朱作言:转基因鱼及其安全性

发表时间:2018/1/7  浏览次数:244  
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站(西网)转基因鱼

世界上首个获批供食用的转基因动物产品——水优三文鱼的上市,成为世界转基因动物育种研究与产业化应用的里程碑事件。公众对转基因产品安全性的担忧源于对它的不了解,本文通过对我国首创的拥有全部自主知识产权的转基因鱼的培育及其安全性的介绍,以期公众对转基因研究及产品有正确认识。

2015年11月19日,经过长达20年的严格审核,美国食品与药品管理局(Food and Drug Administration,FDA)批准了水丰技术公司(AquaBounty Technologies)研发的转“全鱼”生长激素基因的大西洋鲑(AquAdvantage salmon,即水优三文鱼)为第一种可供食用的转基因动物产品 [1];2016年5月19日, 加拿大卫生部(Health Canada)和食品检验检疫局(Canadian Food Inspection Agency)也批准水优三文鱼进入市场销售;2017年8月4日,水丰技术公司宣布在加拿大已售出10 000磅(约4535千克)水优三文鱼 [2]。首个获批供食用的转基因动物产品终于被端上人类的餐桌,这是世界转基因动物育种研究与产业化应用的历史性突破和里程碑事件。那么,转基因鱼到底是怎么培育的?它安全吗?

转基因育种及转基因鱼的培育

转基因鱼及其安全性杂交育种的优与劣

自从人们认识到“杂种优势”现象后,作为品种改良的重要手段,杂交育种长期以来一直被普遍采用,在推动农业进步中发挥了非常重要的作用。实际上,从现代科学的角度解读杂种优势的基础,就是杂交亲本间的基因交换与转移,使得一个亲本的优良基因向另一个亲本品种转移。由于两亲本间的基因交换和转移重组是随机发生的,在亲本优良基因转移的同时,也伴随着其他非优良基因的转移,因此通过一次杂交不能得到“量体裁衣”的优良品种。因为杂交子代群体中出现了大量的不定变异,只有通过冗长的子代杂交和选育,才有可能得到结合父母本优良特性的新品种。但是,即使选育出了优良的新品种,育种学家并不一定知道、也无法控制是什么基因在获得的这些新品种中发挥了作用;而且在获得优良目的性状的同时,某些非预期性状的基因也会伴随转移,因此杂交新品种总是带有某些不良的性状。如某种鱼的肉质鲜美深受百姓喜爱,但生长速度慢;另一种鱼虽然生长速度快,但是非常容易感病;以这两种鱼为亲本通过杂交选育的新品种虽然有肉质鲜美和生长速度快的优点,但往往容易感病而死亡。

转基因育种的实质

20世纪生命科学与技术的迅猛发展,产生了“量体裁衣”式的定向培育新品种的育种技术,这就是转基因育种。转基因育种是将决定生物优良性状(如高产、抗病、抗逆等)的基因分离出来,转移到缺乏此优良性状品种的基因组里,从而培育出有优良性状的新品种。比较杂交育种和转基因育种,两者都是不同生物间基因的转移或重组,但是前者是两个亲本全基因组之间众多基因的随机交换与转移,不定向,也很难控制;后者则是按预先设计锁定的单一优良性状,转移相关基因而培育优良品种,是“量体裁衣”式的精确的育种技术。因此,可以把转基因育种视为一种特殊的杂交育种方式,即以一个目标性状基因与待改良亲本的全套基因组“杂交”,是一种精准的“分子杂交育种技术”,是传统杂交育种的逻辑延伸,具有明确的定向性、精确性和可控性,因而极大地提高了育种效率。

转基因鱼的培育

鱼类是脊椎动物的第一大类群,遗传资源非常丰富。在不同种的鱼之间分别具有生长速度快、肉质优、抗病、耐低温和低氧以及高盐耐受等不同的优良性状基因,通过转基因技术可将这些优良基因在亲缘关系很远的鱼种之间转移,也可对养殖品种进行不受物种间生殖隔离制约的优良基因转移和定向育种。比如,将决定生长性状的基因转移到肉质鲜美但生长速度慢的鱼基因组中,就可以定向培育出肉质鲜美且生长速度快的新品种。

