方面的

内容: 以细胞为操作对象,采用细胞融合及细胞杂交技术为主要研究手段,以产生杂种优势或特异性状、特殊功能动植物为目的的遗传转化研究。!以细胞或动植物组织为操作对象,采用显微技术为主要研究手段,通过染色体替换或显微注射等手段,使靶细胞内的染色体或基因发生改变,从而达到定向改造靶细胞或目标动植物的目的。∀借助不同的载体,如质粒、病毒、脂质体、被外源DNA包裹的金粉颗粒等,利用基因重组原理,通过不同的技术手段处理靶细胞或目标动植物,使靶细胞或目标动植物的某些基因发生直接的改变。上述三个方面的研究建立了许多遗传转化方法,大致可以分为直接的遗传转化和间接的基因转移系统两类。直接的遗传转化方法常见的有PEG(polyethyleneglycol)介导法、脂质体介导法、基因枪轰击法、高压电穿孔法、脉冲电泳法、显微注射法等。近年来被较多提及的花粉管通道法、花粉介导法也可归入此类。间接的基因转移方法常见的有农杆菌介导法、病毒介导法等,与直接转化法相比,这类方法具有操作较为简便、转化条件相对容易控制、成本低、外源基因转移位点和拷贝数较少、外源基因的表达沉默率低等优点,因而使用较为频繁。自1983年首次获得转基因植物之后,植物基因工程研究已经有了突飞猛进的发展,逐渐由理论研究走向实际应用。

据统计,在过去近20年的时间中约有150多种植物(包括大多数农作物)已先后被转化,有1000种动植物已经或正在被进行转基因研究[3,5,20,21],作物改良的内容涉及抗病、抗虫、抗除草剂、抗逆境、高产优质、果蔬储藏、作物固氮、药物生产等许多方面。基于转基因动植物中外源基因的表达在某些情况下呈现组织或细胞专一性,如玉米中由PEPCase(phosphorpyruvatecarboxylase,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)启动子调控下的cry1A(b)基因表达在转基因玉米植株中表现出明显的组织特异性,在绿色组织中cry1A(b)基因表达强烈,占其可溶性蛋白的0 1~0 4%,害虫啃食玉米叶片后即可中毒死亡,这些毒蛋白不会在果实中表达或只有痕量表达[19],所以一般认为转基因动植物不会对人产生明显的毒性[3]

,一些新的性状(如大

豆、小麦雌雄性不育,水稻野败型细胞质雄性不育[4]等)在育种过程中不断被发现,其中不少已经应用到作物的品种改良中。

可以看出,从低等生物细菌到高等动植物,遗传物质横向传递是广泛存在的。虽然不同个体之间横向传递经历的过程不尽相同,但最终都是通过某种机制完成遗传物质的横向转移,这种横向的遗传物质传递是动植物完成其生命活动过程所必须的,是生物进化所不可缺少的一种动力。

3 人工遗传物质横向转移与植物基因工程

20世纪50年代以前,人类所进行的动植物杂交育种研究多数是在不自觉的状态下利用遗传物质的横向传递原理。随着对遗传物质传递机理,特别是细菌遗传转化机理,科学家们开始探索真核细胞的遗传转化问题。1966年,Fox和Soon等让果蝇(Drosophilamelanogaster)中具棕色眼和朱砂眼的隐性纯合突变体交配,再将其受精卵培育在带有野生型果蝇DNA的培养条件下,在孵育出的后代中可以见到表现野生性状(红眼)的果蝇[1]。这是早期关于真核细胞之间遗传物质横向转移的探索。20世纪70年代建立的重组DNA技术使得人工改造动植物遗传组成的想法成为现实,特别是20世纪60~70年代植物原生质体及其衍生体系的建立和原生质体培养技术逐渐被程序化,为进行细胞杂交,

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柿)于1993年投放美国市场以来,在短短十年多的时间里,动物、植物和微生物来源的转基因食品得到了非常迅速的发展,各种类型转基因食品应运而生。已培育成功的转基因作物包括玉米、大豆、土豆、菜豆和西红柿等人类的主食作物,转基因技术不仅可能使食品在品质、口味、色香等方面具有新的特点,有的还涉及疾病预防和保健,如防止动脉粥样硬化、骨质疏松等,这是常规育种手段所不能达到的。上述基于人工的遗传物质横向转移的植物基因工程操作,能使基因突破物种的障碍在种间转移,带来更快速的物种遗传物质的改变。

