魏杰鋒 徐順連 陳志

摘要：在介紹轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)概念基礎(chǔ)上，分析了轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制，從轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)、蛋白組學(xué)枝術(shù)及代謝組學(xué)技術(shù)三方面綜合論述了轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)的檢測(cè)方法及檢測(cè)結(jié)果。大多數(shù)的研究結(jié)果已表明，轉(zhuǎn)基因作物并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的大尺度的非預(yù)期效應(yīng)，但仍然不能完全排除轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)生非預(yù)期效應(yīng)的可能，國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的安全性問(wèn)題都未給出完全的肯定性結(jié)論。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)基因;抗蟲(chóng);作物;非預(yù)期效應(yīng);研究進(jìn)展

一、轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)

近些年來(lái)，隨著轉(zhuǎn)基因作物的大規(guī)模栽培，轉(zhuǎn)基因作物的安全問(wèn)題也引起了人們的普遍關(guān)注。關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物的非預(yù)期效應(yīng)，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織、世界衛(wèi)生組織早就清楚地表明，基因組是外來(lái)基因的重新整合，除了適應(yīng)符合于人類(lèi)需要的變化外，它還會(huì)產(chǎn)生意外效應(yīng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)基因作物在基因重組、轉(zhuǎn)錄及翻譯中所產(chǎn)生的RNA序列、蛋白質(zhì)序列、氨基酸序列等產(chǎn)生的錯(cuò)誤裝配情況，以及機(jī)體在新陳代謝過(guò)程中代謝產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物生物學(xué)方式引起的序列混亂等不可避免地會(huì)產(chǎn)生意外效應(yīng)的突變。在這些性狀改變或者說(shuō)性狀突變中，其中有一些人們可以通過(guò)對(duì)植物生物學(xué)代謝途徑等方面的認(rèn)知進(jìn)行預(yù)見(jiàn)，稱(chēng)之為可預(yù)見(jiàn)性非預(yù)期效應(yīng)。轉(zhuǎn)入的基因在受體植物中繼續(xù)表達(dá)穩(wěn)定的相關(guān)蛋白，通過(guò)引進(jìn)和整合對(duì)人類(lèi)有益的外來(lái)基因進(jìn)入受體的植物基因組，使受體植物表現(xiàn)出該特定外源基因在原物種中所表現(xiàn)出來(lái)的特定性狀。所以，把轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的非預(yù)期效應(yīng)定義為：通過(guò)基因工程所構(gòu)建的新物種所產(chǎn)生的除抗蟲(chóng)害這一性狀以外的不同于原物種的效應(yīng)，這些效應(yīng)除了包括性狀改變，而且包括重組后的新物種基因組在性狀無(wú)差別情況下的新物種所存在的潛在差異性。

二、轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制

不管是可預(yù)見(jiàn)性非預(yù)期效應(yīng)，還是超出人類(lèi)目前認(rèn)知水平的潛在性非預(yù)期效應(yīng)，主要通過(guò)以下幾種機(jī)制產(chǎn)生：

一是外源基因插入內(nèi)源基因的閱讀框，破壞了基因的核酸序列，使其不能有效地表達(dá)。

二是外源基因插入內(nèi)源基因調(diào)控的功能元件區(qū)，造成調(diào)控基因失去應(yīng)有的功能，從而使調(diào)控的內(nèi)源基因不能有效表達(dá)。

三是外源基因插入基因組的某個(gè)“敏感區(qū)”內(nèi)，使原本沉默的內(nèi)源基因“被激活”，而高效表達(dá)。

四是作為活性因子直接或間接誘導(dǎo)或抑制內(nèi)源性基因表達(dá)的外源基因或表達(dá)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致這些內(nèi)源性基因表達(dá)的定性或定量變化。

所有這些原因的存在，或多或少會(huì)引起轉(zhuǎn)基因植物的變化，他們都存在可能引起轉(zhuǎn)基因植物代謝途徑的變化，進(jìn)而引起原植物本有性狀和特性的改變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植物非預(yù)期效應(yīng)的產(chǎn)生。

