《遗传学经典文选》导读二

《遗传学经典文选》导读二

潘乃穟　陈章良

Chinese Version Introduction II

植物基因工程技术已经和即将为农业生产带来的利益是巨大的，甚至是难以估量的。国际上的投资在不断增加，美国的一些大公司，如杜邦、孟山都、斯巴格蒂等，都专门成立了植物基因工程技术的研究机构。美国政府也在为发展高技术的研究不断追加经费，成立新的研究机构，如密苏里州新建立的以毕齐为首的植物科学研究中心，国家投资高达数亿美元，除重点进行植物基因工程的研究外，还与当地的植物园结合，进行大规模的种质基因的收集保存工作。国际上现已有二十几项工程技术植物在进行着大田试验。无怪国际上有着这么一种说法，认为谁发展了生产粮食的生物技术，谁解决了粮食问题，谁就能称霸世界。我们不需要称霸世界，但是我们必须发展粮食生产。这是摆在植物工程技术面前的基本任务。

alt

转基因小鼠的制作流程。1982年美国科学家将大鼠的生长激素基因通过显微注射导入小鼠基因组，得到生长速度比普通小鼠快2～4倍、体重比同类大一倍的“超级小鼠”。

生物技术和植物基因工程^【1】

1953年，沃森和克里克发现了DNA的结构，这是生物学发展历史上的一座里程碑。从那时起，短短的三十几年里，生物学在分子水平上开拓了一个无论在理论上还是应用上都引人入胜的领域。虽然许多科学家不断提醒我们，人类对于DNA的了解还很不够；对于庞杂纷繁、孳息不绝的生命体系，分子生物学的研究所及都还只不过是一些零件；但是，大家对这些初步揭开了生命奥秘的成果仍然感到欢欣鼓舞。因为，生物技术和基因工程在工业、农业和医学上的日益广泛的应用，已经开始造福人类；也许在不久的将来，它们便可以在这人口爆炸而资源有限的地球上为解脱人类的苦难而发挥出更加广泛和重要的作用。

生物工程技术中的基因工程，或称DNA的重组技术，按接受基因的受体细胞所属的生物类别区分为动物基因工程、植物基因工程和微生物基因工程三个大类。广义的植物中包括微生物，因此微生物基因工程也可以算是广义的植物基因工程中的一大类别。狭义的植物基因工程，指的是对一些较高等的植物的基因转化。基因工程的目的是使任何来源的有用的目的基因，在受体生物中进行重组和表达。根据不同的生产目的和要求，有时需要高效的普遍的表达，有的则需要在一定的生长发育阶段，在一定的器官中得到局部的或者是人为控制的表达。以上三类基因工程，因为受体生物生长、发育、繁育特性上的不同，因此在它们各自的工程技术的配套中，除分子生物学部分所使用的技术方法基本相同外，都各有自己的一些特点。在基因工程中所使用的基因，可以是天然的来自极远缘生物的基因，例如将人的基因转入微生物，将病毒的基因转入高等植物等等；也可以用人工改良的基因，甚至人工合成的基因。虽然对许多外源基因在复杂的高等生物受体中可能出现的情况，如是否都能正常表达，在后代中是否都不受排斥等等，现在还不完全清楚。但是在微生物中，重组DNA工程的大量经验说明，无论是天然的还是人工合成的，无论是近缘的或是非常远缘的基因，都能在微生物体内实现重组和表达。

高等动物的基因工程

高等动物体内的多种基因，包括人的多种基因，已被分离出来，有些已经用于微生物基因工程的工业生产。但是以高等动物为受体的基因工程，由于动物细胞培养中对已分化的细胞的去分化问题至今尚未解决，在可被利用的受转化的细胞的种类上，除了直接利用细胞培养的方法来得到所需的基因产品外，在通过细胞培养重新获得完整的基因转化的动物个体上则受到了很大的限制，至今能用于此目的的还只限于早期的胚胎细胞。最近，美国的孟山都公司，已采用给受精卵注入异种动物的生长激素基因的方法，育得了转化型的动物，这个方法已经接近于在实际生产中应用了。澳大利亚的一个畜牧研究所，将一个特殊的生长基因注入绵羊的幼胚，得到了三只生长速度快，体重比对照绵羊大1.5倍，并且可用饲料添加物来控制这个基因的作用的一种转化型绵羊。英国爱丁堡动物生理研究所，最近也成功地在老鼠的受精卵中注入了羊乳蛋白基因，这个基因在成熟后的母鼠的乳汁中得到表达，并且这个基因已经传给了后代。畜产领域中动物基因工程的这些重大突破以及动物细胞培养结合基因工程用以生产特殊生物制剂技术的长足发展，不但标志着大批新型转化型品种即将出现的一场大的畜产革命；而且，科学家们已经预言，这些技术的成功，有可能改变医学研究的面貌，成为下一代医学研究的重点手段。

