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【云飞杂记】细菌传之脚步
2022-11-17 18:16:59.0 来源:新2网址 作者云飞

如果远方呼唤我

我就走向远方

如果大山召唤我

我就走向大山

双脚磨破

干脆再让夕阳涂抹小路

双手划烂

索性就让荆棘变成杜鹃

没有比脚更长的路

没有比人更高的山

——汪国真

一张口难说两家话,花开两朵,各表一枝,历史车轮滚滚向前,时代潮流浩浩荡荡。

育种是通过创造遗传变异、改良遗传特性,培育优良动植物新品种。广义上讲,生物育种技术的发展经历三个主要时期原始驯化选育(1.0版)、杂交育种(2.0版)、分子育种(3.0版)。智能分子设计育种(4.0版)则是育种的未来,部分发达国家已经跨上这一台阶,而中国还在从2.0阶段向3.0阶段艰难迈步。

在人类种植的作物和养殖的动物中,最初阶段主要有三类一是自然物种经过人类的选择和驯化,成为作物品种。比如,野生水稻成为水稻。二是自然界的两个品种自然杂交,形成新品种。比如早先只有桔、柚,后来有了橙、柑,人们把好吃的留下来继续种,又有了椪柑、葡萄柚等。三是自然界的旧品种产生自然突变,比如麻鸭中产生了白鸭,人们把它筛选出来,就成了北京烤鸭的食材。自然物种经过人工驯化变成人类种植的作物往往要经过很长时间,比如野生水稻变成人类种植的水稻,是在数千年或一万年前开始的。完全依靠纯粹的自然杂交自然进化,速度也非常缓慢,千百年才产生那么一点点。像葡萄柚这样的品种出现,偶然性很大,可能几千年才结出一颗。怎样把自然进化的速度加快?于是就采取有目的的人工干预,明显加快了品种改良的进程。一是人工杂交育种,比如果树的嫁接,我国北魏《齐民要术》就已经记录了这种方法。现代最著名的就是人工杂交水稻。二是人工诱导产生的基因突变,比如通过太空射线辐射培育的太空番茄等。在转基因技术出现以前,大多数优良品种都是通过这两种人工育种方法培育而成。而这两种方法,都是在有目的地改变原有物种基因,也许是替换掉一个基因,也许是加入一个基因,也许是改变某个基因的一段序列。以上这些育种方法的本质都是改变生物的基因,只不过它们发生在同类物种或近缘物种之间,人们也都已习惯了,接受了。后来人们不满足于这些改变,尝试把两个不同物种的基因进行替换或重组,使物种获得更大的变化,这就发展成现在的转基因。

健客物种之前讲过了,分子育种是什么意思呢?

云飞分子育种就是将分子生物学技术应用于育种中,在分子水平上进行育种。通常包括分子标记辅助育种和遗传修饰育种。转基因是利用现代生物技术,将人们期望的目标基因,经过人工分离、重组后,导入并整合到生物体的基因组中,从而改善生物原有的性状或赋予其新的优良性状。分子育种很明显不能等同于转基因,比如通过测序,检测单核苷酸多态性,筛选优良品种,就不涉及基因调控。种间隔离并不等同于物种之间没有基因交流。从进化的角度来看,物种之间常会发生水平基因转移。一定程度上可以说,转基因是一种水平基因转移。如果转入的新基因可以遗传,则会产生新的物种。若不能遗传,则不能产生新的物种。但是分子育种手段筛选出的新品种(不是新物种),它们的优良性状都是可以遗传的。分子育种技术可以实现基因的直接选择和有效聚合,大幅度提高育种效率,缩短育种年限,实现“精确育种”。未来智能分子设计育种,在计算机平台上对生物体的生长、发育和对外界反应行为进行预测;然后根据具体育种目标,构建品种设计蓝图;最终结合育种实践培育出符合设计要求的新品种。转基因,包括基因编辑,在智能分子设计育种中也是重要的工具。

