学者原创29

更新时间:2016-12-01

上来先问个学术问题,如题:黄金大米究竟转了几个基因?我觉得这个问题绝大多数的朋友应该是肯定会答错的,因为我看了一个多月的资料,最后还是搞错了,后来和朋友们反复讨论了很多次才搞清楚答案。咱不是搞转基因的,所以个人以为这类问题事实上应该有专家出来给大家科普,巴特,这方面的科普不怎么多,所以兄弟我很郁闷,只好自己来讲了。很抱歉,我认为我讲的内容是准确的,如果有误,还请不吝指教。


开篇是问题,接下来需要道歉。我得向杨子恒老师说声抱歉。说抱歉的原因是前段时间被人给骂了,说我很久以前写的《史上最强灌水:奇葩的MEGA》对杨老师不尊重,所以我得道歉。当然对于这样的指责兄弟我内心是崩溃的,因为第一,MEGA不是杨老师做的,PAML才是杨老师做的软件;第二,每年稳定灌水50+的那位是"Katoh M",日本人,跟咱中国没有关系;第三,杨老师是不是很落魄潦倒语言不通,这事儿哪有人能信啊,当相声听听就得了;第四,这篇博文只有160个字讲到杨老师,并没有不当的言论;第五,非要我道歉那我就道歉得了,虽然这个歉道的貌似比较蒙圈儿。

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讲正事儿。话说上一篇省略的部分是:“例如就转基因的科普来讲,草甘膦不是除虫剂而是除草剂,Bt基因不是单个基因而是一类基因的总称,2000年开发的第一代的黄金大米(Golden Rice)里总共转进去三个基因,分别是从黄水仙花中获得的八氢番茄红素合成酶(phytoene synthase, psy)、从噬夏孢欧文菌中获得的八氢番茄红素去饱和酶或β-胡萝卜素去饱和酶(phytoene desaturase, crtI),以及从黄水仙花中获得的番茄红素β-环化酶(lycopene β-cyclase, lcy)。其中前两个基因是功能基因用来产生类胡萝卜素(主要是β-胡萝卜素),第三个基因则用来确定转基因成功与否因此不是必须的。由于水仙花的八氢番茄红素合成酶效率不高,因此2005年改良后的第二代黄金大米,是从玉米里获得相应的psy基因,这样可以将产生类胡萝卜素的效率从1.6微克/克大米最高提升到37微克/克大米,平均值约是25微克β-胡萝卜素/克大米,如果每天摄入72克黄金大米,则β-胡萝卜素摄入总量为1800微克,考虑到β-胡萝卜素摄入量与维生素A的生成量之比为12:1,因此可以计算得到摄入72克黄金大米可产生150微克的维生素A,正好达到美国每日推荐膳食供给量(RDA)对1-3岁儿童要求的维生素A摄取量的一半。另外,截止到2015年,全世界共有28个国家种植转基因作物,耕地面积1.797亿公顷(179.7万平方公里),超过全世界可耕种土地的10%,相当于英国陆地面积的七倍。我国新疆维吾尔自治区总面积约166万平方公里,因此转基因耕种面积比新疆大。美国、巴西、阿根廷、印度和加拿大是转基因作物种植面积排名前五的国家,其中美国的种植面积是70.9万平方公里,而东北三省的总面积约为80万平方公里,因此比东三省小一些。美国是世界上种植商业化转基因作物种类最多的国家,总共有十种转基因作物,包括苹果、大豆、紫花苜蓿、番木瓜、土豆、南瓜、芥花(就是油菜)、甜菜、棉花和玉米。中国转基因作物的种植面积全世界排第六位,为3.7万平方公里,比海南省的3.54万平方公里稍高。中国已经批准的商业化转基因作物只有三种,分别是白杨、棉花和番木瓜。所以万变不离其宗,无论科普怎么做,基本的科学事实是要力求准确的。”


本来上面这一段是写在《科普这口锅,科学家不背谁背?》里的,媒体朋友拿到初稿之后,跟我讨论了半天国内科普的现状,完了很有技巧的来一句:我最讨厌那些写科普夹带私货的。我。。。思考了一秒钟之后,我老老实实的承认错误:要不您把这段删掉得了。所以就删掉了。


话说这一段我写的不严谨,其中斜体并且下划线标出的内容,应该是错误的内容。这里主要参考两篇科普性文章,一篇是刘学武老师转载的、网友jrry86原创的《盘点那些转基因作物之黄金大米篇》,另外一篇是知乎上《黄金大米到底转入了几个基因?》一文Jing Chen网友的回答,答案是对的。咱参考原始文献,总结一下Jing Chen网友的主要结论,算是狗尾续貂。

黄金大米的研发在文献里有两代:

1. Ye X, et al., Engineering the provitamin A (beta-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm. Science, 2000, 287(5451):303-5. (第一代黄金大米)

2. Paine JA, et al., Improving the nutritional value of Golden Rice through increased pro-vitamin A content. Nat Biotechnol, 2005, 23(4):482-7. (第二代黄金大米)


