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國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)基因生物研發(fā)新進(jìn)展與未來(lái)展望
責(zé)任編輯：本站編輯 來(lái)源：基因農(nóng)業(yè)網(wǎng) 日期：2015-04-29
1國(guó)內(nèi)外重大研發(fā)進(jìn)展
隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異,以轉(zhuǎn)基因技術(shù)為核心的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)發(fā)展尤為迅猛。截至2014年,轉(zhuǎn)基因作物全球種植面積達(dá)到1.81億hm2,轉(zhuǎn)基因作物育種技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了技術(shù)成熟期和產(chǎn)業(yè)發(fā)展期之后,目前已進(jìn)入以搶占技術(shù)制高點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)為目標(biāo)的戰(zhàn)略機(jī)遇期。與此同時(shí),轉(zhuǎn)基因技術(shù)在改善動(dòng)物生產(chǎn)性能、抗病能力、開(kāi)發(fā)乳腺生物反應(yīng)器等領(lǐng)域不斷發(fā)展。轉(zhuǎn)基因物種涉及了豬、牛、羊、雞、魚(yú)、家蠶、果蠅等,涉及的性狀囊括了生長(zhǎng)、繁殖、抗病、飼料轉(zhuǎn)化率、肉質(zhì)、人源化器官、新型藥物等,轉(zhuǎn)基因動(dòng)物所表現(xiàn)出的優(yōu)異表型,展示了其廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)雖然研究開(kāi)發(fā)的整體實(shí)力同發(fā)達(dá)國(guó)家還具有一定的差距,但現(xiàn)在已經(jīng)初步建成了包括功能基因克隆、大規(guī)模遺傳轉(zhuǎn)化、品種選育、安全評(píng)價(jià)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、應(yīng)用推廣等各環(huán)節(jié)在內(nèi)的轉(zhuǎn)基因育種科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系,擁有抗病蟲(chóng)、抗逆、品質(zhì)改良、營(yíng)養(yǎng)健康等重要基因的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)與核心技術(shù),并在棉花、水稻、玉米、豬、牛、羊等轉(zhuǎn)基因生物的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面取得了重大突破。
1.1轉(zhuǎn)基因植物領(lǐng)域取得的進(jìn)展
1.1.1抗生物逆境
2011年,美國(guó)專利商標(biāo)局公開(kāi)了有關(guān)轉(zhuǎn)基因植物及其生產(chǎn)方法的專利申請(qǐng)共571件,其中抗病蟲(chóng)等生物逆境的專利120件。過(guò)表達(dá)抗性基因提高植物抗病蟲(chóng)能力作為經(jīng)典轉(zhuǎn)基因育種手段在抗病、抗蟲(chóng)等領(lǐng)域不斷得以更新和優(yōu)化。廣泛挖掘并應(yīng)用Bt資源成為植物基因工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)。此外,科學(xué)家還從不同生物來(lái)源中鑒定出多種對(duì)蚜蟲(chóng)、夜蛾、甲蟲(chóng)等具有抗蟲(chóng)活性的抗生物素等蛋白,有望發(fā)掘更多有應(yīng)用價(jià)值的抗蟲(chóng)基因資源,提高轉(zhuǎn)基因作物的廣譜抗蟲(chóng)性。近年來(lái)興起的RNAi技術(shù)在培育轉(zhuǎn)基因抗病毒作物上表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,利用該技術(shù)已獲得了小麥、甜菜、水稻、木薯、香蕉和柑橘等抗病毒轉(zhuǎn)基因新品種。復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物的市場(chǎng)需求與研發(fā)態(tài)勢(shì)也日趨加速,2010年先正達(dá)公司研發(fā)的抗秋粘蟲(chóng)、甘蔗食心蟲(chóng)、玉米穗蛾等多種害蟲(chóng)的轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)玉米,已在美國(guó)、加拿大、巴西、阿根廷獲得種植批準(zhǔn)。抗蟲(chóng)棉的研究開(kāi)發(fā)是我國(guó)獨(dú)立發(fā)展轉(zhuǎn)基因育種,打破跨國(guó)公司壟斷,搶占國(guó)際生物技術(shù)制高點(diǎn)的范例。轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)水稻獲批生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū),轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)玉米也已進(jìn)入到環(huán)境釋放階段,蓄勢(shì)待發(fā)?；A(chǔ)研究方面,克隆了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要性狀基因,并進(jìn)行了育種價(jià)值評(píng)估,為轉(zhuǎn)基因作物新品種培育儲(chǔ)備了重要功能基因資源。在我國(guó)多家科研單位已分別利用鑒定的Bt基因轉(zhuǎn)化水稻、玉米、馬鈴薯等作物,獲得了農(nóng)藝性狀良好的抗水稻螟蟲(chóng)、玉米螟、馬鈴薯甲蟲(chóng)的轉(zhuǎn)基因植株。利用RNAi技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)、抗病毒作物也取得了重要進(jìn)展?？瓜x(chóng)轉(zhuǎn)基因玉米現(xiàn)已完成生產(chǎn)性試驗(yàn),對(duì)玉米螟表現(xiàn)高抗,已具備了產(chǎn)業(yè)化條件。
1.1.2抗非生物逆境
圍繞功能基因、轉(zhuǎn)錄因子、信號(hào)因子等方面開(kāi)展抗旱、耐鹽堿、抗高溫、冷害研究,以期獲得性狀優(yōu)良的作物新品種是轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)的重點(diǎn)之一。目前研究工作集中在作物的滲透調(diào)節(jié)類基因、抗氧化保護(hù)類基因、分子伴侶類基因等功能基因的挖掘與鑒定、抗逆相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子及其調(diào)控機(jī)制研究,以及信號(hào)因子在脅迫條件下信號(hào)傳導(dǎo)途徑研究等。孟山都公司開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)耐旱基因(cspB,蛋白調(diào)節(jié)基因)玉米DroughtGard(MON87460)在干旱脅迫下產(chǎn)量顯著增加,2010年12月獲美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)用于食品和飼料,2012年美國(guó)農(nóng)業(yè)部對(duì)其解除管制,2013年我國(guó)批準(zhǔn)進(jìn)入轉(zhuǎn)基因玉米進(jìn)口名單。該公司針對(duì)非洲的水資源現(xiàn)狀,計(jì)劃于2017年在非洲撒哈拉沙漠以南地區(qū)推進(jìn)抗旱性轉(zhuǎn)基因玉米的商業(yè)化種植。我國(guó)在作物生產(chǎn)中,除了受到病蟲(chóng)害的侵襲外,干旱、鹽堿、低溫等非生物脅迫也是導(dǎo)致作物減產(chǎn)的重要原因。開(kāi)展非生物逆境脅迫相關(guān)功能基因的研究也是我國(guó)科學(xué)家的重要任務(wù)之一。目前,已從水稻、小麥、玉米及特殊生境生物中克隆了許多非生物逆境相關(guān)功能基因,包括轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)基因,如SNAC1、CBF3、DREB1、WIN1、OsWR1和CIPK等；滲透調(diào)節(jié)基因,如adc、TPSP、P5CS等；脫水保護(hù)蛋白基因,如HVA1和LEA3-1,以及離子泵和離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白R(shí)WC3基因等。將這些基因轉(zhuǎn)到植物中,能顯著提高轉(zhuǎn)基因植物的抗非生物逆境能力。在諸多抗逆作物的研發(fā)中,轉(zhuǎn)基因耐旱小麥、玉米是目前處于研發(fā)階段較領(lǐng)先的耐旱作物,由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的轉(zhuǎn)基因小麥新品系水分利用效率提高15%以上、產(chǎn)量提高10%以上,具有較大的生產(chǎn)應(yīng)用潛力。另一類抗非生物脅迫的轉(zhuǎn)基因研究主要是抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物創(chuàng)制,轉(zhuǎn)基因大豆新品系呼交06-698等大田表現(xiàn)高抗草甘膦,轉(zhuǎn)基因抗草甘膦玉米已于2012年獲得農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn)階段,轉(zhuǎn)基因抗草甘膦作物實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)將有利于打破跨國(guó)公司在該產(chǎn)業(yè)上的壟斷。2008年,由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的轉(zhuǎn)基因Bt抗蟲(chóng)水稻“華恢1號(hào)”和“Bt汕優(yōu)63”已獲得在湖北省的生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū),對(duì)整個(gè)亞洲乃至世界轉(zhuǎn)基因水稻的應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。
1.1.3產(chǎn)量提高
