蔬菜转基因育种

赵 开 军

　　植物育种就是改良植物的性状，使之更加符合人类的需要。而性状最终由遗传物质（基因）决定，所以植物育种实际就是改良植物的基因或基因型（基因的组合）。
　　人类开始栽培植物就开始了植物育种，因为最基本的育种方法是以自然变异为基础，从自然界已存在的不同类型中，通过选择而培育新品种，即选择育种。十八世纪后半叶，人们开始通过杂交来创造变异并加以选择而培育新品种，即杂交育种。但只是到了本世纪初，遗传学被真正建立后，植物育种才有了大的发展。孟德尔遗传学阐明了遗传、变异、性状和基因之间的关系，推动了植物杂交、杂种优势利用、诱变和倍性育种等所谓传统育种技术的发展，取得了举世公认的成就。这些育种手段都是在性状本身或染色体上操作，在那里，“基因”还是一个隐藏在性状后面的半清晰半模糊的实体。到本世纪40年代，科学家弄清了遗传物质就是核酸：核糖核酸（RNA）或脱氧核糖核酸（DNA）。除一些病毒外，生物的遗传物质就是DNA。所以植物的一个基因就是一段DNA分子，从而将DAN分子与植物性状联系起来。1953年，瓦特森和克里克发现DNA双螺旋结构，弄清了DNA的复制、遗传信息的储存、变异和传递等重大分子遗传学问题，推动了分子遗传学的发展。现在科学家可以根据育种需要把基因（DNA）分离出来，在试管里研究它的序列、结构、表达和功能，并可把它再放进生物基因组。这些分子生物学技术与育种结合就是分子育种，其核心是转基因育种。转基因育种就是把分离的基因经过或不经过修改，再通过农杆菌介导或基因枪轰击等技术把它放入同种或另一种生物，以改良其性状而培育出新品种。国际上已创办了“分子育种”（Molecular Breeding）期刊。1995年创办时为季刊，1996年就改为双月刊，从中可看出分子育种的发展势头。
　　蔬菜转基因育种就是将转基因技术应用于蔬菜改良。事实上，全球第1个商业化的转基因植物品种就是转基因蔬菜，而非其它作物。这就是1994年美国Calgene公司推出的转基因耐贮番茄品种Flavr Savr。这一基因工程植物的培育，是通过分离一个与乙烯代谢有关的氨基环丙烷羧酸（ACC）合成酶基因，然后再将其反向(反义)导入番茄，从而抑制乙烯的合成。其果实长期保持绿色硬实，所以易于运输和贮藏。上市之前，用外源乙烯处理，果实就成熟变软，其颜色和风味如常。除这个有名的例子外，转基因育种正被用到多种蔬菜、多种性状的改良上，现分述于下。
　　抗病毒病　这是转基因育种研究最多的一个领域。现已清楚，病毒的多个基因被导入植物基因组，都可使转基因植物产生一定的抗病性。但利用最多的是将病毒的外壳蛋白（CP）基因导入植物，以交叉保护的方式使转基因植物达到抗病的目的。目前这种技术已在番茄、黄瓜、南瓜、甜瓜、甜椒和生菜等蔬菜上应用。美国农业部1995年批准转CP基因南瓜“Freedom Ⅱ”投入商业应用。后来又有转CP基因的黄瓜、番茄等投放市场。
　　抗虫　蔬菜的虫害往往很严重，常规的抗虫育种效率又不高，因此转基因抗虫育种应有很大潜力。目前应用的抗虫基因主要有两种：来源于苏云金芽孢杆菌的毒素基因（Bt）和来源于植物的蛋白酶抑制因子基因（PI）。Bt基因对鳞翅目昆虫有强力的毒杀效力，在转基因棉花和玉米育种上已成功应用。PI 基因的杀伤力相对较弱，但其抗性范围广，对鳞翅目、鞘翅目和直翅目等昆虫都有杀伤作用。目前已获得蔬菜转基因抗虫植株的有番茄、茄子、生菜、甘蓝等。
　　抗冻害　冻害主要是在低温条件下，组织内产生冰晶并不断增长所致。科学家发现极地的鱼体内，有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免遭冻害。将这种抗冻蛋白（AFP）基因分离并导入植物，也有抗冻的效能。目前AFP基因已被转入番茄、黄瓜等蔬菜作物。
