我国转基因生物技术研究进展

食品生物技术论文第七篇：我国转基因生物技术研究进展

 

　　摘要：科技的发展日新月异，研究者们为了使植物获得一些更为优良的特性，而对植物进行转基因改良，植物转基因技术是研究基因功能的基础性技术，也是目前科学研究的必要手段。当前，转基因技术是国际热议的焦点话题，国际上存在对转基因技术以及有关食品的反对声音，但实际上，转基因技术的发展，极大提高了人类科学和农业发展水平。为了将转基因技术更多的被接受和利用，文中对各种转基因技术的概念及研究现状进行阐述。

 

　　关键词：大豆; 转基因技术; 聚合酶链式扩增技术; 蛋白质印迹检测技术;

 

　　Research status of transgenic technology in China

 

　　Li Haiyan Wu Xiaoxia Li Wenbin

 

　　从欧洲到亚洲，从国外到国内，转基因食品一直是社会公众关注的焦点。主要有3种意见。第一，来自从事转基因研究的科学家和知名的科普专家，他们从转基因正面的角度进行阐述。第二，是由一些哲学家、社会科学家、伦理学家以及某些反对转基因的知名媒体人，通过收集一些耸人听闻的案例和试验结果，他们向公众传播一些转基因会“亡国灭种”的信息。第三，保持中立的，他们不会对自己专业之外的科学问题随便发表意见和建议，进而避免造成误导广大群众。

 

　　植物转基因技术是研究基因功能的基础性技术，也是目前科学研究的必要手段。转基因技术是将组合、结合、剪切分离的DNA分子，在对应作物基因组中导入的一种技术，该技术能将相对应作物基因进行重组与改善，进而有效的更改作物性状，以达到预期状态。转基因方法是通过分子生物学手段将外源特定基因导入到植物受体中，使外源基因整合到植物基因组中稳定遗传，从而使植物获得特定的基因[1]。利用转基因技术，对植物体内的1个或多个基因进行敲除、沉默、过量表达，以改变植物体内该基因的表达情况。通过观察植物体性状的变化进而发掘基因的功能、认识植物体的生长调控机理。对于较大基因组，通常会将目标基因提取后，与特定的载体进行连接。通过农杆菌、基因枪等转化介质，导入到基因组较小且基因功能明确的模式植物中。例如双子叶模式植物拟南芥、单子叶模式植物水稻[2]。转基因技术可以满足很多需要，例如导入一些耐盐碱植物的基因，这样可使粮食作物在盐碱地里生存，提高土地的利用率；再如导入抗寒、抗旱基因可提高植物的抗逆性，在自然环境不利的年份、地区增加收成。植物抗病基因、种子贮藏蛋白基因、苏云金杆菌抗虫基因是植物目标基因当中使用频率较高的，以上几种基因常在加强农作物质量、预防病害和虫害中使用[3]。中国自从1997年开始进口转基因大豆，到2017年中国进口大豆达到9 500多万t，约占全球大豆贸易量的70%，目前中国已经是世界第一大豆进口国。这主要归因于转基因技术的应用。就目前来看，应用于转基因安全检测中的技术手段非常多，可以用合适的检测技术来分析转基因中外来基因的安全水平[4]。国内外转基因检验方法有很多种，在选择转基因安全检测技术时应从多方面考虑。常见的包括以核酸为检测目标物的方法，包括PCR法、芯片法等。另外是以特定的表达蛋白为目标物的检测方法，包括蛋白质电泳、酶联免疫分析技术（ELISA）。此外，还有高通量测序技术、电化学发光技术、光谱分析技术和酶分解技术等。

 

　　1 聚合酶链式扩增技术

 

　　核酸的检测是研究最多、应用最广的。检测对象主要是调控元件（如35S启动子、NOS终止子）、标记基因（筛选特征）和外源结构基因。根据检测仪器分为，聚合酶链式反应（PCR）、可视芯片法、数字PCR法等。所有这些应用都以从样本中提取DNA为检测基础。PCR方法分为普通PCR和荧光PCR两种。主要通过使用PCR仪，通过设计引物，对特征性片段扩增后进行检测。普通PCR使用凝胶电泳定性，而荧光PCR是通过标记探针在扩增过程中对目的片段进行检测。同时对核酸进行定量，通过利用多对引物同时扩增来实现多个基因的高通量筛选，进行快速准确的定性定量。

 

　　1.1 PCR技术

 