微生物基因工程

微生物基因工程和微生物分子生物学是发现和开发基因重组技术的最早期的学科，它在实际应用方面的发展大概已经有了10年的历史，技术比较成熟。微生物基因工程技术，最先在医药的工业生产上得到应用，即用重组DNA的微生物发酵的方法开发药物。利用这种技术生产的多种新激素和生长因子，通过微生物合成的人体中的一些蛋白，是改变传统药物疗法的一批新型的药品，它们以极微量的剂量来影响人体的关键功能。科学家们对于这类药物的开发抱着极大的希望，也许在不远的将来就可以用它们去治疗一些迄今医学还无能为力的绝疾顽症。利用DNA重组的微生物来生产干扰素、人胰岛素、尿激酶、糖蛋白等等，大家都已熟悉。最近法国科学家从医用水蛭中分离出负责编码水蛭素的基因，用遗传工程技术育成了带有这个基因的酵母，用来生产医用的有抗凝血作用的水蛭素，推陈出新，使古老的医学经验与最新现代技术结合。在我国，四川大学的陈义正，从一种白腐菌中分离出产生木素酶的基因，并把这种基因转进了其他种类的微生物，用来大量生产木素酶。这种酶在工业，特别是在造纸工业、饲料加工、环保等多方面有着广泛用途。国家为了支持这个项目，在四川大学建立了一个重点实验室；今年5月份《光明日报》报道，中国科学院上海药物研究所构建的高表达青霉素酰化酶基因工程菌的中试实验已经完成，这是我国基因工程研究向生产力转化的首次突破。

10年来，国际上以生产为目的的微生物基因工程的研究项目和课题，每年都在以惊人的速度递增，现在已经多至几百个。其中除了药物生产之外，还有生产食品添加剂、饲料蛋白、特殊的工业原料和精细化工材料等的生产研究。日本有人将人工设计的DNA用基因重组技术组进微生物，生产出所谓“超蛋白”。微生物基因工程因为已经和可能创造和贡献的社会福利和财富，受到了十分的重视。目前美国一个一般规模的基因工程公司的单项产品的年收益即可以千万或亿美元计，已经形成了国际开发研究和生产投资的热点。近年内欧美日各国的一些大公司，纷纷投资并成立研究机构，而且都受到政府的支持。1983—1987年间英国在遗传工程和分子生物学领域内工作的科学家人数成倍增加，最近又新建了两个专门研究生物技术在工业上应用的研究中心。1976年以来，日本政府针对生物技术大力追踪情报，研究对策。从他们最近公布的政策性研究报告来看，他们认为这一工业部门的发展会严重影响日本今后的经济前途，从而决定把如何建立日本这方面的实力，提高到制定国策的高度来对待。日本人分析，虽然他们国内的分子生物学基础研究的根底薄弱，但是，日本有丰富的发酵工业的生产经验，和有效的工商业的经营管理经验和传统，他们可以采用系统地利用其他国家现成的研究成果的办法，可以用坚持不懈地将其他国家的研究成果转化为生产力的办法，力争在生物技术的工业化方面站在世界的前列，并要使它形成巨大的经济力量。缺少原料是日本的弱点，高技术产品的生产对原材料的依赖最小，因此日本将发展生物技术的产品生产看做是增强日本经济地位的一个决定性因素。最近日本政府及一些大工业公司，仅为一项生物工程计划，就投资了一亿多美元。基因工程一共才有十来年的历史，它在生产上的应用不过初露端倪，而引起的社会经济反应如此强烈，可见它的潜力是不容忽视的。