以我国首创的拥有全部自主知识产权的转基因鱼——冠鲤的培育为例。1990年代,中国科学院水生生物研究所研究团队克隆了草鱼生长激素基因和鲤鱼β-肌动蛋白基因的启动子并进行重组,因重组得到的生长激素基因的结构元件全部来自鱼类,不含其他非鱼源的基因元件,故称为“全鱼”生长激素基因,这也是世界上第一批“全鱼”基因构建体 [3]。采用显微注射方法,将重组“全鱼”生长激素基因导入黄河鲤受精卵内,通过非末端连接修复机制,导入的重组“全鱼”生长激素基因在黄河鲤基因组中整合。研究发现,只有转植基因整合的拷贝数较少的转基因鱼,外源基因表达效率才呈现较高水平,并能建立稳定遗传的转基因鱼家系 [4]。经过多代选育,最后培育出性状优良的冠鲤。与对照普通黄河鲤比较,在同等养殖条件下,冠鲤不同家系的生长速度可提高42%~114.92%,当年即可达到上市规格,养殖周期因此缩短一半,从而减少养殖成本,降低养殖风险。

转基因鱼的安全性

转基因鱼及其安全性

8月龄冠鲤(平均体重990.7克,下)与同月龄对照黄河鲤(平均体重461克,上)

转基因鱼及其安全性

             吉鲤(左)及其同月龄对照鲤(右)

转基因鱼的安全性包括食用安全性和生态安全性。我国及世界各国对转基因产品有严格的管理制度,建立的严格监管体系涉及转基因对象的研究、产品研发和产业化的全过程。采用个案评估,批准商业化的每一种转基因产品都经过了有史以来最严格的生物学安全检验,可以说没有任何一种产品经过像转基因产品这样严格的管理和检验。正是因为对转基因产品的安全性设计了如此严格的生物安全性评价与监管体系,所以,联合国粮农组织、世界卫生组织、欧盟食品安全局、美国FDA以及中国农业部等监管机构和国际社会主流科学界一致认为:通过各个国家批准上市、获得安全证书的转基因产品与非转基因产品一样安全,可以放心食用。

转基因鱼的安全评价管理

在转基因鱼研制过程中,在实验室的研究阶段就要对受体鱼、目标基因所编码的蛋白质、基因操作及基因操作后获得的转基因鱼,以及转基因鱼生产加工获得的产品的安全性进行评价。只有通过了安全性评价,在实验养殖鱼池中进行对比试验,筛选优良性状的转基因鱼品系后,才可以向国家农业转基因生物安全管理的专门机构提出申请,在具有严格安全监控的养殖场池塘中逐步进行中间试验、环境释放试验、生产性试验等不同规模的试验,对转基因鱼的安全性进行逐步、严格、系统的科学评价。只有提交上一阶段的试验总结报告,经农业转基因生物安全委员会安全评价合格并由农业部发文批准后,方可根据农业转基因生物安全审批书的要求进行后一阶段试验。依次完成各阶段的安全评价后,才可以向国家相关部门申请转基因品系的安全生产证书,获准之后还需要有关部门审批品种审定、养殖生产和市场准入等。其繁琐和严格的程度可见一斑。

转基因鱼的食用安全性评价

转基因鱼可安全食用吗?包括转基因鱼在内的所有转基因生物的食用安全性评价依据是国际食品法典委员会制定的一系列转基因食品安全评价指南,按照实质等同性原则进行个案评估。实质等同性原则是指转基因食品及食品成分是否与目前市场上销售的传统食品具有实质等同性,是对转基因食品与传统食品相对的安全性进行比较,评价内容涵盖营养学、毒理学、致敏性及结合其他资料进行的综合评价。

以冠鲤和水优三文鱼为例,个案评估的结果表明,冠鲤与普通黄河鲤、水优三文鱼与普通三文鱼具有同样的食用安全性。与传统养殖的黄河鲤、三文鱼比较,冠鲤、水优三文鱼都缩短了生长周期,节省了饲料,而这两种转基因鱼的品质没有改变,口感也没有改变。冠鲤是将鲤鱼肌动蛋白基因的启动子和草鱼生长激素基因组成的重组基因转移到黄河鲤中,水优三文鱼是将绵鳚的抗冻蛋白基因的启动子和大鳞大马哈鱼的生长激素基因的cDNA组成的重组基因转移到大西洋鲑中,因此,冠鲤、水优三文鱼体内分别含有微量的草鱼生长激素、大马哈鱼的生长激素。激素有很多种,人们闻“激素”而色变的是类固醇类激素,这是一类很稳定的化学小分子激素,食用后会在身体中积累而发挥作用。而生长激素是一种促生长的蛋白质因子,它的化学性质跟甾体类激素完全不同,蛋白质分子非常脆弱,即便是在实验室里,想要得到一个完整的蛋白质分子都非常困难,更何况吃下去后经过肠胃消化,被降解成了氨基酸或多肽,就像吃肉、蛋、奶等其他蛋白质一样。按照国际食品安全评价规范,国家监管部门通过严格的科学实验,系统评价了冠鲤的食物安全性,发现摄食冠鲤和普通黄河鲤的小鼠及其子代在生长发育、器官功能、生殖能力和子代成活率等指标上都没有差别,即冠鲤和普通黄河鲤实质等同 [5-8]。美国的水优三文鱼也如此,经过长达20年的严格评估,发现水优三文鱼与普通三文鱼一样可供人类安全食用。

