根瘤农杆菌:天然的转基因工程师

作者：邓心安,许冰茹

转基因食品与生物医药、生物能源一起，成为生物经济的三大主题，而这三者都与转基因技术及其应用密切相关。要想正确理解转基因食品及其安全问题，就应当了解转基因技术的基本原理。

1根瘤农杆菌:天然的转基因工程师

目前已走向市场的转基因食品主要是植物转基因食品，如大豆、玉米、油菜、西红柿、木瓜等，因而了解植物转基因技术原理就成为理解转基因食品的基础和关键。相比于成功率依赖随机性运气的"基因枪"、"花粉管通道"等方法， "农杆菌介导法"是应用广泛且比较成熟的转基因技术。
根瘤农杆菌是一种普遍存在于土壤中的革兰氏阴性细菌，通常生活在植物根的表面，依靠由根组织渗透出来的营养物质生存，能在自然条件下感染大多数双子叶植物（瓜、菜、豆、薯及所有水果都是双子叶植物）的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤（图1所示）[1]。作为一种天然的植物遗传转化体系，根瘤农杆菌将外来DNA片段——基因送入植 体内的天然输送系统，因而被誉为"大自然的转基因工程师"。
 

图1  根瘤农杆菌诱导产生冠瘿瘤
从某种意义上讲，了解根瘤农杆菌的转基因过程，就好比找到从根本上理解转基因技术和转基因食品的钥匙，有助于消除对转基因食品的神秘感与恐惧，进而消除对转基因食品安全的担忧与曲解。反过来讲，不了解根瘤农杆菌的转基因过程，就很难甚至不能从根本上理解转基因食品乃至转基因技术。

2根瘤农杆菌的自然转基因过程

根瘤农杆菌细胞内含有质粒；质粒是细菌内独立于染色体以外的一段环状DNA。当根瘤农杆菌感染植物的受伤部位——根颈部或根茎之间，即开始将其质粒（Ti质粒）的DNA（T-DNA）插入到植物基因组的过程[2]109-110。既然进入到植物的基因组，那么整株植物，包括果实等食用部位，就都含有该菌的基因。这一过程大体包括以下四个步骤：
①建立管道。从管道把根瘤农杆菌的遗传物质包裹送入植物细胞内。这个包裹含有质粒的DNA片段，即T-DNA——基因。
②DNA结合。如病毒DNA一样，质粒的T-DNA和宿主植物细胞的DNA结合。
③制造生长激素和特化蛋白质。T-DNA寄宿后，制造植物生长激素和作为细菌养分的特化蛋白质。植物生长激素刺激植物细胞分裂，促使植物细胞快速增殖；特化蛋白质供根瘤农杆菌生长。
④复制并形成"正反馈"回路。侵入的细菌DNA，不是像病毒一样大量制造自己的复本，而是会在细胞分裂时和宿主细胞的 DNA一起复制，由此可以制造越来越多植物生长激素和细菌养分。可见，细菌DNA寄生植物细胞后，又形成某种程度的"共生"机制——这种寄生性"共生"，类似但不同于固氮根瘤菌进入到豆科植物根内而与植物共生。
这是没有人工干预的自然转基因过程。如果对根瘤农杆菌的质粒进行修饰改造，即将目的性状基因整合进质粒，则得到重组质粒。接下来的工作，便是按照上述的自然转基因过程机理，就可以将目的基因插入到植物细胞的染色体，亦即植物的基因组之中（图2示意）。
 

图2 根瘤农杆菌转基因过程示意图

    而重组质粒技术，则是在20世纪70年代初以后限制性内切酶（基因的"剪刀"）、连接酶（基因的"针线"）、DNA测序等技术的发明与融合的基础上而"水到渠成"。

3根瘤农杆菌的转基因"作品"自然率真

不同于常规的植物杂交方法——整批地将成千上万个基因杂合进植物，然后一代又一代地去多年筛选，根瘤农杆菌的转基因手段是以精确的方式把新的遗传物质引进一种植物，一次一个基因。这就好比：杂交育种像是挥舞着一把大锤，根瘤农杆菌的转基因则像是小心地捏着一只镊子[2]125，两种方法的基因转移的本质相同，但精确性大相径庭。
与其他基因改造方法如"基因枪"、"花粉管通道"、诱变育种、杂交等含有太多的随机与"运气"成份相比，根瘤农杆菌的方法精确无比，具有"艺术家"般的风格：自然、率性、作品精美绝伦。根瘤农杆菌的 基因技术手段之高明，足以让人类最出色的基因工程师折服。"师法自然"在此得到经典而又现代的诠释。