2015年,比利时科学家首次证实甘薯(红薯)天然地被转基因。2017年8月21日,上海辰山植物园(中科院上海辰山植物科学研究中心)和中国科学院上海植物生理生态研究所联合德国马克斯普朗克分子遗传研究所和分子植物生理研究所的科研团队在《自然》杂志子刊《自然-植物》上共同发表论文,揭示甘薯起源。在291个栽培甘薯的样品中,发现4个基因与农杆菌的基因同源,而这些基因在甘薯的野生祖先那里却没有出现。也就是说,在甘薯的起源演化过程中,大自然通过农杆菌给它进行了转基因。正是这些包含细胞分裂素、生长素的基因才让甘薯的块根膨大。

健客第一次听说农杆菌,是细菌吗?

云飞嗯,农杆菌是生活在植物根表面,依靠根组织渗透出来的营养物质生存的,普遍存在于土壤中的革兰氏阴性细菌。1907年,美国植物病理学家,植物病原细菌学奠基人史密斯等人在《科学》杂志上发文,一种被命名为根癌农杆菌的细菌可在多种植物上引起冠瘿瘤的发生。在自然界中,绝大多数的植物都是从土壤中生长出来的,它们从土壤中吸取营养和水分,同时也会被土壤中的各种细菌所侵染而致病。在众多的土壤细菌中,有两种农杆菌一直是世界各国科学家们研究的热点,一种是根癌农杆菌,另一种是发根农杆菌,同属根瘤菌科。这两种农杆菌之所以受到重视,主要就是因为它们都携带有一种特殊的质粒,应用于植物基因工程的遗传转化研究中。农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后,可将自身携带的基因插入植物基因组中,被誉为“自然界最小的遗传工程师”。

2021年2月4日,中国科学院种子创新研究院/遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队与合作者的科研成果发表在《细胞》杂志上。快速从头驯化异源四倍体野生稻,发挥多倍体的优势,找回目前栽培稻已经丢失的部分“好”基因,最终有望培育出产量高、环境适应能力强的新型水稻作物。四倍体比二倍体多2个染色体组。异源四倍体野生稻具有生物量大、自带杂种优势、环境适应能力强等优势,但具有非驯化特征,无法进行农业生产。目前的栽培稻,则是从二倍体野生稻经过数千年人工驯化而来,驯化过程中,改良了重要农艺性状,同时也造成遗传多样性的大量丢失。能否将二者的优势结合起来?从综合表现更好的四倍体野生稻出发,利用现代基因组编辑技术,可以将几千至上万年的水稻驯化史在短时间内“重演”,并避免部分基因丢失。李家洋带领的研究团队攻破技术瓶颈,首次设计完成异源四倍体野生稻快速从头驯化的框架图。

2021年3月25日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队的科研成果在线发表于《细胞》杂志,并作为封面文章于4月1日出版。经过20年追踪研究“超级害虫”烟粉虱,发现它从寄主植物那里获得了防御性基因,类似“以子之矛、攻子之盾”。张友军团队从植物的次生代谢产物入手,分析了烟粉虱喜爱的食物之一番茄叶片的代谢谱,检测到9873种化合物,其中鉴定出290种酚糖,占2.93%。酚糖能抑制昆虫生长发育。

健客等等,什么是次生代谢产物?

云飞简单说就是非必需的生命代谢产物,与初生代谢产物相对。植物初生代谢产物是光合作用的直接产物,如糖类、脂肪、核酸和蛋白质等。次生代谢产物是植物体的其它有机物,它们是由糖类等有机物次级代谢衍生出来的物质,如萜类、酚类和生物碱等。植物次生代谢产物是植物对环境的适应,是在长期进化过程中植物与生物和非生物因素相互作用的结果。在对环境胁迫的适应、植物与植物之间的相互竞争和协同进化、植物对昆虫的危害、草食性动物的采食及病原微生物的侵袭等过程的防御中起着重要作用。

奇妙的是,植物自己分泌的酚糖对植物本身也有害处。“过多的酚糖对植物生长发育不利。”论文共同第一作者、蔬菜所研究员郭兆将说。因此,当害虫离去后,植物要快速降解掉多余的酚糖。植物给自己准备的“解药”是一种酶,。

健客烧脑啊!烟粉虱到底是怎么对付酚糖的呢?