　　聚合酶链式扩增技术（Polymerase chain reaction,PCR）是目前应用最为广泛的转基因产品的检测方法，包括定性PCR和定量PCR(Quantitative PCR,qPCR）。聚合酶链式反应通常可以对1个DNA片段放大扩增检测。基于PCR反应原理开展多重检测，达到检测目的。实时定量PCR阵列/芯片法（Real-time PCR array），是利用内含特定引物组合的96孔或384孔预制板用于高通量转基因筛查，结合已知的转基因信息列表，这种转基因检测策略能够有效地简化试验操作，增加检测通量。除此之外，能够实现多个靶位点的同步快速检测，保证检测结果的准确性以及可靠性。通过设计合成特异的引物，利用此技术进行植物源性转基因检测分析。此外，应用毛细管凝胶电泳技术分析检测转基因产品，可以达到0.01%的检测灵敏度。LAMP环介导等温扩增技术（Loop-mediated isothermal amplification method,LAMP）是在链置换DNA聚合酶的作用下，60～65℃恒温条件下实现核酸扩增，通过观察浑浊度来判断是否有基因扩增，具有高特异性、操作简单、成本低的特点[5]。最新的基因工程技术，CRISPR/CAS9已经悄悄引领新的时代，像一把“魔剪”可以让小麦变得抗病，帮助找回“儿时番茄的美味”。但分子生物学实验室功能区之间的交叉或未明确分区，酶的高灵敏度反应，在核酸提取过程中容易形成气溶胶污染，假阳性问题比较严重。

 

　　1.2 数字PCR检测技术

 

　　在转基因产品的分析检测技术当中，数字PCR检测技术是继定性以及实时荧光PCR技术后产生的第三代PCR技术，运用了分子生物学和统计学方法。其是将样品中的DNA稀释到单分子的水平，扩增反应将几十扩增至几万个单元，并收集其荧光的信号，利用泊松分布计算或直接计数样品中原始的含量或浓度，同时依据泊松概率分布原理，得到试验样品中的拷贝数或浓度。该方法在单细胞以及基因分型等领域获得技术上的突破，主要是不依赖标准曲线的定量以及扩增曲线检测的方法。在反应过程中与内参基因及标准曲线的扩增效率无关，实现了样品的绝对定量。数字PCR技术包括芯片数字PCR以及微数字PCR。前人研究利用数字PCR对转基因大豆品系进行了定量的检测。而微数字PCR是把样品分散到诸多微孔中，进而进行扩增反应。数字PCR技术目前还处在初步发展阶段，但其具备了高通量和准确性的优点，应用前景广阔。

 

　　1.3 基因芯片检测技术

 

　　基因芯片（Microarray）又称DNA芯片（DNA Microarray），是芯片技术中研究最早、最为成熟、应用最为广泛的产品。检测对象是以转基因生物体为材料，使用基因芯片检测方法，通过测定基因组的序列，形成微距阵，通过将转基因产品DNA按照一定规律排布在玻片上或硅片上。基因芯片技术是对样品中不同种类的DNA的序列，通过固体在基质表面的上千个特定探针，能够一次性准确地进行定性、定量筛查，具有高通量、集成化和自动化的特点。利用计算机软件对基因序列进行计算处理，进而掌握转基因产品的相关特征信息。Turkec等针对3个GM大豆和9个GM玉米开发检测芯片[6]。另一种芯片为可视芯片，是通过把探针固定在薄膜表面上，待检测核酸与探针结合后经酶的催化后，产生肉眼可见的杂交信号。可视芯片与膜芯片法的原理相同，都是通过膜芯片杂交，对大豆、油菜中外源基因成分进行测定。通过单次反应可筛选8种外源性成分，主要是利用多对引物对样品中可能存在的外源基因进行PCR扩增，最后达到快速高通量检测转基因成分的目的[5]。与PCR技术相比，芯片检测的成本较高，但在检测通量方面具有巨大的优势，但是芯片法在开发过程中的前期成本昂贵，限制了芯片技术方法的应用。

 

　　2 蛋白质印迹检测技术

 

　　外来基因会干扰转基因产品中的蛋白质，使蛋白质中氨基酸分子结构发生很大的变化。蛋白质印迹检测技术是指通过聚丙烯酰胺凝胶电泳检测，分离外源蛋白质，并与显色酶发生反应，进而结合反应实现分离检测。其是以转基因产品中的蛋白质作为目标物，从样品中检测并提取目标蛋白，进行特定的分离、比对或与抗原抗体相结合，最终实现对转基因产品中的特异性蛋白进行检测。在对转基因产品进行蛋白质追踪检测时，对转基因中的蛋白质种类进行有效的提取，并对转基因产品中蛋白质种类进行有效划分，明确各种蛋白质的氨基酸分子间结构的变化趋势[4]。根据使用的仪器的不同，可以分为电泳法、液相色谱法和ELISA法等。电泳法常用的介质是琼脂糖凝胶和聚丙烯酰胺凝胶。ELISA法比较适用于在市场监督执法环节的快速筛选，疑似阳性后可在实验室进一步阳性确认。相关人员利用蛋白质追踪技术分析转基因产品中蛋白质中氨基酸分子结构的变化，明确转基因产品的质量水平[4]。例如转基因大豆蛋白的分离检测可使用液相色谱，采用色谱检测技术，能够实现精准分析以及定量检测，该方法需要大量样本的检测来建立图谱库，不同地域的原料谱图会有较大的差异，检测及确认工作量比较大。

