全球范围内基因叠加生物技术产品的采用在持续增加

国粮

  基因叠加的生物技术方法给我们带来了许多值得关注的产品，如黄金大米、蓝玫瑰和拜耳（原孟山都）的SmartStax?八个基因叠加的玉米转基因产品。什么是基因叠加，为什么生物技术作物市场会出现“基因叠加热潮”？生物技术创制的基因叠加的未来趋势是什么？
  基因叠加是指将两个或多个感兴趣的基因组整合到一个植物植株中的过程。基因聚合和多基因转移是科学文献中提到同一过程的其他名称。这一过程产生的组合性状称为叠加性状。一种具有叠加性状的生物技术产品被称为生物技术叠加表型或简称叠加。
  据估计，2018年共种植生物技术叠加作物产品的面积达到8,050万公顷。这占全世界种植的1.917亿公顷生物技术作物的42%以上。美国农业部的最新估计，2019年，89%的棉花种植面积和80%的玉米种植面积都种植了叠加性状的种子。
  一、为什么要进行基因叠加？
  与单一传统作物品种相比，性状叠加提供了更广泛的农艺性状的增强，从而能够在复杂的耕作条件下满足农民们的需求。多性状叠加作物产品的设计是为了可以更好地克服该领域的各种问题，如虫害、疾病、杂草和环境胁迫等，以便农民能够进一步提高生产力。
  基因叠加简化了生物技术作物的害虫管理，例如基于Bt基因技术的多种抗虫性状的叠加。经验表明，单个Bt基因所赋予的抗性具有抗性消失的可能性，因为目标害虫具有会发生变异并逐渐适应Bt基因的生理特性。
  为了防止或延缓目标害虫对Bt基因抗性的出现，许多监管机构要求在Bt作物旁边种植一定区域的避难所或种植一定区域的非Bt品种。通常情况下，一单一Bt性状品种避难所种植的面积要求是总作物面积的20%左右。
  虽然避难策略减少了害虫克服Bt特性的可能性，但农民无法充分实现Bt作物的生产效益。然后，通过叠加几类Bt基因，开发出了具有多种昆虫控制作用模式的下一代Bt作物。这种基因叠加方法降低了抗性消失减弱的可能性，因为害虫更难克服多种杀虫蛋白。这种更大的耐用性的Bt叠加性状的产品仅需要设置一个较低比例的避难区，从而减少了对产量的限制影响。
  Bt基因叠加原理也用在了杂草管理中。杂草对商业除草剂的产生的抗性已源于多种作用模式。为了在对抗杂草抗性方面迎头赶上，生物技术种子开发商已经积累多个功能基因，以扩大抗除草剂的作用模式。例如，通过将草甘膦抗性基因epsps与草铵膦除草剂抗性基因pat进行整合叠加，和/或与麦草畏抗性基因dmo基因进行进一步整合等叠加方式。
  基因叠加尤其在植物的代谢工程中特别有用，因为大多数代谢过程和生化途径涉及许多相互作用的基因。例如，通过将三个类胡萝卜素基因叠加到水稻中，在水稻胚乳中设计了维生素A（β-胡萝卜素）生物合成的整个途径。生物技术改造的玫瑰花就是通过在花青素生物合成途径中叠加两个基因，改变了花的色素沉积过程，使生物技术玫瑰花具有新的蓝色。
  二、基因叠加过程
  将基因叠加到植物中最简单和最快的方法是在具有不同生物技术性状的亲本植物之间进行杂交，这种方法被称为杂交叠加。大多数商业上使用的性状叠加产品，如三重性状叠加和四重性状叠加等系列产品，都是通过杂交叠加实现的，且该方法被广泛接受和使用。另一种基因叠加的方法被称为分子叠加，它是通过农杆菌介导等生物学方法将基因及载体同时或依次地将基因结构引入目标植物中。在一些叠加产品中，分子堆叠通常和传统的育种方法组合来创制理想的性状。
  三、基因叠加发展的趋势
  第一个获得监管批准的叠加性状产品即为1995年获批的双基因叠加杂交棉，由表达Bt毒素Cry1Ab基因的Bollgard?抗虫棉花，与表达epsps酶的Roundup Ready?抗草甘膦除草剂棉花通过杂交产生。随着这种混合叠加的商业成功，开发人员试图将更多的生物技术性状叠加到他们的作物组合中，以创建多性状的叠加混合。2008年，将两个Bt基因与抗草甘膦基因相结合的棉花三重叠加产品占据了美国棉花面积的54%以上。最近发布的八基因叠加玉米商品名为Smart Stax?是跨越四个不同的生物技术玉米系将两个除草剂耐受性基因与六个Bt基因结合的结果。由此产生的性状叠加具有对杂草、鳞翅目昆虫和鞘翅目昆虫的双重控制模式，并在美国玉米带的避难所比例实现从20%降低到5%。
  近年来，生物技术性状的不断增加为下一代生物技术作物产品带来了新的发展趋势。未来的性状或基因叠加可能不仅涉及多种害虫抗性，而且涉及这些性状与工程代谢途径的结合，并通过代谢工程同时引入多种途径(例如，β胡萝卜素、抗坏血酸、叶酸和维生素E合成途径等)。
  四、管理办法
  在全球范围内，批准和发布生物技术叠加产品的监管原则和程序各不相同。在美国和加拿大这样的国家，针对已经批准的生物技术自交系等产品，通过杂交形成的新的叠加性状的产品不需要进行单独或额外的监管审批。这一政策是基于如下论点，即在已被证明不构成环境或健康危害单一性状产品进行进一步叠加，单个性状组件之间的相互作用不会导致新的改变或危害。然而，美国环境保护局需要对一个叠加性状产品进行单独的安全审查，以确定整合后产品的“植物整合的核心蛋白质”或PIPs(例如，杀虫蛋白)的安全性。因为目标蛋白的重组可能会导致更大可能性的遗传改变或毒性改变。
  相反，在日本和欧洲联盟（欧盟）国家，性状叠加的产品被认为是新的转化事件。即使性状叠加产品中的单独的转化事件已经经过了市场批准，叠加性状后的产品也必须通过单独的监管批准过程，包括对其安全性的风险评估，审批评估过程类似于单一性状的生物技术转化事件。风险评估的重点是确定组合基因可能产生的额外风险。可能产生的风险包括是相互作用的蛋白质对目标和非目标生物的影响改变，作物构成危害环境的风险增加等。
  五、技术挑战
  对于开发人员来说，在大分子叠加或杂交叠加方法之间的选择主要是基于开发和注册叠加产品的成本和时间表。在一个叠加性状必须通过单独的监管审查的国家，一次性分子堆叠可能比冗长的杂交叠加更具成本效益。也因此，针对分子叠加的相关技术成为当下技术突破的焦点，包括大片段多基因结构的载体设计、向植物细胞传递的方法和多基因表达的稳定性等问题。分子生物学家正在开发新的基因工程方法来解决这些问题。这些颇具前景的技术包括位点特异性基因重组系统，以及使用工程DNA切割酶和人工基因组装，称为微型染色体技术。
  多个转基因如何影响植物的整体生理，以及有多少基因和哪些基因组合可以堆放到植物中，同样是研究人员主要关注的问题。如果多个转基因插入将大幅改变植物的蛋白质合成和代谢过程，这些可能会损害作物产量。虽然这种产量拖累不一定是一个生物安全问题，但产量损失将需要通过降低生产成本来抵消，农民将从生物技术特性的附加值中获得额外的溢价，以便使一个叠加性状的生物技术产品成为一种真正可行和有市场效益的生物技术产品。（来源：国科农研院）