和平衡关系[18,24,25,28]。随着转基因植物繁衍过程的进行,转基因植物中的外源基因不仅可随花粉扩散和传播,也可能通过其它某种方式完成在种间或种内的横向转移。完成跨越种间的横向转移可能需要很长(甚至是漫长的)时间,但是跨越种间的横向转移成为现实后所导致的后果,人类现在无法预料。由于研究和评价转基因植物对生态环境的影响是一项浩繁的工程,工作量大且需要时间长,开展研究的时间往往又滞后于转基因植物的释放及商品化,因而关于转基因植物安全性的呼声很难在转基因植物被释放之前得到应有的重视[7,10,14],显得有一些微弱乏力。到目前为止,人类还不能肯定转基因植物是安全的,任何一项转基因植物的田间释放都需要经过科学的专业及社会效应的论证,转基因植物的安全性不仅是一个不容忽视的、严肃的学术问题,也已经成为一个需要严肃对待的社会问题。

转基因植物作为现代生物技术的一种产物,所产生的社会经济效益十分显著,是人类解决因人口增加导致的食品短缺问题的有力手段,这在某种程度上促进了人们对转基因食品的认可。自1996年以来,世界各国的转基因农作物种植面积急剧增加[5,20,21],即使对转基因食品一向态度审慎的欧洲也开始放宽对转基因作物商品化的审批标准。近年来世界各地以实用为目标的研究数目大大增加,转基因植物研究已经取得令人鼓舞的突破性进展,国外一些主要的种子公司和小公司也竞相开发重组DNA技术,用于重要作物的商业应用开发。转基因技术带给人类巨大的便利,正在极大地满足着人类的饮食或感官需求,但是必须看到这种便利与生态环境被破坏的风险是共存的,转基因技术正在有力地实现着人类改造自然的梦想,也正在越来越明显地影响着动植物的生存状态。因此,有必要重新审视遗传物质的横向传递方式,正确估计转基因植物的可能影响,特别是转基因作物的大面积种植对生态环境的影响,尽量做到在减轻对生态环境破坏的前提下,科学地利用现代生物技术的成就造福人类。参考文献

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4 遗传物质的横向传递方式决定了转基因植物的生态环境安全性

由于自然界中遗传物质的横向转移经常或普遍发生,因而自转基因技术出现之日起,关于转基因植物的安全性争论即相伴而生[7,9,18,20,24,25]。早在重组DNA技术建立之初,包括PaulBerg、Watson在内的科学家们就指出,重组DNA实验可能会突破原核生物(如细菌)和真核生物之间已经存在了数十亿年的自然屏障而产生无法预料的后果,新的疾病将威胁动物和植物的生命[18,27]。随着转基因产品向田间及食品市场的释放,转基因植物的安全性越来越受人们关注

[7,9,11,27]

,关于安全性的争论主要

在两方面:一是通过食物链对人类产生影响,即转基因食品的安全性;二是通过生态链对环境产生影响,即生态环境安全性。随着转基因农作物种植面积的增加,其生态环境安全性成为转基因植物安全性争论的焦点。

就转基因植物的环境安全性而言,遗传物质的横向传递方式决定了被转移的外源基因再行水平转移的可能性: 转基因食品中的外源基因直接进入人基因组的可能性微乎其微,但其仍然有可能污染动物肠道的微生物系统,转而扩散到人或其他动植物基因组中。有媒体报道最近德国科学家发现基因工程油菜的转基因已经污染了蜜蜂体内肠道中的微生物,Duggan等

[16,17]

最近的研究也证明,饲喂玉米

精饲料5h后,通过PCR在绵羊的瘤胃液中仍然能够扩增出转基因玉米所携带的cry1A(b)基因。存在于瘤胃液中的这些cry1A(b)基因是否会引起肠道细菌抗性的改变?是否会改变肠道原有的微生物系统?!转基因植物的大量释放无疑会增加植物生

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作者简介 李学红,女,1965年生,硕士,副教授。长期从事细胞生物学教学工作及植物发育、植物分子生物学研究。发表论文16篇。责任编辑 梁仁禄