 

　　3 高通量测序技术

 

　　高通量测序技术（Next-generation sequencing,NGS）是以Roche/454、Illumina/Solexa和ABI/SOLiD为主要方法的技术。对比传统的DNA的Sanger测序法，NGS在很短时间内产出千万倍的测序数据，对一个物种的基因组或转录组的整体覆盖和全貌进行精细的研究。随着测序成本的不断下降，NGS技术必将成为转基因检测领域的主流技术。以NGS技术为基础的全基因组的测序、微生物宏基因组的测序、转录组的测序、小分子RNA的测序和表观基因组的测序等已被广泛应用于医学、农业、食品、生态等多个研究领域。

 

　　目前，NGS技术在GMO检测上应用有限。DNA富集策略必须依赖预知元件，还没有非常便捷、低成本的靶标富集方法。GMO检测一般需要0.1%的灵敏度和高通量的需求，最好能够分析混合物种的样本（例如玉米和大豆混样），NGS技术还需要在低成本、高效和宽靶标等方向有所进步[7]。

 

　　4 电化学发光技术

 

　　在对转基因产品中主要成分进行电化学发光处理后，各类转基因物质之间相互作用后有所提升。其不仅能够实现转基因产品中各类化合物分解的效果，还能降低其检测时出现的各种问题。转基因产品中各类基因物质在相互转化和分解过程中会产生发光的现象。利用电化学发光技术，判断转基因产品中外来基因含量，进而推断出转基因产品的安全性[4]。

 

　　5 光谱分析技术

 

　　运用光谱分析技术利用近红外线的穿透能力对转基因产品进行分析和检测。利用光谱分析技术绘制了光谱图，借助计算机模拟软件，通过对比分析发现，转基因产品和非转基因分子结构呈非期望效应。目前利用光谱分析技术，已经成功对转基因番茄以及玉米进行鉴别和检测分析。在光谱基础上进而又发展出多光谱无损检测技术。

 

　　6 酶分解技术

 

　　在转基因产品进行加工时，可以产生大量的酶。尽管酶可以增强其营养物质的活性，但是有一定的毒性作用。在活性酶的作用下，转基因产品中有毒化合物被分解处理，可以将其中有毒化合物进行分解成不同的部分，将转基因产品的毒性降到最低。对于转基因产品酶的分解来说，不同产品成分所形成的酶在色谱图的分解上存在着一定差异。通过各种酶分解的色谱图进而判断在转基因产品中是否含有有毒物质[4]。

 

　　7 新材料辅助的转基因定量检测技术

 

　　针对转基因产品分析，提出了使用新材料辅助进行检测。例如纳米技术不仅可以降低背景值，还能提高检测的准确性[8]。

 

　　从人类的科学发展史上来看，转基因技术只是人类文明中的“微小进步”。转基因技术从来不是为了冒犯大自然，而是为了人类社会的进步。诚然，转基因技术并不是无所不能，更不应该被妖魔化。农业是中国的立国之本，采取有效的方式提高农作物的产量和质量是有必要的。随着生物技术的不断发展，其在农业种植中得到了广泛的应用，有效地提升了农产品的产量和质量。近年来，利用生物技术对农作物基因的改变对人体健康是否有影响还没有定论，因此需要对此项技术进行深入的研究，希望未来我国农业种植在生物技术推动下能有更好的发展。转基因技术的出现带来了外源基因安全性和环境安全性两个问题，但转基因技术的应用与推广是科技和社会经济发展的趋势，所以转基因产品的安全是今后重点跟踪和研究的方向。建立及健全对转基因产品的检测方法和监督机制，不仅是对消费者的知情权和选择权的尊重与保护，更是有效安全监管的需求。

 

　　参考文献

 

　　[1]杨鹤鸣.转基因作物[J].农业科学, 2018(11):71.

　　[2]高新梅,逯敏慧.研究植物转基因技术的必要性探讨[J].现代农业科技, 2019(4):35-37.

　　[3]陈坤杰.农业种植中生物技术的应用价值分析[J].农业技术推广, 2019(2):76.

　　[4]郭昕.转基因食品质量安全检测技术的发展研究[J].科学管理,2018(12):239-240.

　　[5]孟静,孙潇慧,钟立霞,等.豆制品中转基因成分检测的研究进展[J].大豆科学, 2019, 38(1):148-152.

　　[6] Turkec A, Lucas S J, Bur鏸n Karacanli, et al. Assessment of a direct hybridization microarray strategy for comprehensive monitoring of genetically modified organisms(GMOs)[J]. Food Chemistry,2016, 194:399-409.

　　[7]李夏莹,陈锐,刘鹏程,等.转基因高通量检测技术研究进展[J].江苏农业科学, 2019, 47(1):27-30.

　　[8]李春哲.转基因食品分析检测技术研究[J].粮食科技与经济,2018, 8(43):63-65.