高等植物中的生物技术与基因工程

一般说来，人类生活必需的衣、食、住、行，人口的数量的控制与人口质量的提高都离不开植物。地球上现有的人口大概是50亿，预计2000年要到60亿，到了21世纪的中期，也许要突破100亿。但是地球上的耕地面积，估计能够维持现状不再缩减就是好事，扩大是不大可能的了。唯一的出路只能是提高单产。我国人口占了世界人口的1/4，人均占有粮食730斤／年，这个数目绝对不能再降，但是我国的耕地面积却在逐年减少。如何提高现有耕地面积上种植植物的产量，是全球性的大问题，更是我国的大问题。没有农业便没有发展，它早已是影响我国政治、经济能否顺利、迅速发展的一个基本因素。单产的提高，靠多方面的综合技术措施，但良种利用则是其中关键的一着。围绕现有良种的种种农业技术措施充分发挥出来，到底还有多大潜力，我们对它应有一个大致的估计。1983年美国农业部公布过一份重要的报告，根据各国历年的产量情况，对现行农业技术条件下的单产提高问题作过一个概括性的估计。报告认为：①关于增产要素中的良种问题，被誉为造成了第一次农业技术革命的传统的杂交育种法的增产潜力已经不大，这种方法效率低，一般要十几年才能育成一个新的品种；而更严重的是，通过了长期的杂交选育之后，特别是在一些重要的粮食和经济作物中，例如，小麦、棉花、烟草等作物，传统杂交选育手段范围内可资利用的种质资源已近枯竭，取得突破性成果的机会已经很少。②关于综合的栽培措施对单产的提高，报告认为，在一些农业技术比较发达的国家，在优良品种的选用、施肥、灌溉、除草、杀虫等方面都有相当保证的地区，潜力已经不大；仅在那些不发达的，耕作技术落后的地区，尚有部分潜力可挖，但是这个挖潜过程，至20世纪80年代末90年代初，也将基本完成。当时这个报告已经指出，育种必须发展新的技术，找到新的出路。现在已经到了90年代初，我们在开发中找到了一些什么呢？

为解决人类的粮食或食物问题，在生物技术方面，近一二十年来国际上开发的技术大概有以下几个方面。

（1）用微生物补充人、畜用蛋白质的不足；或发酵高营养饲料，减少粮食投入。利用微生物肥料，解决固氮、促生长等问题。

（2）杂种优势利用。生产杂交种子，利用F₁ 代的杂种优势提高产量。此法，在美国的玉米上自20世纪50年代中期以来已普遍应用，并逐步遍及全球。70年代以后又将此法大力推广到多种他种作物中。目前许多种蔬菜种子已用此法生产，在水稻中也已相当普遍应用了。70年代末80年代初水稻杂交种在东南亚地区的推广，曾被誉为又一次绿色革命，解救了人口众多的印度的粮荒。近年来我国杂交种水稻的推广也为国际所称道。小麦生产用的种子，近来也有杂交化的趋势。杂交种的利用，就某些作物来说在繁种方面相当麻烦，但因有一定的生产潜力可挖，近年来农业研究上投入的力量仍旧不小。而最终决定它的发展限度的，还是它的种源潜势。美国大面积利用玉米杂交种已有三十多年的历史，美国先锋杂交玉米公司生产的杂交玉米种子占世界玉米种子市场的50％，拥有的纯系亲本的数量有几万个，每年要投入3000万美元的研究经费。培育的目标是抗病、高产、不倒伏。育种家们都知道，现有的很多玉米品种，只要解决了抗病和不倒伏的问题，就能有相当大的增产。然而发展到了今天的玉米杂交种，在数以万计的纯系亲本中还不能很好地解决这两个问题，不正是这种技术的某种限度的反映吗？

（3）为克服远缘杂交的不亲合性，企图利用原生质体细胞融合，或全细胞基因组DNA注入等技术，引入远缘优良种质的尝试也已经进行多年。由于始终不能避免远缘基因组的互斥，后代遗传性状的不稳定，以及不良基因群的联锁等等问题，至今成效不大。近年来不少实验室已改用直接把目的基因导入原生质体的方法，不过，此种技术已经属于植物基因工程的范围了。

（4）利用组织培养的方法，使优良个体加速繁殖，为营养繁殖作物的种苗脱去病毒，都能很快地收到增产效果。荷兰的草莓苗早已用脱毒和组培速繁法进行工厂化生产。新加坡最近建立了一个生物尖端技术企业，即利用此项技术为红茶、菠萝、番木瓜、葡萄等植物脱毒和繁苗，然后向市场销售。我国在土豆、草莓等方面的脱毒技术也已经开始用于生产。