通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)主要從庫(kù)容(穗粒數(shù)、粒重)、株型(赤霉素、蕓苔素內(nèi)酯)、光合產(chǎn)物分配(蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)子、細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶、淀粉合成)、來(lái)源強(qiáng)度(CO2吸收、卡爾文循環(huán)、光敏色素、葉片衰老)、氮和水利用效率、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控等多方面加強(qiáng)。全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)、大規(guī)?；蚪M測(cè)序技術(shù)等新技術(shù)、新方法的發(fā)展,為規(guī)?；⒏咄炕蚝Y選提供了快捷手段,極大地提升了基因資源發(fā)掘與利用的效率,越來(lái)越多的產(chǎn)量相關(guān)基因被分離鑒定。如異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(ZmIPT2)控制玉米籽粒發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞分裂素的合成,水稻細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶GIF1調(diào)控蔗糖在籽粒中卸載,促進(jìn)籽粒灌漿；CCT結(jié)構(gòu)域的核蛋白(Ghd7)控制株高、抽穗期和每穗粒數(shù)。孟山都公司的抗農(nóng)達(dá)高產(chǎn)大豆已進(jìn)入高級(jí)開(kāi)發(fā)期,在世界各地不同環(huán)境條件下不同的種植季進(jìn)行了測(cè)試,均表現(xiàn)出抗性穩(wěn)定,產(chǎn)量提高的特性。近幾年來(lái),我國(guó)圍繞水稻、玉米、大豆等主要農(nóng)作物開(kāi)展了大量工作,在產(chǎn)量相關(guān)功能基因挖掘方面的研究有了較出色的進(jìn)展。隨著基因組測(cè)序與基因功能鑒定方法、設(shè)備的進(jìn)步,越來(lái)越多的控制作物農(nóng)藝性狀的功能基因被克隆出來(lái),這些基因的克隆在分子水平上加深了我們對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的理解。如分蘗是決定產(chǎn)量的一個(gè)重要農(nóng)藝性狀,中國(guó)科學(xué)院李家洋院士團(tuán)隊(duì)等圍繞水稻分蘗開(kāi)展十多年研究,發(fā)現(xiàn)了重要調(diào)控新機(jī)制,建立了調(diào)控水稻株型建成的基本工作模型,對(duì)于水稻產(chǎn)量研究具有重要意義。利用理想株型基因IPA1選育的新株型水稻新品系川農(nóng)1A/Y665-2-4、津科稻533等高產(chǎn)量性狀特征顯著。
1.1.4品質(zhì)改良
現(xiàn)代分子生物技術(shù)的進(jìn)展為改良植物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提供了有效的技術(shù)支撐,在水稻、玉米、大豆、油菜等主要農(nóng)作物中的應(yīng)用取得了較好的成績(jī)。目前已發(fā)展了包括內(nèi)源蛋白質(zhì)序列的修飾、同源優(yōu)質(zhì)蛋白基因的過(guò)量表達(dá)、異源優(yōu)質(zhì)蛋白基因的轉(zhuǎn)移和表達(dá)、人工合成新蛋白基因、以及增加游離的必需氨基酸的含量等改良作物蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的方法。目前已獲得富含葉酸的西紅柿、高蛋白含量的土豆、高維生素C含量的西紅柿、草莓和馬鈴薯、高油酸大豆、高Ω-3脂肪酸油用大豆、高花青素西紅柿等。水稻作為人類的主糧之一,目前已發(fā)展到第二代,研發(fā)重點(diǎn)主要放在稻米品質(zhì)改良,營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化,以及后期的醫(yī)療保健等方面,如富含維生素A的金米稻、高賴氨酸、高鐵及富含葉酸的轉(zhuǎn)基因水稻等。國(guó)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)改良還處于起步階段,主要集中在蛋白質(zhì)與氨基酸改良方面,在作物、蔬菜、瓜果等各個(gè)領(lǐng)域中都有階段性的創(chuàng)新。例如我國(guó)的轉(zhuǎn)基因耐貯番茄“華番1號(hào)”,能降低番茄在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失,早在1997年經(jīng)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)進(jìn)入商品化生產(chǎn)；馬鈴薯花粉特異水溶性蛋白的編碼序列轉(zhuǎn)入玉米可以使種子干重中賴氨酸含量提高10%以上；如在小麥中引入高賴氨酸蛋白基因能使種子中蛋白質(zhì)和其中賴氨酸的比例都得到10%以上的提高；通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)能使水稻籽粒中直鏈淀粉含量大比例下降；擬南芥和煙草中引入利什曼原蟲(chóng)的蝶呤還原酶(PRT1)已經(jīng)證實(shí)能使植物葉酸含量得到一定程度的提高。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院完成了高表達(dá)植酸酶的玉米新種質(zhì)創(chuàng)制,并于2009年獲得了生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū),并已選育出LY16、LY35等多個(gè)品種。
1.1.5養(yǎng)分高效利用
通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用,改造作物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控通路,從而提高作物對(duì)土壤固有養(yǎng)分資源和肥料高效利用已成為當(dāng)前轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)的重點(diǎn)之一。隨著水稻等植物全基因序列被完全破譯后,大量與養(yǎng)分吸收、運(yùn)輸和利用相關(guān)的基因即將被迅速鑒定出來(lái)。創(chuàng)制的磷高效積累、錳高效積累、酸性磷酸酶缺失和硅吸收弱等突變材料,對(duì)深入研究植物高效吸收土壤固有養(yǎng)分肥料和對(duì)養(yǎng)分高效利用養(yǎng)分分子機(jī)制,進(jìn)而培育養(yǎng)分吸收利用高效性轉(zhuǎn)基因植物有重要作用。如孟山都研發(fā)的氮高效玉米可在正常氮含量的條件下增產(chǎn),在較低氮含量的條件下穩(wěn)產(chǎn),這將為農(nóng)民提供一種既節(jié)約成本又利于穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要選擇。國(guó)內(nèi)目前研究主要圍繞在在養(yǎng)分高效植物基因型的篩選及表型分析上。有較大進(jìn)展的研發(fā)主要集中在水稻上,浙江大學(xué)成功克隆了在植物中具有明確提高磷效率功能的轉(zhuǎn)錄因子OsPTF1和對(duì)磷高親和轉(zhuǎn)運(yùn)體Pht1家族成員OsPht1；2和OsPht1；6；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)水稻中氮高效轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NRT2家族成員功能及其相互作用進(jìn)行深入研究,探明了OsNRT2.3a的表達(dá)模式并應(yīng)用于水稻轉(zhuǎn)基因研究。對(duì)上述基因的表達(dá)方式及其作用逐步了解,有助于理解植物在氮磷養(yǎng)分缺乏條件下做出的適應(yīng)性反應(yīng),并為利用基因工程改良植物性狀,提高其對(duì)土壤氮磷的利用效率拓寬基因資源。
1.1.6植物生物反應(yīng)器
通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù),以植物為表達(dá)系統(tǒng)生產(chǎn)藥用抗體、酶、結(jié)構(gòu)蛋白、抗原(疫苗)、生物質(zhì)(生物塑料)和藥物等已成為國(guó)際生物技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域。目前用于表達(dá)工業(yè)用/藥用蛋白的植物種類已達(dá)到20多種,表達(dá)的目標(biāo)蛋白達(dá)上百種。國(guó)際上已有以孟山都等為首的20余家公司專門(mén)從事植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)生物醫(yī)藥產(chǎn)品的研究。ProdiGene公司已用玉米商品化生產(chǎn)了兩種研究和診斷用酶；PlanetBiotechnology公司用煙草生產(chǎn)的抗體治療牙齒腐朽和流行性感冒的藥物在美國(guó)已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)。我國(guó)在利用植物生產(chǎn)藥用蛋白領(lǐng)域也取得了可喜的進(jìn)展,利用水稻胚乳細(xì)胞生產(chǎn)的人血清白蛋白產(chǎn)品已注冊(cè)并在國(guó)內(nèi)及歐美等國(guó)銷售。目前我國(guó)的抗體、疫苗和藥用蛋白已達(dá)24種,包括人源抗狂犬病毒單克隆抗體、膀胱癌單鏈抗體、新城疫病毒融合蛋白、輪狀病毒衣殼糖蛋白VP7、人凝血IX因子、雞α-干擾素、降鈣素、人血清白蛋白和乳鐵蛋白等。所用到的植物種類包括番茄、煙草、櫻桃、馬鈴薯、紫花苜蓿、水稻及生菜等7種。如陳超和張鐵剛利用煙草表達(dá)了人源抗狂犬病毒單克隆抗體,申慧峰等在煙草葉綠體中表達(dá)了腸致病性大腸桿菌的編碼F4ac菌毛亞單位蛋白。目前,高表達(dá)人血清蛋白水稻新品系已進(jìn)入到生產(chǎn)性試驗(yàn)。
1.2轉(zhuǎn)基因動(dòng)物領(lǐng)域取得的進(jìn)展
1.2.1動(dòng)物轉(zhuǎn)基因抗病育種