云飞以往的化学分析已经不能解答这个难题。一段时间里,烟粉虱的解毒机制研究进展缓慢。

2009年,Q型烟粉虱在国内大面积暴发,并在番茄上传播病毒,造成的经济损失达100多亿元。对烟粉虱的防控刻不容缓。基因组测序技术的进步带来了突破瓶颈的希望。张友军团队决定给Q型烟粉虱基因组测序。2013年,烟粉虱基因组测序完成,获得了20786个基因。“我们发现了后来被命名为BtPMaT1的基因。当时感觉很兴奋。”论文共同第一作者杨泽众说,这个烟粉虱的基因与植物的“解药”酶是同源基因。“BtPMaT1基因的确存在于烟粉虱基因组中,而非植物基因组污染。”张友军说,进化树分析结果表明,烟粉虱BtPMaT1基因的同源基因仅存在于植物和少量的真菌中。“这是烟粉虱从植物那里‘偷盗’而来的基因,这是一种普遍存在于生物界的水平基因转移现象。”张友军说。此前研究已经证明,水平基因转移在原核生物之间经常发生,通常认为是原核生物进化的驱动力。越来越多的证据表明,水平基因转移也是真核生物适应性进化的重要因素。这是我国农业害虫研究领域在《细胞》杂志的首篇论文,也是人类首次证实植物和动物之间存在功能性基因水平转移现象,首次揭示昆虫如何利用水平转移基因来克服宿主的防御,为探索昆虫适应性进化规律开辟了新的视角,也为新一代靶标基因导向的烟粉虱田间精准绿色防控技术研发提供全新思路。

2022年5月23日,英国诺里奇研究园的科研成果发表在《自然-植物》上,他们利用根癌农杆菌介导的CRISPR-Cas9基因编技术开发了一种基因编辑番茄,能够积累维生素D3的前体,并在阳光照射下合成维生素D3。一个中等大小的番茄干重8-10克,对应的维生素D3含量达到了每日建议摄入量的20%,相当于两个鸡蛋的含量。

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健客CRISPR-Cas9是什么意思呢?

云飞它是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御,可用来对抗入侵的病毒及外源DNA。还记得限制性核酸内切酶吗?

健客记得啊,好像也是细菌对抗入侵的病毒及外源DNA的物质。它们有什么联系吗?

云飞CRISPR-Cas9中的CRISPR是原核生物基因组内的一段重复序列,Cas是一种核酸内切酶,和限制性内切酶一样,都是基因的“剪刀”。Cas9与CRISPR系统关联起来,由一条单链向导RNA引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割。通过设计向导RNA中碱基的识别序列,可人为选择DNA上的目标位点进行切割,使这把“剪刀”更精准!

健客前体是什么意思呢?

云飞在代谢过程中,位于另一化合物之前的一种化合物。例如蛋白质的前体分子就是多肽链。

这项研究是在实验室中进行的,因此,还需要在田间种植以确定基因编辑后的番茄植株是否能够应对自然环境压力,以及自然光照中紫外线的影响。研究团队也已经获得英国的批准,可以在田间种植这种基因编辑番茄。但是,如果在英国进行田间种植,那么这项研究几乎注定会失败,英国的多雨天气会极大地限制次生代谢产物维生素D3的合成。因此,研究者希望可以在阳光充足的地方进行实验,当联系意大利的合作者是否可以在当地进行实验时,对方告知,大约需要两年时间才能获得种植所需的监管许可。另外,2021年,日本上市了一款通过CRISPR-Cas9基因编辑来增强γ氨基丁酸的番茄,有助于降血压,但这种番茄售价较高,是普通番茄的数十倍。

健客不是花开两朵吗?怎么一直在讲育种技术啊!