三、轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)的檢測(cè)方法

為了保證轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物生產(chǎn)的安全性，轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)的檢測(cè)自然是必不可少的。近些年來(lái)，關(guān)于轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的非預(yù)期效應(yīng)的研究得到了新進(jìn)展，其安全性檢測(cè)方法主要有兩類(lèi)。一是方向性檢測(cè)，通過(guò)對(duì)一些主要營(yíng)養(yǎng)元素和關(guān)鍵毒素進(jìn)行單組分分析，檢測(cè)其營(yíng)養(yǎng)成分和抗?fàn)I養(yǎng)因子。二是非方向性檢測(cè)，它主要是結(jié)合功能性基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)以及代謝組學(xué)等方面對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的非預(yù)期效應(yīng)進(jìn)行安全性檢測(cè)，對(duì)一定的組成成分進(jìn)行分析比對(duì)，從而發(fā)現(xiàn)它們所存在的差異性或者變化。方向性檢測(cè)這種方法的不足是插入其中的一定外源基因所存在的非預(yù)期效應(yīng)大多具有不可預(yù)見(jiàn)性，且方向性檢測(cè)這種方式只是很簡(jiǎn)單地分析了轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物中一部分化學(xué)成分及其變化，并不能夠相對(duì)準(zhǔn)確地使轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物中的外源基因?qū)е碌姆穷A(yù)期效應(yīng)正好表現(xiàn)出來(lái)。非定向性檢測(cè)方法對(duì)于定向性檢測(cè)方法是一個(gè)很好的補(bǔ)充，它可以檢測(cè)出可能存在的細(xì)胞和組織生理或者代謝水平方面的變化。對(duì)于轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物來(lái)說(shuō)，在食品安全評(píng)價(jià)中正逐步走向完善，對(duì)健康成長(zhǎng)發(fā)育不利的各種非預(yù)期效應(yīng)都有望隨著這一系列“組學(xué)”技術(shù)的日益發(fā)展而得到相應(yīng)解決。

（一）轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)

轉(zhuǎn)錄組是指所有可以在活細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄的RNA的總和，是研究和分析基因在整個(gè)RNA水平上的表達(dá)。DNA作為模板合成RNA的這樣一個(gè)轉(zhuǎn)錄途徑，實(shí)際上就是基因開(kāi)始表達(dá)的第一步，同時(shí)，也是基因開(kāi)始表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵一步，在轉(zhuǎn)錄組的概念中一定程度上包含了時(shí)間和空間的限制，相同的一個(gè)細(xì)胞在其不同的生長(zhǎng)時(shí)期和生長(zhǎng)環(huán)境下的相互影響和交叉影響下，它們的基因在表達(dá)上則完全不一樣。

在轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物中插入一定的外源靶基因，首先導(dǎo)致植物基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)過(guò)程的改變，進(jìn)一步在生理方面和代謝水平上導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物生物代謝途徑發(fā)生改變，最后將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)變異的出現(xiàn)。所以，人們可以通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物中所表現(xiàn)出來(lái)的差異表達(dá)的基因進(jìn)行比對(duì)分析，來(lái)追蹤和發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植物代謝途徑可能發(fā)生的變化，并最終分析轉(zhuǎn)基因植物可能出現(xiàn)的非預(yù)期效應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