瘋牛病、禽流感、SARS、腸炎型沙門(mén)氏菌和布病等動(dòng)物源性人畜共患病的多次、重復(fù)性爆發(fā),引起了全球恐慌,由于該類型傳染病疫苗的匱乏,利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)開(kāi)發(fā)強(qiáng)抗病力新品種成為抗病育種的全新手段與方法。2007年,Richt等利用基因打靶技術(shù)獲得了瘋牛病相關(guān)基因(PRNP)雙位點(diǎn)敲除的轉(zhuǎn)基因牛,其在體外試驗(yàn)中能夠良好的抵御瘋牛病的傳播。利用表達(dá)小分子干擾RNA技術(shù),育成抗禽流感的轉(zhuǎn)基因雞(英國(guó)羅斯林研究所)、抗藍(lán)耳病的轉(zhuǎn)基因豬(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué))、對(duì)布氏桿菌具有強(qiáng)抗性的轉(zhuǎn)基因羊等,均表現(xiàn)出了良好的疾病抗性。動(dòng)物轉(zhuǎn)基因技術(shù)將在抗病育種、環(huán)境生態(tài)安全、人畜共患病預(yù)防等諸多方面發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),造福子孫后代。我國(guó)是世界上畜禽養(yǎng)殖數(shù)量最多的國(guó)家,高密度、集約化飼養(yǎng)為病原體快速傳播與突變提供了溫床,造成了抗生素的大量使用以及畜禽產(chǎn)品中抗生素的殘留等諸多問(wèn)題,并引發(fā)了食品安全危機(jī),因此抗病育種變得非常重要與迫切。近幾年,科研人員在動(dòng)物轉(zhuǎn)基因抗病育種領(lǐng)域做了大量的研究工作,取得了突破性進(jìn)展。2009年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)通過(guò)RNA干涉技術(shù)和體細(xì)胞核移植技術(shù)獲得抗藍(lán)耳病(豬繁殖與呼吸綜合癥)轉(zhuǎn)基因豬,攻毒后藍(lán)耳病毒抑制率達(dá)到60%以上,活體攻毒,轉(zhuǎn)基因豬的藍(lán)耳病的感染率明顯下降,現(xiàn)已開(kāi)展中間試驗(yàn)；獲得轉(zhuǎn)溶菌酶基因的轉(zhuǎn)基因豬,實(shí)現(xiàn)抗仔豬腹瀉疾病,并已進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn)。2011年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)獲得過(guò)表達(dá)TLR4基因的轉(zhuǎn)基因綿羊,病毒攻擊后,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的急性炎癥反應(yīng),加大了對(duì)病原體的清除能力；獲得了表達(dá)抗IBV的小RNA轉(zhuǎn)基因雞,對(duì)轉(zhuǎn)基因雞免疫細(xì)胞體外進(jìn)行IBV攻毒后,IBV病毒的復(fù)制明顯減弱,急性期的炎癥因子明顯降低,表現(xiàn)出了良好的抗病毒復(fù)制特征。
1.2.2產(chǎn)量/品質(zhì)改良
轉(zhuǎn)基因技術(shù)在改善動(dòng)物各類經(jīng)濟(jì)性狀,如生長(zhǎng)速度加快、瘦肉率提高,肉質(zhì)品質(zhì)提高,飼料利用率提高和抗病力增強(qiáng)等方面不斷取得新進(jìn)展。美國(guó)科學(xué)家將魚(yú)類的抗寒基因轉(zhuǎn)移到鮭魚(yú)基因組內(nèi),轉(zhuǎn)抗寒基因鮭魚(yú)可在寒冷條件下表達(dá)生長(zhǎng)激素基因,從而使其達(dá)上市體重的時(shí)間縮短了一半。利用基因敲除、轉(zhuǎn)入功能基因或性狀基因等,培育產(chǎn)肉量增加、肉品質(zhì)、產(chǎn)毛率及毛品質(zhì)改善的家畜新品種也取得了重要進(jìn)展。通過(guò)動(dòng)物乳腺表達(dá)獲得人類所需的食用蛋白已獲得多項(xiàng)成果。轉(zhuǎn)酪蛋白基因、轉(zhuǎn)硬脂酰輔酶A基因羊,從而提高奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。新西蘭科學(xué)家培育出轉(zhuǎn)β-酪蛋白和k-酪蛋白基因牛已完成安全性評(píng)價(jià),產(chǎn)業(yè)化正在推進(jìn)。多不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)基因克隆豬的培育成功,標(biāo)志著轉(zhuǎn)基因動(dòng)物育種進(jìn)入了新的發(fā)展歷程。中國(guó)科學(xué)院水生生物所建立了5個(gè)快速生長(zhǎng)效應(yīng)且能穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)“全魚(yú)”生長(zhǎng)激素基因黃河鯉家系,其第一代平均體重即達(dá)到對(duì)照魚(yú)的1.6倍。黑龍江水產(chǎn)研究所轉(zhuǎn)生長(zhǎng)激素鯉魚(yú)最大個(gè)體體重達(dá)到了對(duì)照魚(yú)的2倍。獲得了肌肉生長(zhǎng)抑制素基因(Myostatin)敲除的轉(zhuǎn)基因豬和轉(zhuǎn)基因牛,從而提高了產(chǎn)肉率,其中肌抑制素基因敲除豬已進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn)階段,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。品質(zhì)改良方面,成功獲得了富含ω-3不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)基因豬和轉(zhuǎn)基因牛,在肌肉和脂肪中不飽和脂肪酸含量大幅提高,為改善膳食中營(yíng)養(yǎng)成分的比例,提高人群健康水平提供新的動(dòng)物產(chǎn)品。獲得了轉(zhuǎn)IGF-1、GF-5、乙酰絲氨酸硫化氫酶等基因絨山羊,提高了絨山羊產(chǎn)絨量和品質(zhì)。2009年首次獲得具有產(chǎn)業(yè)化價(jià)值的人α-乳清白蛋白轉(zhuǎn)基因奶牛,牛奶中α-乳清白蛋白最高含量達(dá)到1.5g/L。
1.2.3動(dòng)物生物反應(yīng)器
利用動(dòng)物作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)醫(yī)用蛋白的研發(fā)工作已在各領(lǐng)域取得進(jìn)展。目前,國(guó)際上主要的動(dòng)物生物反應(yīng)器包括山羊、奶牛、豬、兔、小鼠、家蠶等,主要利用血液系統(tǒng)、動(dòng)物膀胱、禽類的卵及哺乳動(dòng)物乳腺等生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物乳腺系統(tǒng)生產(chǎn)的具有重要臨床治療價(jià)值的藥用蛋白已達(dá)十多種,其中組織溶酶原激活因子(tPA)、a1胰蛋白酶(a1-AT)及抗凝血酶III、人血紅蛋白(Hb)、人乳鐵蛋白(LF)已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。美國(guó)GTC公司利用轉(zhuǎn)基因山羊乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)的重組人抗凝血酶III(ATryn,一種可供人類使用的抗凝血藥,既能用于冠狀動(dòng)脈旁路手術(shù),又能治療燒傷、敗血病等)已在歐洲和美國(guó)上市。美國(guó)科學(xué)家Maga等培育出乳汁中分泌人溶菌酶的轉(zhuǎn)基因山羊,可以用于預(yù)防嬰幼兒腹瀉疾病,2009年已在美國(guó)上市。目前,進(jìn)入臨床試驗(yàn)的動(dòng)物生物反應(yīng)器重組蛋白藥物已達(dá)100多種,全球從事動(dòng)物生物反應(yīng)器研發(fā)的企業(yè)有20多家,包括5家上市公司。自1983年我國(guó)成功獲得表達(dá)乙肝病毒表面抗原的轉(zhuǎn)基因兔以來(lái),在醫(yī)藥保健和疫苗制備兩個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生物反應(yīng)器研發(fā),并取得了驚人的成就。醫(yī)藥保健領(lǐng)域,已經(jīng)在牛、羊、豬等動(dòng)物體內(nèi)成功表達(dá)了許多貴重的藥用蛋白,如抗腫瘤蛋白、提高免疫力蛋白、疾病治療相關(guān)蛋白等。2008年獲得首例胚胎冷凍保存的體細(xì)胞克隆牛和首例攜帶有人胰島素基因的轉(zhuǎn)基因克隆牛；獲得了乳腺中高表達(dá)可治療人B淋巴細(xì)胞癌等惡性腫瘤的CD20蛋白的轉(zhuǎn)基因牛,為挽救癌癥患者生命和降低藥物成本具有劃時(shí)代意義。2009年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)獲得富含人乳鐵蛋白的轉(zhuǎn)基因牛,乳鐵蛋白含量達(dá)到目前國(guó)際報(bào)道的最高水平,在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。2012年獲得含有轉(zhuǎn)乳糖分解酶基因克隆牛,乳糖分解酶可以將乳糖分解為被任何人利用的半乳糖和葡萄糖,有望給患有乳糖不耐癥的人群提供“放心奶”。疫苗制備方面,通過(guò)動(dòng)物生物反應(yīng)器獲得有胚癌、乙肝、口蹄疫等疾病相關(guān)抗原。2011年山東青島森淼公司初步純化了山羊乳腺表達(dá)的人乙肝疫苗抗原,進(jìn)一步拓寬了動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器的應(yīng)用范圍。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院用家蠶生物反應(yīng)器成功表達(dá)了口蹄疫病毒DNA疫苗和保留全部病毒結(jié)構(gòu)基因及病毒核衣殼結(jié)構(gòu)蛋白加工系統(tǒng)的口蹄疫病毒亞基因組結(jié)構(gòu)疫苗,該技術(shù)已進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn),并獲得了英國(guó)專利授權(quán)。轉(zhuǎn)人乳鐵蛋白奶山羊已進(jìn)入環(huán)境釋放階段。
1.2.4用于疾病研究的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型
目前,很多研究表明絕大多數(shù)疾病與基因遺傳均有一定程度的相關(guān)性,通過(guò)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作為疾病模型研究遺傳與疾病的關(guān)系,對(duì)于開(kāi)展病理治療研究與新藥篩選,預(yù)防治療與疾病有重要意義。利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物技術(shù)建立的疾病動(dòng)物模型,在闡明遺傳改變所產(chǎn)生的效應(yīng),確定致病基因的功能和致病機(jī)理等方面發(fā)揮著重要作用,且具有篩選準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、試驗(yàn)次數(shù)少等優(yōu)勢(shì)。目前已經(jīng)建立起了各種人類遺傳病的小鼠模型,包括老年性癡呆癥、帕金森病、關(guān)節(jié)炎、肌肉營(yíng)養(yǎng)缺乏癥、腫瘤發(fā)生、高血壓、內(nèi)分泌功能障礙、動(dòng)脈硬化癥、焦慮癥、抑郁癥等,但其解剖學(xué)、生理學(xué)都明顯區(qū)別于人類,具有許多局限性。狨猴因其生理特征等與人類更為接近,故轉(zhuǎn)基因狨猴是傳染病、免疫學(xué)和神經(jīng)障礙性疾病很好的模型。目前已制備了含有可導(dǎo)致肌營(yíng)養(yǎng)不良的突變基因的轉(zhuǎn)基因狨猴,轉(zhuǎn)GFP標(biāo)記基因且可遺傳給下一代的轉(zhuǎn)基因狨猴,這些大動(dòng)物模型的制備有望應(yīng)用于帕金森氏癥等疾病的研究。