　　抗除草剂　不同除草剂作用的原理不同，决定了抗除草剂转基因育种的策略也不同。目前用得较多的是来源于潮湿链霉菌的bar基因。这是专门针对除草剂PPT的，因为bar基因编码的蛋白可将PPT乙酰化，使其失去毒力。因此将bar基因导入植物，使植物吸入的PPT无毒化，从而表现出抗性。目前bar基因已被转入番茄和油菜等。
　　此外，转基因育种研究也正在蔬菜品质改良、抗真菌病害及控制雄性不育而利用杂种优势等方面进行探索。
　　以上是从全球的角度来谈的。我国的一些大学和科研机构的实验室也作了不少研究，已获得多种蔬菜的转基因植株，其中华中农业大学的转基因耐贮番茄在1996年就通过农业部的食品安全性评价，去年又通过湖北省的品种审定；北京大学培育的抗黄瓜花叶病毒的番茄和甜椒已被批准在辽宁进行两年商品化生产，预计这些转基因蔬菜不久会投放市场；哈尔滨师范大学培育的抗寒番茄正在进行中间试验。抗寒黄瓜、抗虫甘蓝等转基因蔬菜也在培育之中。
　　必须指出的是，转基因蔬菜的安全性是一个特别值得关注的问题。转基因蔬菜作为一种遗传工程体（GMOs）,其安全性包括环境释放安全性和食品安全性两方面。环境释放安全性是指GMOs 走出实验室后可能对生态环境产生的危害，例如GMOs 携带的工程基因（目的基因和选择标记基因）是否可通过天然杂交而产生不可控的杂草？食品安全性是指GMOs作为食品对人畜是否安全。转基因蔬菜的食品安全性尤其重要，因为蔬菜直接入口，且摄食量大。目前使用的选择标记基因绝大多数为卡那霉素抗性基因NPTII，少数为除草剂抗性基因bar。现在看来NPTII基因是安全的，因为已经商品化生产的转基因植物几乎都用了NPTII。联合国粮农组织和世界卫生组织（FAO/WHO）于1990和1996年分别召开第一届和第二届生物技术与食品安全性的专家咨询会，其中一点就是咨询转基因植物中的标记基因NPTII是否会在肠道中转移至微生物，从而影响抗生素的疗效，其结论是这种转移的可能性极小。至于目的基因的食品安全性，要个别分析。一般说来，源于可食动植物的基因，其转基因蔬菜应当是安全的，例如ACC合成酶基因。对于目前应用较多的抗虫Bt基因，有人认为是安全的，理由是苏云金芽孢杆菌作为生物防治剂在世界各地应用近30　a(年)内，对人畜安全。但这种将天然Bt无害论套用于转基因植物是否合适，还有待实践检验。总之，遗传工程体安全性问题的提出，是由于目前人们还不能精确预测转基因的所有表型效应。世界各国和有关国际机构都采取预防的原则，成立专门委员会制订有关规则甚至立法。目前欧洲发达国家对遗传工程体的监管最严，而美国从1992年起对有关法令限制有所放宽，他们认为生物技术改良的食用农作物基本上是安全的，只要它们符合下面3个安全因素，就不需接受法令的进一步规范：一是没有添加天然毒素，二是没有加入过敏原，三是没有改变营养成分。但美国对遗传工程体的监管也比一般发展中国家要正规和严格。我国国家科委已于1993年发布“基因工程安全管理办法”，农业部于1996年制订了“农业生物基因工程安全管理实施办法”，规定凡在中国境内进行农业生物基因工程的实验研究、中间试验、环境释放或产品商业化生产，均应申报审批。转基因蔬菜当然受这些法规的监管。
　　最后笔者认为，现在的安全性问题，大多是因对转基因植物的可能后果不明确而提出的，并非是已证明其真的不安全。随着科学技术的进步，现在不明确的问题将会明确，转基因育种将会成功应用于蔬菜多种性状的改良。
作者单位：（中国农业科学院蔬菜花卉研究所　北京100081）