近些年來(lái)，許多調(diào)查研究結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物中，只有少量表達(dá)的基因發(fā)生了改變，并且這些遺傳變異不足以引起轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物顯著的非預(yù)期變異。例如，利用基因芯片技術(shù)對(duì)AEP抗真菌水稻的差異表達(dá)基因進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)196個(gè)差異表達(dá)基因中約有一半是由轉(zhuǎn)基因引起的，剩下部分則是由環(huán)境影響造成的。又如，Gregersen等人，通過(guò)分析和比較轉(zhuǎn)基因小麥種子在發(fā)育過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因小麥前額差異的基因數(shù)目非常少，這些變化還不足以對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的變異產(chǎn)生意外影響。又如，通過(guò)對(duì)擬南芥轉(zhuǎn)ABF3基因的分析，發(fā)現(xiàn)擬南芥的不同基因數(shù)量很少，并且沒(méi)有產(chǎn)生一些非常規(guī)效應(yīng)。另外，Coil等人使用微陣列技術(shù)，對(duì)相同環(huán)境中種植的Bt轉(zhuǎn)基因玉米和非轉(zhuǎn)基因玉米進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)分析的結(jié)果表明，其兩者轉(zhuǎn)錄序列僅僅有0.15%左右發(fā)生了差異性表達(dá)，其中，常規(guī)育種和轉(zhuǎn)基因?qū)D(zhuǎn)錄序列變異的貢獻(xiàn)率分別為37.4%和9.7%。可以看出，對(duì)于轉(zhuǎn)基因玉米轉(zhuǎn)錄組有很大影響的是自然變異，而通過(guò)基因轉(zhuǎn)化的影響比較微小，所以在GM作物安全性評(píng)價(jià)研究中，必須考慮到常規(guī)育種和環(huán)境條件對(duì)轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)錄組的影響。

需要說(shuō)明的是，轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物通過(guò)芯片檢測(cè)技術(shù)所能夠檢測(cè)出來(lái)的也僅僅限于少數(shù)差異性基因的表達(dá)，但是這些差異性基因的存在確實(shí)不足以使非預(yù)期效應(yīng)發(fā)生，因而，在一定程度上說(shuō)明了大部分的轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的安全性還是值得期待的。可是鑒于這些轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的差異性基因方面的檢測(cè)，只是在植物體特定發(fā)育階段或者特定的環(huán)境條件下進(jìn)行，以此為依據(jù)來(lái)分析和評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因植物是否發(fā)生非預(yù)期效應(yīng)，毋庸置疑地忽視了很多因素，特別是不同發(fā)育時(shí)期和條件是否會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)基因植物的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響作用。然而，在一定的生物發(fā)育時(shí)期和一定的環(huán)境條件下，芯片檢測(cè)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物所表現(xiàn)出來(lái)的基因性改變的一系列情況，能不能在一定程度上表現(xiàn)出轉(zhuǎn)基因植物非預(yù)期效應(yīng)出現(xiàn)的可能，仍然值得探討。

（二）蛋白組學(xué)技術(shù)

蛋白質(zhì)組學(xué)主要是通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)的一個(gè)整體表達(dá)情況的分析比對(duì)，獲得在整體蛋白質(zhì)水平上的許多關(guān)于病理、藥理或者毒理等方面發(fā)生的可能性，以及整個(gè)細(xì)胞在代謝途徑中的全面完整而深層次的了解。

Coil等人對(duì)兩株轉(zhuǎn)基因玉米的蛋白質(zhì)組進(jìn)行了分析比較，發(fā)現(xiàn)它們的蛋白質(zhì)組相似性很高，這在一定程度上可以解釋控制基因之間存在著實(shí)質(zhì)的等價(jià)性。Mbo等也進(jìn)行了蛋白組學(xué)的相關(guān)研究，他們把轉(zhuǎn)Bt玉米和非轉(zhuǎn)基因玉米的蛋白組分別進(jìn)行了分析比對(duì)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)Bt玉米與非轉(zhuǎn)基因參考系之間的差異并不可以明顯地分辨，與實(shí)質(zhì)上的等價(jià)性保持一致;同時(shí)，還對(duì)轉(zhuǎn)Bt玉米中的一百多個(gè)蛋白成分進(jìn)行了追蹤，通過(guò)分析他們的表達(dá)水平后發(fā)現(xiàn)，外源基因的插入對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物突變效果所造成的影響明顯地弱于一系列環(huán)境因子所發(fā)揮的作用。趙艷等分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因水稻與常規(guī)水稻具有實(shí)質(zhì)等同性，而且不同環(huán)境變化的條件對(duì)水稻整個(gè)蛋白質(zhì)組發(fā)生變異的影響占比很明顯要高于單基因插入的影響。