我國(guó)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型研究在神經(jīng)系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)、腫瘤、心血管疾病、傳染病等領(lǐng)域也取得諸多重要性進(jìn)展。2010年中科院昆明動(dòng)物研究所成功培育出中國(guó)首例轉(zhuǎn)基因獼猴,非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型的研制成功為人類重大疾病研究奠定了重要基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院通過(guò)在豬體內(nèi)導(dǎo)入家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)的突變型人SOD1基因,用體細(xì)胞核移植的方法成功制備了豬的ALS疾病模型,為揭示ALS疾病機(jī)理和開(kāi)發(fā)治療藥物提供了新的動(dòng)物模式。由深圳華大基因研究院等單位聯(lián)合研發(fā)獲得的生物節(jié)律轉(zhuǎn)基因模型豬,對(duì)生物節(jié)律的藥物新靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)及臨床前藥效學(xué)評(píng)價(jià)具有重要的科學(xué)意義和臨床意義。2010年中國(guó)科學(xué)院賴良學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)愛(ài)默瑞大學(xué)成功獲得了人類亨廷頓舞蹈癥的轉(zhuǎn)基因豬模型和抗超急性免疫排斥反應(yīng)的基因敲除豬,首次在轉(zhuǎn)基因豬大腦中發(fā)現(xiàn)與人類亨廷頓舞蹈癥患者腦中類似的神經(jīng)細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。2011年,該團(tuán)隊(duì)在世界上首次建立了對(duì)糖尿病和心血管并發(fā)癥的研究有重要應(yīng)用價(jià)值的PPARγ基因敲除豬模型,首次實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)在大動(dòng)物內(nèi)源性基因敲除中的應(yīng)用。
1.2.5其他
(1)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物為人類提供器官配件：轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是人類最好的器官庫(kù),能提供從皮膚、角膜,到心、肝、腎等“零件”。豬在解剖、組織及生理上與人類最為相近,是器官庫(kù)的最佳選擇。2012年澳大利亞科學(xué)家成功去除了豬的半乳糖苷酶基因,為將動(dòng)物器官移植到人體上鋪平了道路。目前我國(guó)約有150萬(wàn)尿毒癥、300多萬(wàn)角膜病和400萬(wàn)白血病患者以及3000萬(wàn)肝病患者在等待供體器官,但是供體器官的嚴(yán)重不足,致使一些病人在漫長(zhǎng)的器官等待中死去。豬體內(nèi)器官在體積與功能上都和人較為接近,科學(xué)家希望通過(guò)培育適配性器官的轉(zhuǎn)基因豬為人類提供所需器官。2010年,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院成功研制出敲除α-1,3半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因(GGTA1)單敲除的近交系五指山小型豬,是我國(guó)第一例敲除超急性免疫排斥基因的異種器官移植豬,為我國(guó)創(chuàng)建器官移植豬邁出了關(guān)鍵的一步。
(2)動(dòng)物遺傳資源的保護(hù)：動(dòng)物遺傳資源保護(hù)實(shí)質(zhì)上是保護(hù)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)和遺傳物質(zhì)多樣性,以及遺傳信息的表觀修飾狀態(tài)。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物研究中所涉及的細(xì)胞傳代培養(yǎng)、胚胎細(xì)胞的體外操作、體細(xì)胞核移植等多項(xiàng)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)遺傳信息的有效保存與利用。動(dòng)物體細(xì)胞克隆技術(shù)的發(fā)展與成熟,有效提升了轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)效率,拓寬了動(dòng)物克隆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。2001年意大利人通過(guò)異種克隆獲得瀕危物種歐洲盤(pán)羊；2008年日本科學(xué)家獲得16年前冰凍小鼠的克隆后代；2009年西班牙人獲得10年前滅絕的野山羊的克隆后代。我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了大規(guī)模的體細(xì)胞克隆與胚胎工程等大型高技術(shù)研發(fā)工作,先后獲得了體細(xì)胞克隆牛、羊(綿羊和山羊)和豬等動(dòng)物,克隆動(dòng)物成功率和成活率居世界之首,克隆動(dòng)物的群體數(shù)量不斷擴(kuò)大,由此而催生的轉(zhuǎn)基因克隆動(dòng)物大規(guī)模生產(chǎn),建立了較為完善的技術(shù)體系。利用高新技術(shù)進(jìn)行動(dòng)物遺傳資源保護(hù),將在不久將來(lái)取得重大進(jìn)展。
(3)特殊用途：培育出轉(zhuǎn)基因環(huán)保豬,其唾液所產(chǎn)生的植酸酶可以消化植物磷,糞便含磷量減少了75%,為解決養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境污染問(wèn)題提供了有效方案。產(chǎn)蛛絲蛋白轉(zhuǎn)基因山羊可生產(chǎn)高強(qiáng)度絲線,被稱為“生物鋼”,在醫(yī)療、軍事、航天等工業(yè)市場(chǎng)有廣闊的應(yīng)用前景。利用轉(zhuǎn)基因山羊乳腺生產(chǎn)丁酰膽堿酯酶解毒劑,有效預(yù)防軍事化學(xué)武器的使用。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的利用為軍用或民用特種生物材料制備提供了新途徑。
2趨勢(shì)及展望
以“組學(xué)”和合成生物學(xué)作為轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)未來(lái)發(fā)展的新特征,將會(huì)對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生越來(lái)越廣泛的影響。在重要功能基因資源挖掘上,表現(xiàn)出系統(tǒng)化、規(guī)?；透咄浚辉谀繕?biāo)性狀上,表現(xiàn)出產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)并重,兼顧健康和環(huán)保；在種質(zhì)資源上,著重考慮擁有不同功能的復(fù)合性狀,以滿足社會(huì)日益發(fā)展的需求。
2.1重要功能基因資源的來(lái)源呈多樣化挖掘
功能基因來(lái)源呈多樣化趨勢(shì),從微生物、特殊生境植物等物種中挖掘抗旱、養(yǎng)分高效利用、營(yíng)養(yǎng)改良等功能基因已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn),全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)、大規(guī)?；蚪M測(cè)序技術(shù)等新技術(shù)、新方法的發(fā)展,為規(guī)模化、高通量基因篩選提供了快捷手段,極大地提升了基因資源發(fā)掘與利用的效率。同事,基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等新興學(xué)科的興起為農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展注入了新的推動(dòng)力。
2.2復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物的研發(fā)力度不斷加強(qiáng)
發(fā)展初期,轉(zhuǎn)基因事件主要集中在同一功能基因應(yīng)用于不同作物種類。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,已實(shí)現(xiàn)一種作物種類同時(shí)擁有不同的性狀功能等多方向、立體性的跨越式發(fā)展。安全高效的多基因聚合的復(fù)合性狀正成為轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)。未來(lái)的混合型轉(zhuǎn)基因作物將兼具抗害蟲(chóng)、抗除草劑、抗干旱和增加特殊物質(zhì)含量的諸多優(yōu)良特性。2010年,孟山都公司推出了首個(gè)富含8個(gè)不同性狀疊加的轉(zhuǎn)基因玉米(2個(gè)抗除草劑基因和6個(gè)抗蟲(chóng)基因),預(yù)示著未來(lái)玉米育種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
2.3輸出性狀轉(zhuǎn)基因作物日益豐富
新一代轉(zhuǎn)基因植物將圍繞改良產(chǎn)品品質(zhì),增加營(yíng)養(yǎng),提高食品的醫(yī)療保健功能,或用作工業(yè)原料,增加農(nóng)副產(chǎn)品的附加值等不斷開(kāi)發(fā)“輸出性狀”,使消費(fèi)者直接得益,較之以防治病蟲(chóng)草害為目標(biāo)的第一代轉(zhuǎn)基因作物具有更為廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。
2.4轉(zhuǎn)基因動(dòng)物將為人類醫(yī)學(xué)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)
隨著單細(xì)胞測(cè)序、外顯子測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、GWAS(全基因組關(guān)聯(lián)分析)等現(xiàn)代高技術(shù)快速發(fā)展,產(chǎn)奶、生長(zhǎng)、抗病及繁殖性狀有強(qiáng)密切關(guān)聯(lián)的性狀基因?qū)⒉粩嗟玫酵诰蚝蛻?yīng)用。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作為基因功能活體驗(yàn)證的最佳模型,可直觀闡明基因作用通路,同時(shí)也可用于藥物篩選、開(kāi)發(fā)新型藥物等。利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與長(zhǎng)壽、細(xì)胞衰老和組織再生等相關(guān)的重要功能基因,此項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,必將對(duì)人類長(zhǎng)壽、重大疾病的預(yù)防與治療等發(fā)揮獨(dú)特的作用。
隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異,以轉(zhuǎn)基因技術(shù)為核心的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)發(fā)展尤為迅猛。截至2014年,轉(zhuǎn)基因作物全球種植面積達(dá)到1.81億hm2,轉(zhuǎn)基因作物育種技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了技術(shù)成熟期和產(chǎn)業(yè)發(fā)展期之后,目前已進(jìn)入以搶占技術(shù)制高點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)為目標(biāo)的戰(zhàn)略機(jī)遇期。與此同時(shí),轉(zhuǎn)基因技術(shù)在改善動(dòng)物生產(chǎn)性能、抗病能力、開(kāi)發(fā)乳腺生物反應(yīng)器等領(lǐng)域不斷發(fā)展。轉(zhuǎn)基因物種涉及了豬、牛、羊、雞、魚(yú)、家蠶、果蠅等,涉及的性狀囊括了生長(zhǎng)、繁殖、抗病、飼料轉(zhuǎn)化率、肉質(zhì)、人源化器官、新型藥物等,轉(zhuǎn)基因動(dòng)物所表現(xiàn)出的優(yōu)異表型,展示了其廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)雖然研究開(kāi)發(fā)的整體實(shí)力同發(fā)達(dá)國(guó)家還具有一定的差距,但現(xiàn)在已經(jīng)初步建成了包括功能基因克隆、大規(guī)模遺傳轉(zhuǎn)化、品種選育、安全評(píng)價(jià)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、應(yīng)用推廣等各環(huán)節(jié)在內(nèi)的轉(zhuǎn)基因育種科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系,擁有抗病蟲(chóng)、抗逆、品質(zhì)改良、營(yíng)養(yǎng)健康等重要基因的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)與核心技術(shù),并在棉花、水稻、玉米、豬、牛、羊等轉(zhuǎn)基因生物的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面取得了重大突破。
1.1轉(zhuǎn)基因植物領(lǐng)域取得的進(jìn)展
1.1.1抗生物逆境
2011年,美國(guó)專利商標(biāo)局公開(kāi)了有關(guān)轉(zhuǎn)基因植物及其生產(chǎn)方法的專利申請(qǐng)共571件,其中抗病蟲(chóng)等生物逆境的專利120件。過(guò)表達(dá)抗性基因提高植物抗病蟲(chóng)能力作為經(jīng)典轉(zhuǎn)基因育種手段在抗病、抗蟲(chóng)等領(lǐng)域不斷得以更新和優(yōu)化。廣泛挖掘并應(yīng)用Bt資源成為植物基因工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)。此外,科學(xué)家還從不同生物來(lái)源中鑒定出多種對(duì)蚜蟲(chóng)、夜蛾、甲蟲(chóng)等具有抗蟲(chóng)活性的抗生物素等蛋白,有望發(fā)掘更多有應(yīng)用價(jià)值的抗蟲(chóng)基因資源,提高轉(zhuǎn)基因作物的廣譜抗蟲(chóng)性。近年來(lái)興起的RNAi技術(shù)在培育轉(zhuǎn)基因抗病毒作物上表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,利用該技術(shù)已獲得了小麥、甜菜、水稻、木薯、香蕉和柑橘等抗病毒轉(zhuǎn)基因新品種。復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物的市場(chǎng)需求與研發(fā)態(tài)勢(shì)也日趨加速,2010年先正達(dá)公司研發(fā)的抗秋粘蟲(chóng)、甘蔗食心蟲(chóng)、玉米穗蛾等多種害蟲(chóng)的轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)玉米,已在美國(guó)、加拿大、巴西、阿根廷獲得種植批準(zhǔn)。抗蟲(chóng)棉的研究開(kāi)發(fā)是我國(guó)獨(dú)立發(fā)展轉(zhuǎn)基因育種,打破跨國(guó)公司壟斷,搶占國(guó)際生物技術(shù)制高點(diǎn)的范例。轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)水稻獲批生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū),轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)玉米也已進(jìn)入到環(huán)境釋放階段,蓄勢(shì)待發(fā)?；A(chǔ)研究方面,克隆了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要性狀基因,并進(jìn)行了育種價(jià)值評(píng)估,為轉(zhuǎn)基因作物新品種培育儲(chǔ)備了重要功能基因資源。在我國(guó)多家科研單位已分別利用鑒定的Bt基因轉(zhuǎn)化水稻、玉米、馬鈴薯等作物,獲得了農(nóng)藝性狀良好的抗水稻螟蟲(chóng)、玉米螟、馬鈴薯甲蟲(chóng)的轉(zhuǎn)基因植株。利用RNAi技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)、抗病毒作物也取得了重要進(jìn)展?？瓜x(chóng)轉(zhuǎn)基因玉米現(xiàn)已完成生產(chǎn)性試驗(yàn),對(duì)玉米螟表現(xiàn)高抗,已具備了產(chǎn)業(yè)化條件。
1.1.2抗非生物逆境
圍繞功能基因、轉(zhuǎn)錄因子、信號(hào)因子等方面開(kāi)展抗旱、耐鹽堿、抗高溫、冷害研究,以期獲得性狀優(yōu)良的作物新品種是轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)的重點(diǎn)之一。目前研究工作集中在作物的滲透調(diào)節(jié)類基因、抗氧化保護(hù)類基因、分子伴侶類基因等功能基因的挖掘與鑒定、抗逆相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子及其調(diào)控機(jī)制研究,以及信號(hào)因子在脅迫條件下信號(hào)傳導(dǎo)途徑研究等。孟山都公司開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)耐旱基因(cspB,蛋白調(diào)節(jié)基因)玉米DroughtGard(MON87460)在干旱脅迫下產(chǎn)量顯著增加,2010年12月獲美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)用于食品和飼料,2012年美國(guó)農(nóng)業(yè)部對(duì)其解除管制,2013年我國(guó)批準(zhǔn)進(jìn)入轉(zhuǎn)基因玉米進(jìn)口名單。該公司針對(duì)非洲的水資源現(xiàn)狀,計(jì)劃于2017年在非洲撒哈拉沙漠以南地區(qū)推進(jìn)抗旱性轉(zhuǎn)基因玉米的商業(yè)化種植。我國(guó)在作物生產(chǎn)中,除了受到病蟲(chóng)害的侵襲外,干旱、鹽堿、低溫等非生物脅迫也是導(dǎo)致作物減產(chǎn)的重要原因。開(kāi)展非生物逆境脅迫相關(guān)功能基因的研究也是我國(guó)科學(xué)家的重要任務(wù)之一。目前,已從水稻、小麥、玉米及特殊生境生物中克隆了許多非生物逆境相關(guān)功能基因,包括轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)基因,如SNAC1、CBF3、DREB1、WIN1、OsWR1和CIPK等；滲透調(diào)節(jié)基因,如adc、TPSP、P5CS等；脫水保護(hù)蛋白基因,如HVA1和LEA3-1,以及離子泵和離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白R(shí)WC3基因等。將這些基因轉(zhuǎn)到植物中,能顯著提高轉(zhuǎn)基因植物的抗非生物逆境能力。在諸多抗逆作物的研發(fā)中,轉(zhuǎn)基因耐旱小麥、玉米是目前處于研發(fā)階段較領(lǐng)先的耐旱作物,由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的轉(zhuǎn)基因小麥新品系水分利用效率提高15%以上、產(chǎn)量提高10%以上,具有較大的生產(chǎn)應(yīng)用潛力。另一類抗非生物脅迫的轉(zhuǎn)基因研究主要是抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物創(chuàng)制,轉(zhuǎn)基因大豆新品系呼交06-698等大田表現(xiàn)高抗草甘膦,轉(zhuǎn)基因抗草甘膦玉米已于2012年獲得農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn)階段,轉(zhuǎn)基因抗草甘膦作物實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)將有利于打破跨國(guó)公司在該產(chǎn)業(yè)上的壟斷。2008年,由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的轉(zhuǎn)基因Bt抗蟲(chóng)水稻“華恢1號(hào)”和“Bt汕優(yōu)63”已獲得在湖北省的生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū),對(duì)整個(gè)亞洲乃至世界轉(zhuǎn)基因水稻的應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。
1.1.3產(chǎn)量提高