转基因鱼的生态安全

大规模养殖转基因鱼有生态安全问题吗?人们对此的担忧有两方面:一方面是转基因鱼释放或逃逸到自然水体后是否影响其他鱼类的生存;另一方面,转基因鱼与普通鱼杂交后,会不会都变成转基因鱼。简单而言,就是关心两个问题:一是转基因鱼的繁殖力,另一个是转基因的生存力。目前已有大量关于转生长激素基因鱼的繁殖力与生存力的研究报道 [4,9]。

就冠鲤的生态安全而言,冠鲤的游泳能力、逃避被捕食的能力、对氨氮和溶氧等环境因子的耐受力以及性腺的发育与成熟等都不如普通鲤鱼。从分子、个体、种群和群落等不同水平,全面系统评价冠鲤对生态环境的可能影响,发现在鲤鱼自然分布的水域,冠鲤对水生态系统的压力远低于普通鲤鱼。当然,生态学研究的明确结论还需要更大的空间和更长的时间。为了从根本上解决人们对转基因鱼生态安全问题的担忧,研究团队用二倍体的转基因鱼与四倍体鱼杂交,培育出了一种三倍体的转基因鱼——吉鲤 [10]。吉鲤就像无籽西瓜一样不能繁殖传代,这就可以确保万无一失。

就水优三文鱼的生态安全而言,2012年,美国FDA完成了水优三文鱼对生态环境影响的评估草案,并将相关文件进行为期3个月的网络公示,主要收集公众对于水优三文鱼对生态环境影响的反应。之后,美国FDA仔细分析了收集到的来自公众和环保组织的反对意见,认为水优三文鱼的安全评估已经涵盖和解决了人们所担心的问题。转基因鱼的安全性应以客观的科学评价结果为准则,虽然面临着强大的舆论压力,但是2015年11月19日,美国FDA仍然发布公告宣布水优三文鱼可供人安全食用 [11-12]。

不可否认,人们对于科学技术的认识和科学成果的传播及接受需要一个过程,许多人对于转基因安全性问题的担忧主要源于对它的不了解,导致对转基因产品带有偏见,甚至恐惧。因此,科学普及工作对于公众正确认识转基因,以及推动转基因研究和应用的发展都非常重要和迫切。

朱作言,研究员,中国科学院院士;

胡炜,研究员,中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室。

参考文献:

1、Ledford H. Salmon approval heralds rethink of transgenic animals. Nature, 2015, 527(7579): 417–418.

2、Waltz Emily. First genetically engineered salmon sold in Canada. Nature, 2017, 548: 148.

3、Zhu Zuoyan. Generation of fast growing transgenic fish: methods and mechanisms. In Transgenic fish, edited by Hew Choy L and Fletcher Garth L.Singapore: World Scientific Publishing, 1992: 2–119.

4、Hu Wei, Zhu Zuoyan. Integration mechanisms of transgenes and population fitness of GH transgenic fish. Science in China Ser C-Life Sci, 2010, 53:401–408.

5、Liu Y, Zhang W, Yong L, et al. An Assessment of Androgenic/Antiandrogenic Effects of GH Transgenic Carp by Hershberger Assay. Biomed Environ Sci, 2011,24(4): 445–449.

6、Yong L, Liu Y, Jia X, et al. Subchronic toxicity study of GH transgenic carp. Food and Chemical Toxicology, 2012, 50:3920–3926.

7、刘玉梅,张文众,雍凌,等. 转生长激素基因鲤鱼的雌激素样作用研究. 中国食品卫生杂志,2010,22:385–389.

8、张甫英,汪亚平,胡炜,等. 摄食转“全鱼”基因黄河鲤小鼠的生理和病理分析. 高技术通讯,2000,7:17–19.

9、胡炜,汪亚平,朱作言. 转基因鱼生态风险评价及其对策研究进展. 中国科学 C 辑: 生命科学, 2007,37: 377–381.

10、于凡,肖俊,梁向阳,等. 转生长激素基因三倍体鲤鱼的快速生长与不育特性. 科学通报,2010,55(20):1987 –1992.

11、胡炜,朱作言. 美国转基因大西洋鲑产业化对我国的启示. 中国工程科学, 2016,18(3):105–109.

12、王大元. 美国转基因三文鱼商业化的启示. 科学通报, 2016,61: 289–295.

(转载自:公众号“科学杂志1915”)


                                  

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