云飞别急嘛

自1996年转基因作物产业化种植以来,全球累计种植转基因作物超过400亿亩。截至2021年2月,有40多个国家和地区进口转基因农产品。不过,很多地方的消费者对其安全性仍有担忧。 2003年,刚刚加入WTO,我国大豆企业开始试水国际市场,组团去美国买大豆,而且去之前大张旗鼓地宣传,新闻联播也做了报道。得到中国“集体团购”的信息之后,美国大豆价格应声暴涨。喜欢“追涨”的中国豆企高位下了800万吨的大单,前脚刚走,大豆价格随即大幅跳水,跌幅近50%。最终导致2004年我国大豆行业几乎全军覆没。这就是轰动一时的“大豆沦陷”事件。反转人士发声为什么要进口这么多大豆?为什么要购买转基因大豆?有人提出“爱国就应该反对转基因”!唉,必须优先保证水稻、小麦和玉米等主粮的自给率。

2012年,湖南衡阳的黄金大米事件曝光。因违规试验,当事人受到处罚,参与试验的25名儿童每人获赔8万元。

2013年,查处中储粮“转基因油入库”事件;打击非法种植转基因作物案件。

2014年,下发《农业部关于进一步加强农业转基因生物安全监管工作的通知》。

曾几何时,媒体持续关注转基因。农业农村部网站专门设立“转基因权威关注”页面。方舟子和崔永元两位公众人物因转基因发起的争论愈演愈烈。除了反转派和挺转派,还有很多慎转派。转基因在中国关乎太多纠葛,各种观点针锋相对。在沸沸扬扬的争论中,无论表达何种立场和观点,都会引来口诛笔伐。你说法律,他说科技;你说监管,他说战略;你说风险,他说安全;你说相关,他说因果;你说涌现性,他说等同性。其中还充斥各种利益、各种帽子、各种人设、各种攻击。回头看,多希望心平气和地讨论这个严肃的话题,不要为争论而争论。

2019年、2021年和2022年,农业农村部办公厅分别通报10起、8起和9起农业转基因生物安全管理违规行为处理情况。

2022年7月20日,国务院新闻办公室举行新闻发布会,介绍2022年上半年农业农村经济运行情况。

图片来源农业农村部官网

南华早报记者问国家级转基因大豆玉米品种审定标准在6月初印发。这是否意味着政府正在加快推进转基因大豆玉米的商业化种植?有分析认为,转基因玉米、大豆品种的上市销售有望在2023年前后落地。对此,农业农村部如何评论? 

农业农村部总农艺师、发展规划司司长曾衍德答

转基因技术作为一种新技术,世界各国都在加快创新,我国也建立了相应的研发体系和评价体系,培育了一批有自主知识产权的品种。我们在推进农业转基因技术的研发过程中,按照中央要求,尊重科学、严格监管,有序推进生物育种产业化应用。主要是以下三点

第一,依法依规。我们按照种子法和农作物转基因生物管理规定,制定了转基因安全评价、品种审定、种子生产经营、植物品种命名等规章制度。

第二,严格监管。刚才你说到,国家农作物品种审定委员会制定了国家级转基因大豆、玉米品种审定标准,并在6月份发布实施。这个标准主要是在相应的非转基因品种审定标准基础上做加法,丰产性、抗病性等基本条件是一致的,只是增加了转基因品种的抗虫、耐除草剂等目标性状的规定。同时,对研发试验、种子生产经营等关键节点的监管都是很严格的,对违法违规行为,发现一起,严查一起。执法是严格的,效果是好的。

第三,转基因产业化应用试点在有序推进。对于获得生产应用安全性证书的转基因玉米、大豆品种,我们开展一定的试种试验,目前正在有序推进。从去年的试点效果看,效果是不错的,2022年是第二年,我们仍然严格按照规定和要求有序开展试点。

转基因在中国,路在何方?农业农村部部长韩长赋说“安全不安全,应该是科学来评价;能种不能种,应该由法规来处理;食用不食用,应该由消费者自己来选择!”

路是什么?鲁迅说“希望是本无所谓有,无所谓无的。这正如地上的路;其实地上本没有路,走的人多了,也便成了路。”人人受着召唤,召唤也许不同,有的来自远方,有的来自大山……用脚步丈量梦想,思想和行动都在路上。

欲知后事如何,且听下回分解。

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