通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)主要從庫(kù)容(穗粒數(shù)、粒重)、株型(赤霉素、蕓苔素內(nèi)酯)、光合產(chǎn)物分配(蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)子、細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶、淀粉合成)、來(lái)源強(qiáng)度(CO2吸收、卡爾文循環(huán)、光敏色素、葉片衰老)、氮和水利用效率、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控等多方面加強(qiáng)。全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)、大規(guī)?；蚪M測(cè)序技術(shù)等新技術(shù)、新方法的發(fā)展,為規(guī)?；⒏咄炕蚝Y選提供了快捷手段,極大地提升了基因資源發(fā)掘與利用的效率,越來(lái)越多的產(chǎn)量相關(guān)基因被分離鑒定。如異戊烯基轉(zhuǎn)移酶(ZmIPT2)控制玉米籽粒發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞分裂素的合成,水稻細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶GIF1調(diào)控蔗糖在籽粒中卸載,促進(jìn)籽粒灌漿；CCT結(jié)構(gòu)域的核蛋白(Ghd7)控制株高、抽穗期和每穗粒數(shù)。孟山都公司的抗農(nóng)達(dá)高產(chǎn)大豆已進(jìn)入高級(jí)開(kāi)發(fā)期,在世界各地不同環(huán)境條件下不同的種植季進(jìn)行了測(cè)試,均表現(xiàn)出抗性穩(wěn)定,產(chǎn)量提高的特性。近幾年來(lái),我國(guó)圍繞水稻、玉米、大豆等主要農(nóng)作物開(kāi)展了大量工作,在產(chǎn)量相關(guān)功能基因挖掘方面的研究有了較出色的進(jìn)展。隨著基因組測(cè)序與基因功能鑒定方法、設(shè)備的進(jìn)步,越來(lái)越多的控制作物農(nóng)藝性狀的功能基因被克隆出來(lái),這些基因的克隆在分子水平上加深了我們對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的理解。如分蘗是決定產(chǎn)量的一個(gè)重要農(nóng)藝性狀,中國(guó)科學(xué)院李家洋院士團(tuán)隊(duì)等圍繞水稻分蘗開(kāi)展十多年研究,發(fā)現(xiàn)了重要調(diào)控新機(jī)制,建立了調(diào)控水稻株型建成的基本工作模型,對(duì)于水稻產(chǎn)量研究具有重要意義。利用理想株型基因IPA1選育的新株型水稻新品系川農(nóng)1A/Y665-2-4、津科稻533等高產(chǎn)量性狀特征顯著。
1.1.4品質(zhì)改良
現(xiàn)代分子生物技術(shù)的進(jìn)展為改良植物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提供了有效的技術(shù)支撐,在水稻、玉米、大豆、油菜等主要農(nóng)作物中的應(yīng)用取得了較好的成績(jī)。目前已發(fā)展了包括內(nèi)源蛋白質(zhì)序列的修飾、同源優(yōu)質(zhì)蛋白基因的過(guò)量表達(dá)、異源優(yōu)質(zhì)蛋白基因的轉(zhuǎn)移和表達(dá)、人工合成新蛋白基因、以及增加游離的必需氨基酸的含量等改良作物蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的方法。目前已獲得富含葉酸的西紅柿、高蛋白含量的土豆、高維生素C含量的西紅柿、草莓和馬鈴薯、高油酸大豆、高Ω-3脂肪酸油用大豆、高花青素西紅柿等。水稻作為人類的主糧之一,目前已發(fā)展到第二代,研發(fā)重點(diǎn)主要放在稻米品質(zhì)改良,營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化,以及后期的醫(yī)療保健等方面,如富含維生素A的金米稻、高賴氨酸、高鐵及富含葉酸的轉(zhuǎn)基因水稻等。國(guó)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)改良還處于起步階段,主要集中在蛋白質(zhì)與氨基酸改良方面,在作物、蔬菜、瓜果等各個(gè)領(lǐng)域中都有階段性的創(chuàng)新。例如我國(guó)的轉(zhuǎn)基因耐貯番茄“華番1號(hào)”,能降低番茄在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失,早在1997年經(jīng)農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)進(jìn)入商品化生產(chǎn)；馬鈴薯花粉特異水溶性蛋白的編碼序列轉(zhuǎn)入玉米可以使種子干重中賴氨酸含量提高10%以上；如在小麥中引入高賴氨酸蛋白基因能使種子中蛋白質(zhì)和其中賴氨酸的比例都得到10%以上的提高；通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)能使水稻籽粒中直鏈淀粉含量大比例下降；擬南芥和煙草中引入利什曼原蟲(chóng)的蝶呤還原酶(PRT1)已經(jīng)證實(shí)能使植物葉酸含量得到一定程度的提高。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院完成了高表達(dá)植酸酶的玉米新種質(zhì)創(chuàng)制,并于2009年獲得了生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū),并已選育出LY16、LY35等多個(gè)品種。
1.1.5養(yǎng)分高效利用
通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用,改造作物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控通路,從而提高作物對(duì)土壤固有養(yǎng)分資源和肥料高效利用已成為當(dāng)前轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)的重點(diǎn)之一。隨著水稻等植物全基因序列被完全破譯后,大量與養(yǎng)分吸收、運(yùn)輸和利用相關(guān)的基因即將被迅速鑒定出來(lái)。創(chuàng)制的磷高效積累、錳高效積累、酸性磷酸酶缺失和硅吸收弱等突變材料,對(duì)深入研究植物高效吸收土壤固有養(yǎng)分肥料和對(duì)養(yǎng)分高效利用養(yǎng)分分子機(jī)制,進(jìn)而培育養(yǎng)分吸收利用高效性轉(zhuǎn)基因植物有重要作用。如孟山都研發(fā)的氮高效玉米可在正常氮含量的條件下增產(chǎn),在較低氮含量的條件下穩(wěn)產(chǎn),這將為農(nóng)民提供一種既節(jié)約成本又利于穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要選擇。國(guó)內(nèi)目前研究主要圍繞在在養(yǎng)分高效植物基因型的篩選及表型分析上。有較大進(jìn)展的研發(fā)主要集中在水稻上,浙江大學(xué)成功克隆了在植物中具有明確提高磷效率功能的轉(zhuǎn)錄因子OsPTF1和對(duì)磷高親和轉(zhuǎn)運(yùn)體Pht1家族成員OsPht1；2和OsPht1；6；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)水稻中氮高效轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NRT2家族成員功能及其相互作用進(jìn)行深入研究,探明了OsNRT2.3a的表達(dá)模式并應(yīng)用于水稻轉(zhuǎn)基因研究。對(duì)上述基因的表達(dá)方式及其作用逐步了解,有助于理解植物在氮磷養(yǎng)分缺乏條件下做出的適應(yīng)性反應(yīng),并為利用基因工程改良植物性狀,提高其對(duì)土壤氮磷的利用效率拓寬基因資源。
1.1.6植物生物反應(yīng)器
通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù),以植物為表達(dá)系統(tǒng)生產(chǎn)藥用抗體、酶、結(jié)構(gòu)蛋白、抗原(疫苗)、生物質(zhì)(生物塑料)和藥物等已成為國(guó)際生物技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域。目前用于表達(dá)工業(yè)用/藥用蛋白的植物種類已達(dá)到20多種,表達(dá)的目標(biāo)蛋白達(dá)上百種。國(guó)際上已有以孟山都等為首的20余家公司專門(mén)從事植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)生物醫(yī)藥產(chǎn)品的研究。ProdiGene公司已用玉米商品化生產(chǎn)了兩種研究和診斷用酶；PlanetBiotechnology公司用煙草生產(chǎn)的抗體治療牙齒腐朽和流行性感冒的藥物在美國(guó)已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)。我國(guó)在利用植物生產(chǎn)藥用蛋白領(lǐng)域也取得了可喜的進(jìn)展,利用水稻胚乳細(xì)胞生產(chǎn)的人血清白蛋白產(chǎn)品已注冊(cè)并在國(guó)內(nèi)及歐美等國(guó)銷售。目前我國(guó)的抗體、疫苗和藥用蛋白已達(dá)24種,包括人源抗狂犬病毒單克隆抗體、膀胱癌單鏈抗體、新城疫病毒融合蛋白、輪狀病毒衣殼糖蛋白VP7、人凝血IX因子、雞α-干擾素、降鈣素、人血清白蛋白和乳鐵蛋白等。所用到的植物種類包括番茄、煙草、櫻桃、馬鈴薯、紫花苜蓿、水稻及生菜等7種。如陳超和張鐵剛利用煙草表達(dá)了人源抗狂犬病毒單克隆抗體,申慧峰等在煙草葉綠體中表達(dá)了腸致病性大腸桿菌的編碼F4ac菌毛亞單位蛋白。目前,高表達(dá)人血清蛋白水稻新品系已進(jìn)入到生產(chǎn)性試驗(yàn)。
1.2轉(zhuǎn)基因動(dòng)物領(lǐng)域取得的進(jìn)展
1.2.1動(dòng)物轉(zhuǎn)基因抗病育種