Xue等分析和鑒定了轉(zhuǎn)基因水稻中攜帶Bt和磷酸烯醇丙醇轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因?qū)φ盏牡鞍踪|(zhì)圖譜，從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在這兩種不同轉(zhuǎn)基因的水稻品系中的果糖-1一二磷酸醛縮酶都發(fā)生了或多或少地表達(dá)。

Barbosa等人分析和比較了轉(zhuǎn)基因大豆和非轉(zhuǎn)基因大豆種子中酶和蛋白質(zhì)表達(dá)的差異，結(jié)合2-DEMALDI-TOF-MS和電噴霧質(zhì)譜分析技術(shù)，從丙二醛（MDA）、抗壞血酸過(guò)氧化物酶、谷胱甘肽還原酶和過(guò)氧化氫酶的含量與分離到的192種蛋白質(zhì)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，上面所列出的四種物質(zhì)在含量上表現(xiàn)出明顯差異，轉(zhuǎn)基因大豆中的指標(biāo)這些都有所增高。

（三）代謝組學(xué)技術(shù)

代謝組學(xué)是新興的一門(mén)學(xué)科，主要是通過(guò)對(duì)生物機(jī)體所產(chǎn)生的代謝物進(jìn)行一系列的定量分析，借此來(lái)探尋有機(jī)體生理病理等相關(guān)變化，他是系統(tǒng)生物學(xué)不可或缺的一個(gè)重要組成部分。代謝組學(xué)是一門(mén)在某一時(shí)間點(diǎn)研究細(xì)胞內(nèi)所有代謝物的科學(xué)，基因序列與蛋白質(zhì)整體的表達(dá)相關(guān)聯(lián)，這樣代謝物就會(huì)較多地表現(xiàn)出細(xì)胞所存在的環(huán)境，它與細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)情況、化學(xué)藥物和環(huán)境污染方面的影響以及其他外界因素的影響密切相關(guān)。

毛細(xì)血管電泳時(shí)間飛行質(zhì)譜技術(shù)是近些年來(lái)新發(fā)起的一種代謝組學(xué)分析技術(shù)，用于轉(zhuǎn)基因作物的代謝物輪廓譜，不僅在檢測(cè)轉(zhuǎn)基因作物的非預(yù)期效應(yīng)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，還能夠發(fā)現(xiàn)可能作為轉(zhuǎn)基因作物識(shí)別依據(jù)的新型生物標(biāo)志物。Kim等人在比較轉(zhuǎn)基因水稻和非轉(zhuǎn)基因水稻時(shí)，在GC-MS技術(shù)的幫助下，成功地分離和比較了其中52種不同的化合物。

Picconi等人對(duì)轉(zhuǎn)Bt基因玉米種子也做了相關(guān)方面的研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，檸檬酸、乙醇、海藻糖和甜菜堿這四種物質(zhì)在轉(zhuǎn)Bt基因玉米種子里的含量都高于非轉(zhuǎn)基因玉米種子。Levan-di等人發(fā)現(xiàn)，利用CE-TOF-MS技術(shù)，從轉(zhuǎn)基因Bt玉米代謝產(chǎn)物中分離出的27種化合物中L-肉堿的含量有所增加。根據(jù)L-肉堿含量變化可以成為轉(zhuǎn)基因玉米樣品的生物標(biāo)志物。Rocio等人通過(guò)對(duì)大豆中40多個(gè)組分的綜合分析，認(rèn)為4-羥基蘇氨酸可作為轉(zhuǎn)基因大豆的生物標(biāo)志物。Leon等人結(jié)合加壓液相萃取、傅里葉變換粒子回旋共振質(zhì)譜（FTICR）和CE-TOF-MS研究了同一場(chǎng)體系的代謝產(chǎn)物剖面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，513種化合物在FTICR被清楚地分辨出來(lái)。與其親本相比，轉(zhuǎn)Bt抗蟲(chóng)基因玉米的酪氨酸、色氨酸、賴(lài)氨酸、嘌呤、葉酸等10種代謝物水平增加，某些代謝途徑發(fā)生改變，尤其是與氨基酸相關(guān)的代謝途徑，并且鑒定了幾種新的生物標(biāo)志物。

