如何制造转基因作物

理性介绍制造转基因作物过程。

原贴：http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2015/how-to-make-a-gmo/

作者：Chelsea Powell

摘要:转基因作物是指利用基因工程方法进行改造的生物。尽管基因工程在生物技术中是一种常见和必要的实践，但其在作物中的具体应用存在争议。基因工程涉及的关键步骤是识别感兴趣的性状，分离该性状，将该性状插入所需的作物中，然后培植该作物。在过去的一个世纪里，基因操纵的方法已经迅速改进，从简单的选择性育种，到将基因从一个有机体插入另一个有机体，再到最近直接编辑基因组的方法。

什么是转基因食物?

一种常见的误解是，任何被认为不在我们所谓的“自然”范畴之内的动植物都是转基因生物。我想到了不正常的大奶牛和西红柿。然而，科学界和美国食品和药物管理局(FDA)对转基因食品使用了更严格的定义:通过基因工程创造的动物或植物。基因工程是一个术语，用来描述科学家用来直接操纵生物体基因组的生物技术方法。根据这一定义，转基因生物不包括通过选择性育种生产的植物或动物，也不包括通过提供激素补充剂或抗生素改造的动物。事实上，我们现在不吃任何被认为是转基因的肉类产品，尽管农场动物可能被喂养转基因作物。

在食品上进行的大多数基因工程的主要目标是增加作物产量和/或提高动物饲料中的营养价值。在美国市场上，没有一种转基因作物被改造得异常巨大。用于表示转基因生物“科学怪物食品”形象的超大蔬菜图片，可能根本就不是转基因生物;一种大得不寻常的蔬菜更有可能是通过争议较小的选择性育种或营养补充方法而不是基因工程来培育的。

基因工程的过程

基因工程在生物研究中应用广泛。老鼠用于生物医学研究，细菌是用于生产胰岛素等药物，农作物用于农业。所有这些基因工程的产物都是用相同的基本步骤创造出来的：确定一个感兴趣的特征，分离出那个遗传特征，把那个特征插入一个想要的生物体的基因组中，然后培育这个工程生物体。下面将详细解释这些步骤，并使用孟山都公司的示例作为其技术的详细信息。其他一些大公司，如先正达、巴斯夫、陶氏、拜耳和杜邦，也在各自的网站上使用了类似的方法。

​第一步:确定你感兴趣的特质

为了确定一个令人满意的新特性，科学家们常常求助于大自然。成功地发现一种新的有趣的基因特征通常是批判性思维和运气的结合。例如，如果研究人员正在寻找一种能让作物在特定环境中生存的特征，他们就会寻找在特定环境中自然生存的生物体。或者，如果研究人员的目标是提高一种作物的营养含量，他们会筛选一份他们假设能产生感兴趣的营养物质的植物清单。通过这种运气和批判性思维的结合，转基因生物中目前发现的一个特征就是对除草剂农达（草甘膦）的耐受性。孟山都公司在一家草甘膦除草剂农达工厂附近发现了一种细菌，这种细菌含有一种基因，可以使它们在除草剂的作用下存活下来。虽然这种大米在美国还没有上市，但先正达公司已经设计出一种黄金大米，这种大米含有更多的前维生素A，人体可以将其转化为维生素A。先正达的研究人员确定了产生前维生素A的基因序列，并编制了一份用该序列筛选的植物名单。幸运的是，自然界中有一种叫做玉米的植物，它含有一种基因，这种基因可以使黄金大米产生前维生素a，其水平可以满足缺乏维生素a的群体的营养需求。

第二步:分离感兴趣的基因特征

比较分析是用来解释生物体的基因组成中包含哪些有趣的特征。将具有该性状的植物基因组与不具有该性状的同种植物基因组进行比较，目的是识别仅存在于前者的基因。为了鉴定基因，也可以比较具有相同性状的不同物种的基因组，就像在培育黄金水稻时一样。如果没有可供比较的遗传信息数据库，科学家就会有目的地删除或“敲出”感兴趣的基因组的某些部分，直到丢失所需的性状，从而识别导致该性状的基因。

为了加快这一进程，孟山都公司开发并申请了一种叫做种子切片的方法的专利。孟山都公司通过这种方法将部分种子削去进行高通量的基因测序，而将剩余的种子留作种植之用。这在植物生长之前就为它们创建了一个基因数据库，其中使用条形码系统将植物与其基因型进行匹配。然后，研究人员可以使用这个数据库识别感兴趣的新性状，并根据植物表型选择最佳基因型，从而优化作物的理想性状。

第三步:将所需的基因特征插入新的基因组

改变植物种子的基因组是困难的，因为它们的结构是刚性的。许多生物技术公司使用“基因枪”，用0.22口径的电荷将包裹着DNA的金属颗粒射入植物组织。孟山都公司不再使用基因枪，而是利用一种叫做农杆菌的细菌。农杆菌通过将自身的DNA片段插入植物基因组，自然侵入种子并改变植物。

在生物技术研究中，对细菌进行基因工程以产生所需的蛋白质是很常见的。这是通过使用酶将感兴趣的DNA链剪切粘贴到质粒中来完成的，质粒是一种小型的环状DNA分子。然后用热或电对细菌进行电击，使细胞接受工程质粒。通过修改比植物种子本身更容易修改的农杆菌，研究人员可能会利用这种细菌的自然入侵行为作为特洛伊木马，将理想的性状插入作物的基因组中。

第四步:培育转基因作物

当一种基因特征成功地插入到一个生物体的基因组中后，经过修饰的生物体必须能够生长并复制其新设计的基因组。首先，必须检查生物体的基因型，这样研究人员就仅繁殖基因组被正确修改的生物体。

生物技术公司投入大量资金来维持这些植物的存活，并在它们被成功培育出来后进行繁殖。这些公司使用特殊的气候控制生长室，生物学家经常亲自检查这些植物，以确保它们按照预期生长。

在这一过程中，生物技术公司将使用自动化机器，如孟山都的GenV播种机，来跟踪植物，并计算最佳播种和生长条件，以创造可能的最佳产量。

转基因种子通常带有这些研究得出的关于种植间距和营养的说明。

转基因生物的未来发展方向

人类在特定环境中改良作物以提高产量和营养的能力是农业的关键。从选择性育种到基因工程的技术进步为我们食品的未来开辟了广阔的可能性领域。作为基因工程技术，如新的基于RNAi和核苷酸的技术，允许直接修改基因组。基因工程的技术,如新的RNAi——和nuclease-based技术允许直接修改的基因组,稳步提高了我们创建新的转基因生物的能力。随着我们科学能力的发展，我们必须讨论围绕转基因生物的伦理道德和理想，以便我们能够以一种为公众所接受的方式有效和安全地使用这项技术。