（5）人造种子。欧洲共同体的尤里卡计划在大力投资开发这种技术，我们可将它视为组培繁育手段的延长和继续。我国不少单位也在研究开发这一技术。

（6）植物基因工程。和动物基因工程一样，植物基因工程在建立中也有一些需要加以特殊处理的问题。例如，高等植物的体细胞虽大多有全能性，但不同种类植物的细胞去分化和再生植株的条件并不完全一样，需要分别摸索和研究；植物的细胞壁妨碍外源基因进入细胞；土壤农杆菌可以用来转化双子叶的多种植物，但是对禾本科植物往往无效等，也都是需要研究和解决的问题。到了80年代的初期，植物分子生物学家们为了完成这一技术领域的配套手段，已从多方面准备了条件。当时国际上几个比较大的植物分子生物学实验室已经分别在植物的贮藏蛋白质基因、植物的抗逆基因、植物的抗病虫害基因、光合作用基因、固氮基因等方面发展了相当深入的研究。对植物转移基因的方法大致可以分成两类：通过土壤农杆菌感染植物组织带入基因和DNA对细胞的直接转化。1982年美国华盛顿大学的玛利代尔建立了利用土壤农杆菌携带Ti质粒将目的基因转化进入双子叶植物的系统。1985年美国孟山都公司的弗来瑞公布了叶盘法，包括转化基因，培养筛选转化了基因的植物细胞，获得分化植株的方法。同年，我国陈章良将大豆的一种蛋白质基因转进了两种茄科植物（烟草和矮牵牛），这个基因不但在两种转化植株的种子中都得到了表达，而且遗传上稳定。从此第一套植物基因转移的配套技术建成。这是目前最常用的一种方法。DNA的直接转化法中有PEG法、电击穿法和微弹射击法等。PEG法和电击穿法都是对脱壁的植物细胞（原生质体）进行操作，植物的再生能力会受到一定的影响，微弹射击法是近年来刚发展的一种技术，需要一定的设备，目前尚在发展中，植物基因工程在第一个配套技术完成之后的短短的三年里，在应用上不断有所突破。先是欧美几家大的化学公司对抗除草剂基因的相继转化成功。1986年，美国华盛顿大学的毕齐实验室成功地将烟草花叶病毒（TMV）的外壳蛋白基因转进了烟草，这种烟草和它的后代都表现出对TMV侵染有同于交叉免疫作用中的抗性。经TMV外壳蛋白基因转化后的番茄比原品种增产40％。植物的病毒病迄今在农业上还是不治之症。随着单一品种的使用，特别是复种指数的提高，不少病毒恶性蔓延。我国广东省原来盛产的番木瓜，由于木瓜环斑病毒的侵染，近年来产量锐减，某些产区甚至木瓜已经绝迹。脱毒的土豆和草莓与未脱毒的原种相比，产量可以相差30％—50％。1988年山东某些地区的烟草，由于黄瓜花叶病毒（CMV）的侵染，在7月上旬绝收的局面已定。一些被视为生长良好的地块，实际上也因CMV的感染而仅有八成的收成。然而，在全球范围内，在烟草的诸多品种资源中，至今未能发现此种病毒的抗原。用传统的杂交育种方法解决不了的问题，我们现在有可能用植物基因工程的办法来解决。它的经济效益是可想而知的了。

将植物基因工程应用于抗虫害是植物基因工程学的又一个重大突破。美国和欧洲的一些公司已将苏云金杆菌中的一种毒素蛋白的基因转进了番茄烟草。有几类昆虫可被这种毒素杀害，它对人畜和益虫则是安全的。英国的一个研究小组，最近应用基因的重组技术，把豇豆种子里的胰蛋白酶抑制基因转进了烟草，这个基因的表达产物——胰蛋白酶抑制剂可引起多种昆虫的消化不良，从而防治虫害。全世界每年用于防虫的药剂估计价值达三十多亿美元。如果育出多种不必使用杀虫剂的作物，不但节省了药费、劳力和器械，同时还避免了重要的污染公害，包括制杀虫剂的化工厂的污染。澳大利亚的科学家将豆类植物的蛋白质基因转进牧草，提高了牧草的质量和畜产品的质量。

参考文献

［1］曼特尔S. H., 史密斯H., 朱潡等译，《植物生物工程学》，上海科学技术出版社，1985．

［2］Beachy R. N. et al., EMBO J., 4 （1985）3047.

［3］Bevan M. W. et al., Nature, 304 （1983）184.

［4］Ellis J. G, et al, EMBO J., 6 （1987）11.

［5］Fromm M. E. et al, Nature, 319 （1986）291.

［6］Hancock R. E. W., Annu. Rev. Microbiol., 38 （1984）237.

［7］Horsch R. B. et al., Science, 227 （1985）1229.

［8］Kuhlemeier C. et al., Annu. Rev. Plant Physiol., 38 （1987）221.

［9］Ow D. W. et al., Science. 234 （1986）856.

［10］Powell Abel P. et al., Science, 232 （1986）738.

注释

【1】原载于《自然杂志》1990年第2期。