瘋牛病、禽流感、SARS、腸炎型沙門(mén)氏菌和布病等動(dòng)物源性人畜共患病的多次、重復(fù)性爆發(fā),引起了全球恐慌,由于該類型傳染病疫苗的匱乏,利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)開(kāi)發(fā)強(qiáng)抗病力新品種成為抗病育種的全新手段與方法。2007年,Richt等利用基因打靶技術(shù)獲得了瘋牛病相關(guān)基因(PRNP)雙位點(diǎn)敲除的轉(zhuǎn)基因牛,其在體外試驗(yàn)中能夠良好的抵御瘋牛病的傳播。利用表達(dá)小分子干擾RNA技術(shù),育成抗禽流感的轉(zhuǎn)基因雞(英國(guó)羅斯林研究所)、抗藍(lán)耳病的轉(zhuǎn)基因豬(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué))、對(duì)布氏桿菌具有強(qiáng)抗性的轉(zhuǎn)基因羊等,均表現(xiàn)出了良好的疾病抗性。動(dòng)物轉(zhuǎn)基因技術(shù)將在抗病育種、環(huán)境生態(tài)安全、人畜共患病預(yù)防等諸多方面發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),造福子孫后代。我國(guó)是世界上畜禽養(yǎng)殖數(shù)量最多的國(guó)家,高密度、集約化飼養(yǎng)為病原體快速傳播與突變提供了溫床,造成了抗生素的大量使用以及畜禽產(chǎn)品中抗生素的殘留等諸多問(wèn)題,并引發(fā)了食品安全危機(jī),因此抗病育種變得非常重要與迫切。近幾年,科研人員在動(dòng)物轉(zhuǎn)基因抗病育種領(lǐng)域做了大量的研究工作,取得了突破性進(jìn)展。2009年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)通過(guò)RNA干涉技術(shù)和體細(xì)胞核移植技術(shù)獲得抗藍(lán)耳病(豬繁殖與呼吸綜合癥)轉(zhuǎn)基因豬,攻毒后藍(lán)耳病毒抑制率達(dá)到60%以上,活體攻毒,轉(zhuǎn)基因豬的藍(lán)耳病的感染率明顯下降,現(xiàn)已開(kāi)展中間試驗(yàn)；獲得轉(zhuǎn)溶菌酶基因的轉(zhuǎn)基因豬,實(shí)現(xiàn)抗仔豬腹瀉疾病,并已進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn)。2011年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)獲得過(guò)表達(dá)TLR4基因的轉(zhuǎn)基因綿羊,病毒攻擊后,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的急性炎癥反應(yīng),加大了對(duì)病原體的清除能力；獲得了表達(dá)抗IBV的小RNA轉(zhuǎn)基因雞,對(duì)轉(zhuǎn)基因雞免疫細(xì)胞體外進(jìn)行IBV攻毒后,IBV病毒的復(fù)制明顯減弱,急性期的炎癥因子明顯降低,表現(xiàn)出了良好的抗病毒復(fù)制特征。
1.2.2產(chǎn)量/品質(zhì)改良
轉(zhuǎn)基因技術(shù)在改善動(dòng)物各類經(jīng)濟(jì)性狀,如生長(zhǎng)速度加快、瘦肉率提高,肉質(zhì)品質(zhì)提高,飼料利用率提高和抗病力增強(qiáng)等方面不斷取得新進(jìn)展。美國(guó)科學(xué)家將魚(yú)類的抗寒基因轉(zhuǎn)移到鮭魚(yú)基因組內(nèi),轉(zhuǎn)抗寒基因鮭魚(yú)可在寒冷條件下表達(dá)生長(zhǎng)激素基因,從而使其達(dá)上市體重的時(shí)間縮短了一半。利用基因敲除、轉(zhuǎn)入功能基因或性狀基因等,培育產(chǎn)肉量增加、肉品質(zhì)、產(chǎn)毛率及毛品質(zhì)改善的家畜新品種也取得了重要進(jìn)展。通過(guò)動(dòng)物乳腺表達(dá)獲得人類所需的食用蛋白已獲得多項(xiàng)成果。轉(zhuǎn)酪蛋白基因、轉(zhuǎn)硬脂酰輔酶A基因羊,從而提高奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。新西蘭科學(xué)家培育出轉(zhuǎn)β-酪蛋白和k-酪蛋白基因牛已完成安全性評(píng)價(jià),產(chǎn)業(yè)化正在推進(jìn)。多不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)基因克隆豬的培育成功,標(biāo)志著轉(zhuǎn)基因動(dòng)物育種進(jìn)入了新的發(fā)展歷程。中國(guó)科學(xué)院水生生物所建立了5個(gè)快速生長(zhǎng)效應(yīng)且能穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)“全魚(yú)”生長(zhǎng)激素基因黃河鯉家系,其第一代平均體重即達(dá)到對(duì)照魚(yú)的1.6倍。黑龍江水產(chǎn)研究所轉(zhuǎn)生長(zhǎng)激素鯉魚(yú)最大個(gè)體體重達(dá)到了對(duì)照魚(yú)的2倍。獲得了肌肉生長(zhǎng)抑制素基因(Myostatin)敲除的轉(zhuǎn)基因豬和轉(zhuǎn)基因牛,從而提高了產(chǎn)肉率,其中肌抑制素基因敲除豬已進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn)階段,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。品質(zhì)改良方面,成功獲得了富含ω-3不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)基因豬和轉(zhuǎn)基因牛,在肌肉和脂肪中不飽和脂肪酸含量大幅提高,為改善膳食中營(yíng)養(yǎng)成分的比例,提高人群健康水平提供新的動(dòng)物產(chǎn)品。獲得了轉(zhuǎn)IGF-1、GF-5、乙酰絲氨酸硫化氫酶等基因絨山羊,提高了絨山羊產(chǎn)絨量和品質(zhì)。2009年首次獲得具有產(chǎn)業(yè)化價(jià)值的人α-乳清白蛋白轉(zhuǎn)基因奶牛,牛奶中α-乳清白蛋白最高含量達(dá)到1.5g/L。
1.2.3動(dòng)物生物反應(yīng)器
利用動(dòng)物作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)醫(yī)用蛋白的研發(fā)工作已在各領(lǐng)域取得進(jìn)展。目前,國(guó)際上主要的動(dòng)物生物反應(yīng)器包括山羊、奶牛、豬、兔、小鼠、家蠶等,主要利用血液系統(tǒng)、動(dòng)物膀胱、禽類的卵及哺乳動(dòng)物乳腺等生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物乳腺系統(tǒng)生產(chǎn)的具有重要臨床治療價(jià)值的藥用蛋白已達(dá)十多種,其中組織溶酶原激活因子(tPA)、a1胰蛋白酶(a1-AT)及抗凝血酶III、人血紅蛋白(Hb)、人乳鐵蛋白(LF)已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。美國(guó)GTC公司利用轉(zhuǎn)基因山羊乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)的重組人抗凝血酶III(ATryn,一種可供人類使用的抗凝血藥,既能用于冠狀動(dòng)脈旁路手術(shù),又能治療燒傷、敗血病等)已在歐洲和美國(guó)上市。美國(guó)科學(xué)家Maga等培育出乳汁中分泌人溶菌酶的轉(zhuǎn)基因山羊,可以用于預(yù)防嬰幼兒腹瀉疾病,2009年已在美國(guó)上市。目前,進(jìn)入臨床試驗(yàn)的動(dòng)物生物反應(yīng)器重組蛋白藥物已達(dá)100多種,全球從事動(dòng)物生物反應(yīng)器研發(fā)的企業(yè)有20多家,包括5家上市公司。自1983年我國(guó)成功獲得表達(dá)乙肝病毒表面抗原的轉(zhuǎn)基因兔以來(lái),在醫(yī)藥保健和疫苗制備兩個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生物反應(yīng)器研發(fā),并取得了驚人的成就。醫(yī)藥保健領(lǐng)域,已經(jīng)在牛、羊、豬等動(dòng)物體內(nèi)成功表達(dá)了許多貴重的藥用蛋白,如抗腫瘤蛋白、提高免疫力蛋白、疾病治療相關(guān)蛋白等。2008年獲得首例胚胎冷凍保存的體細(xì)胞克隆牛和首例攜帶有人胰島素基因的轉(zhuǎn)基因克隆牛；獲得了乳腺中高表達(dá)可治療人B淋巴細(xì)胞癌等惡性腫瘤的CD20蛋白的轉(zhuǎn)基因牛,為挽救癌癥患者生命和降低藥物成本具有劃時(shí)代意義。2009年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)獲得富含人乳鐵蛋白的轉(zhuǎn)基因牛,乳鐵蛋白含量達(dá)到目前國(guó)際報(bào)道的最高水平,在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。2012年獲得含有轉(zhuǎn)乳糖分解酶基因克隆牛,乳糖分解酶可以將乳糖分解為被任何人利用的半乳糖和葡萄糖,有望給患有乳糖不耐癥的人群提供“放心奶”。疫苗制備方面,通過(guò)動(dòng)物生物反應(yīng)器獲得有胚癌、乙肝、口蹄疫等疾病相關(guān)抗原。2011年山東青島森淼公司初步純化了山羊乳腺表達(dá)的人乙肝疫苗抗原,進(jìn)一步拓寬了動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器的應(yīng)用范圍。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院用家蠶生物反應(yīng)器成功表達(dá)了口蹄疫病毒DNA疫苗和保留全部病毒結(jié)構(gòu)基因及病毒核衣殼結(jié)構(gòu)蛋白加工系統(tǒng)的口蹄疫病毒亞基因組結(jié)構(gòu)疫苗,該技術(shù)已進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn),并獲得了英國(guó)專利授權(quán)。轉(zhuǎn)人乳鐵蛋白奶山羊已進(jìn)入環(huán)境釋放階段。
1.2.4用于疾病研究的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型
目前,很多研究表明絕大多數(shù)疾病與基因遺傳均有一定程度的相關(guān)性,通過(guò)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作為疾病模型研究遺傳與疾病的關(guān)系,對(duì)于開(kāi)展病理治療研究與新藥篩選,預(yù)防治療與疾病有重要意義。利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物技術(shù)建立的疾病動(dòng)物模型,在闡明遺傳改變所產(chǎn)生的效應(yīng),確定致病基因的功能和致病機(jī)理等方面發(fā)揮著重要作用,且具有篩選準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、試驗(yàn)次數(shù)少等優(yōu)勢(shì)。目前已經(jīng)建立起了各種人類遺傳病的小鼠模型,包括老年性癡呆癥、帕金森病、關(guān)節(jié)炎、肌肉營(yíng)養(yǎng)缺乏癥、腫瘤發(fā)生、高血壓、內(nèi)分泌功能障礙、動(dòng)脈硬化癥、焦慮癥、抑郁癥等,但其解剖學(xué)、生理學(xué)都明顯區(qū)別于人類,具有許多局限性。狨猴因其生理特征等與人類更為接近,故轉(zhuǎn)基因狨猴是傳染病、免疫學(xué)和神經(jīng)障礙性疾病很好的模型。目前已制備了含有可導(dǎo)致肌營(yíng)養(yǎng)不良的突變基因的轉(zhuǎn)基因狨猴,轉(zhuǎn)GFP標(biāo)記基因且可遺傳給下一代的轉(zhuǎn)基因狨猴,這些大動(dòng)物模型的制備有望應(yīng)用于帕金森氏癥等疾病的研究。我國(guó)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型研究在神經(jīng)系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)、腫瘤、心血管疾病、傳染病等領(lǐng)域也取得諸多重要性進(jìn)展。