第一代黄金大米有两种设计方案,单转pB19hpc质粒(下图A),或共转入pZPsC和pZLcyH两个质粒(下图B)。在pB19hpc质粒里,包括水仙花的八氢番茄红素合成酶psy,噬夏孢欧文菌的八氢番茄红素去饱和酶或β-胡萝卜素去饱和酶crtI,以及两个用来筛选的基因,即对潮霉素有抗性的潮霉素磷酸转移酶aphIV,以及对卡那霉素有抗性的新霉素磷酸转移酶npt II(下图A),所以第一个版本里转入大米中的基因总数是4个。



在共转入的pZPsC和pZLcyH质粒中,除了上述的psy, crtI和aphIV三个基因之外,还引入了一个水仙花的番茄红素β-环化酶lcy,并且没有npt II(下图B),这样第二个版本里转入大米的基因总数也是4个。这两个版本的黄金大米都可以产生β-胡萝卜素,并且表型类似(水稻种子都呈黄色),并且第二版本产生的类胡萝卜素的种类变化比较大,而第一个版本产生的类胡萝卜素主要是β-胡萝卜素。当然无论哪个版本,转入黄金大米的基因数都是4个。


第二代黄金大米是转入单个质粒,有一个测试版(下图A)和正式版(下图B)。什么叫测试版?因为第一,psy基因很多植物都有包括大米;第二,即使在同一个植物如玉米,psy也不是单个基因,有很多旁系同源(Paralog),比如拟南芥里至少有PSY1, PSY2和PSY3三个基因,水稻至少有PSY1和PSY3两个基因。所以作者先要测试哪种psy基因产生类胡萝卜素的效率更高。因此,在测试版里,每种质粒需要转入3个基因,分别是噬夏孢欧文菌crtI再接上豌豆的加氧酶RUBISCO的叶绿体转运肽的SSUcrtI基因,用来做筛选的抗潮霉素的hpt标记基因,以及分别来自水稻、玉米、胡椒、西红柿和水仙的psy基因(下图A)。比较搞笑的是,用大米自己的psy基因获得的类胡萝卜素(18微克/克大米)貌似比转玉米的psy更有效率(14微克/克大米),所以我也是看的一头雾水,不明白为什么不直接转大米自己的psy基因得了。


总之经过测试、比较之后,正式版二代黄金大米共转入3个基因,包括玉米来源的psy基因,SSUcrtI,以及用来做筛选、并且安全无害的大肠杆菌甘露糖-6-磷酸异构酶基因pmi(下图B)。这样不管是测试版,还是正式版,二代黄金大米都是转入3个基因。




因此,黄金大米总共的转基因数量= 第一代转基因数量的均值+第二代的均值 = 3+4 = 7。所以黄金大米转进去7个基因,这个说法没有问题。当然也有朋友抗议,认为拿来做筛选用的标记基因不算数,只有功能基因算数,因此第一代转了3个,第二代转了2个,加起来应该是5个。这个说法没有道理,这是因为第一,一代黄金大米事实上lcy基因是个添头,psy + crtI这俩基因就够用了,所以怎么数也应该是4个功能基因;第二,有证据表明大家关注黄金大米的安全性,主要就是看标记基因是不是安全,例如2005年4月与二代黄金大米同期刊发的NBT社论,以“重新捯饬的黄金大米”(Reburnishing golden rice)为题,上来就讲,先正达在过去四年里将一种未经批准、含有氨苄青霉素抗性标记的转基因玉米错误的扩散,这件事儿上个月被揪出来结果搞得一地鸡毛(“The revelation last month that Syngenta has mistakenly distributed an unapproved variety of GM corn containing an ampicillin resistance marker over the past four years reveals a monumental foul up”),所以至少老外还是很关注安全性的问题,因此忽略掉标记基因不严谨。


总结,第一,黄金大米总共转了7个基因,这个说法没有问题。第二,与朋友讨论过,二代黄金大米从技术上来讲,没有安全性的隐患,总共就转了仨基因,玉米的psy,欧文菌的SSUcrtI,以及大肠杆菌的pmi,所以这也是众多诺奖得主力挺黄金大米的原因。第三,那为啥黄金大米在我国会被抵制成这样?千言万语化成一句老话:不怕XX一样的对手,就怕XX一样的队友。关于这个问题讲的比较全面的,可以看网友jrry86的《盘点那些转基因作物之黄金大米篇》。第四,不管是美国科学院那份407页的报告,还是英国皇家学会的简要科普,都认为没有证据表明转基因不安全,也没有证据表明吃转基因食品会有危险,当然,监督是必需的。


最后,我得感谢jrry86网友,大家就转基因个数讨论了很久,在此期间我也是受益良多,学习了不少东西。另外,借用海林兄的观点作为本篇的总结:我们既要有支持的人,也要有反对的人,这样我们才能安全的前进。


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作者:薛宇(科学网博客)

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