4天然的转基因"工程师"对转基因食品的意蕴

4.1 转基因及转基因食品不违反自然规律

基因是具有遗传效应的DNA分子片段，吃"基因"或吃"转基因"并不是什么稀奇的事。从本质上讲，植物杂交也是一类基因转移过程，而且是大批量转移。如果说植物杂交多是发生在同一物种或其近缘种之间，不能算作严格意义和通俗意义上的"转基因"的话，那么，根瘤农杆菌的天然转基因过程就是发生在不同 物种间的基因转移，即将微生物的基因转到高等植物中。由此可见，人类在不知不觉中食用过此类天然的转基因食品达数千年[2]113。
然而，在世界范围特别是在欧洲和中国，转基因食品倍受争议，有关谣言无处不在。面对谣言，根瘤农杆菌像是无声的实干家和试验员，一次又一次地重复验证自己的工作。根瘤农杆菌的天然转基因过程同时表明：转基因可以自然发生。对此，有科学家曾诙谐地说："其实根癌农杆菌早就'公然违反了美国国家卫生研究院的方针'，因为它在没有P4防护设施的保护下，把DNA从一个物种转移到另一个物种身上"[2]110。
转基因技术及转基因食品是对自然规律的进一步认识、有效掌控与运用。

4.2 转基因食品研发与生产的现实意义

转基因食品研发与生产是生物科技融汇发展的结果，生物科技的发展正在促使转基因基因食品成为生物经济时代的潮流。
人口增长、耕地面积减少、人均水土资源下降、气候变化与环境恶化等全球性问题迫使农业必须在增加供给的基础上实现绿色可持续发展。而转基因技术因其目的性强、定向改变生物性状，可以给农业绿色转型带来一系列的益处：改善品质、营养、口感、成熟度；抗病虫害、抗除草剂，以减少农药等化学品施用量，从而有利于环境；通过便于田间管理与收贮、免耕等方式，以减少成本；直接或间接提高农作物产量；通过培育节水耐旱品种，以充分利用水土资源。
转基因作物研发环节包括：分离提取目的基因；构建基因表达载体，即将目的基因与农杆菌等载体结合；将目的基因导入受体植物细胞；目的基因的表达和检测。即便研发出来，还要经过田间释放试验、安全证书、品种审定等监管环节，才能规模化生产与上市销售。不同国家的监管环节略有差异，但研发环节相同；本质上都是保持前沿高技术研发与产业化规制之间的适度平衡。可见，只要明确目的基因的功能，遵循操作规范，加强研发与生产过程的政策监管，便能够确保转基因食品安全—— 具有与传统食品实质等同的安全性。
中外转基因食品的研发、生产与消费的实践同样证明：自转基因食品问世20多年来，没有出现因食用转基因食品的安全事故。迄今世界几乎所有的食品安全管理机构和权威研究组织，如世界卫生组织（WHO）、欧盟食品安全局（EFSA）、美国食品与药品管理局（FDA）、美国科学院、英国皇家学会以及中国的食品安全管理部门，都认为已经批准上市的转基因食品是安全的[3]。

参考文献

[1]殷丽君等(编).转基因食品[M].北京:化学工业出版社,2002,15-18.
[2]詹姆斯·沃森,安德鲁·贝瑞. DNA:生命的秘密[M]. 陈雅云译. 上海:上海世纪出版集团,2010,109-110;125;113.
[3]袁越. 转基因30年[EB/OL]. 三联生活周刊[2013-12-09/2015-01-10],http://www.lifeweek.com.cn/2013/1209/43522_2.shtml.