2010年中科院昆明動(dòng)物研究所成功培育出中國(guó)首例轉(zhuǎn)基因獼猴,非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型的研制成功為人類重大疾病研究奠定了重要基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院通過(guò)在豬體內(nèi)導(dǎo)入家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)的突變型人SOD1基因,用體細(xì)胞核移植的方法成功制備了豬的ALS疾病模型,為揭示ALS疾病機(jī)理和開(kāi)發(fā)治療藥物提供了新的動(dòng)物模式。由深圳華大基因研究院等單位聯(lián)合研發(fā)獲得的生物節(jié)律轉(zhuǎn)基因模型豬,對(duì)生物節(jié)律的藥物新靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)及臨床前藥效學(xué)評(píng)價(jià)具有重要的科學(xué)意義和臨床意義。2010年中國(guó)科學(xué)院賴良學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)愛(ài)默瑞大學(xué)成功獲得了人類亨廷頓舞蹈癥的轉(zhuǎn)基因豬模型和抗超急性免疫排斥反應(yīng)的基因敲除豬,首次在轉(zhuǎn)基因豬大腦中發(fā)現(xiàn)與人類亨廷頓舞蹈癥患者腦中類似的神經(jīng)細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。2011年,該團(tuán)隊(duì)在世界上首次建立了對(duì)糖尿病和心血管并發(fā)癥的研究有重要應(yīng)用價(jià)值的PPARγ基因敲除豬模型,首次實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)在大動(dòng)物內(nèi)源性基因敲除中的應(yīng)用。
1.2.5其他
(1)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物為人類提供器官配件：轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是人類最好的器官庫(kù),能提供從皮膚、角膜,到心、肝、腎等“零件”。豬在解剖、組織及生理上與人類最為相近,是器官庫(kù)的最佳選擇。2012年澳大利亞科學(xué)家成功去除了豬的半乳糖苷酶基因,為將動(dòng)物器官移植到人體上鋪平了道路。目前我國(guó)約有150萬(wàn)尿毒癥、300多萬(wàn)角膜病和400萬(wàn)白血病患者以及3000萬(wàn)肝病患者在等待供體器官,但是供體器官的嚴(yán)重不足,致使一些病人在漫長(zhǎng)的器官等待中死去。豬體內(nèi)器官在體積與功能上都和人較為接近,科學(xué)家希望通過(guò)培育適配性器官的轉(zhuǎn)基因豬為人類提供所需器官。2010年,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院成功研制出敲除α-1,3半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因(GGTA1)單敲除的近交系五指山小型豬,是我國(guó)第一例敲除超急性免疫排斥基因的異種器官移植豬,為我國(guó)創(chuàng)建器官移植豬邁出了關(guān)鍵的一步。
(2)動(dòng)物遺傳資源的保護(hù)：動(dòng)物遺傳資源保護(hù)實(shí)質(zhì)上是保護(hù)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)和遺傳物質(zhì)多樣性,以及遺傳信息的表觀修飾狀態(tài)。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物研究中所涉及的細(xì)胞傳代培養(yǎng)、胚胎細(xì)胞的體外操作、體細(xì)胞核移植等多項(xiàng)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)遺傳信息的有效保存與利用。動(dòng)物體細(xì)胞克隆技術(shù)的發(fā)展與成熟,有效提升了轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)效率,拓寬了動(dòng)物克隆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。2001年意大利人通過(guò)異種克隆獲得瀕危物種歐洲盤(pán)羊；2008年日本科學(xué)家獲得16年前冰凍小鼠的克隆后代；2009年西班牙人獲得10年前滅絕的野山羊的克隆后代。我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了大規(guī)模的體細(xì)胞克隆與胚胎工程等大型高技術(shù)研發(fā)工作,先后獲得了體細(xì)胞克隆牛、羊(綿羊和山羊)和豬等動(dòng)物,克隆動(dòng)物成功率和成活率居世界之首,克隆動(dòng)物的群體數(shù)量不斷擴(kuò)大,由此而催生的轉(zhuǎn)基因克隆動(dòng)物大規(guī)模生產(chǎn),建立了較為完善的技術(shù)體系。利用高新技術(shù)進(jìn)行動(dòng)物遺傳資源保護(hù),將在不久將來(lái)取得重大進(jìn)展。
(3)特殊用途：培育出轉(zhuǎn)基因環(huán)保豬,其唾液所產(chǎn)生的植酸酶可以消化植物磷,糞便含磷量減少了75%,為解決養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境污染問(wèn)題提供了有效方案。產(chǎn)蛛絲蛋白轉(zhuǎn)基因山羊可生產(chǎn)高強(qiáng)度絲線,被稱為“生物鋼”,在醫(yī)療、軍事、航天等工業(yè)市場(chǎng)有廣闊的應(yīng)用前景。利用轉(zhuǎn)基因山羊乳腺生產(chǎn)丁酰膽堿酯酶解毒劑,有效預(yù)防軍事化學(xué)武器的使用。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的利用為軍用或民用特種生物材料制備提供了新途徑。
2趨勢(shì)及展望
以“組學(xué)”和合成生物學(xué)作為轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)未來(lái)發(fā)展的新特征,將會(huì)對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生越來(lái)越廣泛的影響。在重要功能基因資源挖掘上,表現(xiàn)出系統(tǒng)化、規(guī)?；透咄浚辉谀繕?biāo)性狀上,表現(xiàn)出產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)并重,兼顧健康和環(huán)保；在種質(zhì)資源上,著重考慮擁有不同功能的復(fù)合性狀,以滿足社會(huì)日益發(fā)展的需求。
2.1重要功能基因資源的來(lái)源呈多樣化挖掘
功能基因來(lái)源呈多樣化趨勢(shì),從微生物、特殊生境植物等物種中挖掘抗旱、養(yǎng)分高效利用、營(yíng)養(yǎng)改良等功能基因已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn),全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)、大規(guī)?；蚪M測(cè)序技術(shù)等新技術(shù)、新方法的發(fā)展,為規(guī)模化、高通量基因篩選提供了快捷手段,極大地提升了基因資源發(fā)掘與利用的效率。同事,基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等新興學(xué)科的興起為農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展注入了新的推動(dòng)力。
2.2復(fù)合性狀轉(zhuǎn)基因作物的研發(fā)力度不斷加強(qiáng)
發(fā)展初期,轉(zhuǎn)基因事件主要集中在同一功能基因應(yīng)用于不同作物種類。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,已實(shí)現(xiàn)一種作物種類同時(shí)擁有不同的性狀功能等多方向、立體性的跨越式發(fā)展。安全高效的多基因聚合的復(fù)合性狀正成為轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)。未來(lái)的混合型轉(zhuǎn)基因作物將兼具抗害蟲(chóng)、抗除草劑、抗干旱和增加特殊物質(zhì)含量的諸多優(yōu)良特性。2010年,孟山都公司推出了首個(gè)富含8個(gè)不同性狀疊加的轉(zhuǎn)基因玉米(2個(gè)抗除草劑基因和6個(gè)抗蟲(chóng)基因),預(yù)示著未來(lái)玉米育種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
2.3輸出性狀轉(zhuǎn)基因作物日益豐富
新一代轉(zhuǎn)基因植物將圍繞改良產(chǎn)品品質(zhì),增加營(yíng)養(yǎng),提高食品的醫(yī)療保健功能,或用作工業(yè)原料,增加農(nóng)副產(chǎn)品的附加值等不斷開(kāi)發(fā)“輸出性狀”,使消費(fèi)者直接得益,較之以防治病蟲(chóng)草害為目標(biāo)的第一代轉(zhuǎn)基因作物具有更為廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。
2.4轉(zhuǎn)基因動(dòng)物將為人類醫(yī)學(xué)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)
隨著單細(xì)胞測(cè)序、外顯子測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、GWAS(全基因組關(guān)聯(lián)分析)等現(xiàn)代高技術(shù)快速發(fā)展,產(chǎn)奶、生長(zhǎng)、抗病及繁殖性狀有強(qiáng)密切關(guān)聯(lián)的性狀基因?qū)⒉粩嗟玫酵诰蚝蛻?yīng)用。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作為基因功能活體驗(yàn)證的最佳模型,可直觀闡明基因作用通路,同時(shí)也可用于藥物篩選、開(kāi)發(fā)新型藥物等。利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與長(zhǎng)壽、細(xì)胞衰老和組織再生等相關(guān)的重要功能基因,此項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,必將對(duì)人類長(zhǎng)壽、重大疾病的預(yù)防與治療等發(fā)揮獨(dú)特的作用。
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