四、展望

在過(guò)去的十幾年中，人們采用了多種方法培育了多種抗病蟲(chóng)害的轉(zhuǎn)基因作物，并且取得了較大的進(jìn)展，到目前為止，大多數(shù)的研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因作物并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的大尺度的非預(yù)期效應(yīng)，盡管如此，轉(zhuǎn)基因作物通過(guò)基因重組所產(chǎn)生的在生長(zhǎng)，繁殖和代謝過(guò)程中的潛在性危害不容忽視，依然未能夠完全排除轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)生非預(yù)期效應(yīng)的可能，同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于轉(zhuǎn)基因作物的安全性問(wèn)題都并未給出完全的肯定。

通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)所生產(chǎn)出來(lái)的食品，在解決人類(lèi)糧食和全世界饑荒問(wèn)題上做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也越來(lái)越大。傳統(tǒng)育種的歷史非常悠久，但它僅僅是局限在一定范圍內(nèi)，即有性雜交，而且還只能是近緣物種。而轉(zhuǎn)基因技術(shù)是按照人們的意愿設(shè)計(jì)，把原有的基因組“成分”改造成新的基因組，它是一種新的育種方法，與傳統(tǒng)生物育種有著根本的區(qū)別。

轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物所發(fā)揮的作用大家有目共睹，確實(shí)從一定程度上解決了一系列糧食生產(chǎn)問(wèn)題，但是對(duì)于新的變異種在新的環(huán)境中進(jìn)行新表達(dá)所產(chǎn)生的不確定性影響并不明朗，對(duì)于人類(lèi)的繁衍進(jìn)化以及環(huán)境演繹進(jìn)化所知甚少，所以轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物非預(yù)期效應(yīng)的安全性問(wèn)題將不容忽視。而且，國(guó)內(nèi)外都未能完全肯定轉(zhuǎn)基因食品的安全性，因此，對(duì)于轉(zhuǎn)基因作物的非預(yù)期效應(yīng)檢測(cè)非常必要。

基因組學(xué)技術(shù)、蛋白組學(xué)技術(shù)和代謝組學(xué)技術(shù)的興起為很多學(xué)科及相關(guān)研究提供了契機(jī)，同時(shí)，轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的非預(yù)期效應(yīng)和非轉(zhuǎn)基因作物的基因表達(dá)也更多地能夠?yàn)槿藗兯煜?。組學(xué)技術(shù)為客觀評(píng)價(jià)和正確認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的非預(yù)期變異提供了有效新手段，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)基因作物非預(yù)期變異效應(yīng)的突出優(yōu)勢(shì)是中性無(wú)偏倚的，但差異并不代表有害。比如，轉(zhuǎn)基因大豆中的丙二醛含量增加，可能對(duì)食用者產(chǎn)生經(jīng)口毒性，但表達(dá)量增高的抗壞血酸過(guò)氧化物酶、谷胱甘肽還原酶和過(guò)氧化氫酶卻可能有助于清除體內(nèi)的有害自由基。再如，轉(zhuǎn)Bt基因玉米中增加的L-肉堿，還可能促進(jìn)脂肪代謝而有利于減肥。此外，20多年來(lái)，Hermam等人在評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因作物與非轉(zhuǎn)基因作物的實(shí)質(zhì)等價(jià)性方面的研究和分析表明，植物組成的變化不僅發(fā)生在轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)作物的意外效應(yīng)中，而且在所有傳統(tǒng)育種方法中都發(fā)生了變化;另一方面，轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)生非預(yù)期效應(yīng)的機(jī)制也發(fā)生了變化。隨著轉(zhuǎn)基因作物廣泛地栽培種植，其越來(lái)越為人們所熟知，但是，這些突變的產(chǎn)生是不是由于轉(zhuǎn)基因過(guò)程導(dǎo)致的，還需要進(jìn)一步研究。