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《科学24小时》

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自然选择PK人工干预,谁执牛耳

2014-05-18 22:36:53

自然选择PK人工干预,谁执牛耳

田甜

 

农业生产自上世纪开始就发生了巨大的变化,从最初的靠天吃饭,到通过自然选择筛选出一些高产的品种,再到利用杂交技术培育出更优质的品种……直至今日,人类已可以应用转基因技术有目的地创造出有特定性状表现的品种。在农业应用上,人为的干预越来越明显,这会让世界呈现出一种怎样的局面呢?追溯历史长河,农耕文明有如一股涓涓细流,始终伴随着人类文明的整个进程。解决了最基本的温饱问题,人类文明才能不断地向前推进。无疑,农业是人类发展的基础和源动力。正因为农业生产的重要意义,重农思想也一直是我国古代经济思想的一根主线。时至今日,中国依然是农业大国。上世纪,袁隆平院士推广的三系杂交水稻,为解决国民的温饱问题做出了巨大的贡献。进入新世纪后,转基因技术又将农业推到了台前,成为热点话题。在嘈杂的赞成与反对声中,大家有没有静下心来好好想想,转基因技术在农业上的应用为何会引起热议?为何不像杂交水稻一样受到公众的一致拥护?有些人为了让转基因技术得到推广,甚至说它是一种杂交技术,结果又引起一阵非议。到底转基因技术在农业上的应用与杂交技术有什么区别呢?这就要从杂交技术谈起了。

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水稻花结构

 

让世人不再挨饿的杂交技术

从定义上讲,杂交是通过不同的基因型个体间的配对获得某些双亲基因重新组合个体的方法。通过杂交技术产生的个体,其后代的性状与亲本相比都有优势,例如提高亩产。在农业上不得不说的杂交技术范例,自然要数袁隆平院士的三系杂交水稻了。水稻其实是没有杂交优势的一种作物,因为它属于自花授粉作物,一株水稻开花后,雄蕊上的花粉会落在同株的雌蕊柱头上完成受精,很难异花授粉(天然异花授粉概率仅为1%4%),无法完成不同的基因型个体间的授粉,自然也就得不到杂交的后代。如果想实现水稻的杂交,就要求在水稻开花前去除雄蕊(简称“去雄”)为前提。因为水稻所开的花很小,增加了人工去除雄蕊的难度。打破这种僵局的是一株“鹤立鸡群”的水稻。上世纪60 年代,还在湖南省安江农校任职的青年教师袁隆平发现了一株宝贝水稻,它株型特异,穗大粒多,整株共有160 多粒,远超过普通稻穗,袁隆平兴奋地将这株水稻留种做实验,但是第二年的结果却大不如人意,这些种子长出的苗,高矮不一,抽穗时间也有早有晚,没有一株超过它的亲本。袁隆平百思不得其解。按照孟德尔遗传定律,通过自交产生的纯种水稻种子不应该出现形状分离的情况,只有在种子本身是**的情况下,才会出现形状的分离现象,难道这本身就是一株天然杂交品种?那它又是如何完成自然情况下杂交的呢?通过不断的假设与研究,1966 年,袁隆平发表了著名的论文《水稻的雄性不孕性》,文中阐述了水稻是具有雄性不育性的。

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袁隆平和他的杂交水稻

雄性不育是指雄蕊的花粉发育不完全,无法完成正常的授粉过程。对杂交育种者来说,这其实反而节省了人工去雄的繁琐步骤,科研人员只需将基因型的水稻花粉涂抹在雄性不育的水稻雌蕊柱头上就可以完成水稻杂交了。水稻的雄性不育特性是由细胞质的基因(Cms)和细胞核的基因(rfrf)共同决定的。水稻花粉体积小,只能携带细胞核基因,而母本的卵细胞体积大,包含细胞质基因和细胞核基因。虽然通过杂交技术能将其他植株的花粉与柱头结合,但是如果结合的花粉仍然携带不育基因(rfrf),那么二者产生的后代仍然是不育的,这样的个体称为“雄性不育保持系”。但雄性不育系和携带可育基因(RfRf)的花粉结合却能够再次具有育种的能力,这类的个体被称为“雄性不育恢复系”。袁隆平院士就是通过这三系(雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系)水稻进行杂交,经过无数次的尝试、改进后培育出优质的杂交种,这些杂交种后代表现出了优势性状,培育出了高产的品种,提高了水稻的亩产。

通过上述的介绍,相信大家已经明白:一般都是相同的物种通过完整的生殖过程繁育后代,而杂交技术育种就相当于孕育混血儿。当然杂交技术也有远源杂交,可以跨越物种的界限,比如繁殖骡子(马和驴子的后代,无生育能力)。但是因为各物种染色体数目的差异以及各物种间的排斥,总的来说跨物种进行杂交成功的概率比较低。因此杂交育种技术主要仍是在相同的物种间进行。想要得到杂交的后代也需要经历物种的全部生长发育过程。

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雄性不育系和保持系的繁殖

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制造杂交种,同时繁殖恢复系

 

改革跨越的转基因技术

那么,转基因育种技术呢?是否就像是有些人说的是杂交技术的一种呢?答案一定是否定的,转基因育种跟杂交育种是完全不相同的方法。它与杂交育种的不同之处在于:转基因育种技术是通过转基因技术,将特定的基因片段转入特定的生物中,并获得具有特定遗传性状的后代。因为基因翻译的通用性,通过转基因技术转入的基因不再有任何限定,可以随意的跨越物种,甚至将动物体内发现的基因转入植物体内也是完全可以的。同时,转基因技术是基于分子水平的,将外源基因直接转入植物体细胞内,无需经过植物体整个生长、授粉过程即可得到新的品种,缩短了整体的育种时间。转基因育种还有一个优点就是可以获得目标性状,杂交得到的品种一般都比亲本的性状好、产量高,但是要想获得亲本所不具备的抗病抗虫性状的话就很困难了,而转基因育种技术却可以打破这个界限,将抗虫抗病基因定向转入亲本的植物体细胞,以获得有抗虫抗病的后代植株。

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或许你会觉得转基因育种技术似乎很简单,但是将特定基因转入植物体细胞,并且得到特定遗传性状的后代其实是很复杂的。不论外源基因也好,还是植物体细胞也好,都是很微小的。将分子水平的外源基因转入到植物体细胞,该如何操作呢?进行植物遗传转化的方法主要分为间接转化方法和直接转化方法两种。

在间接转化方法中,最常用的是农杆菌介导法。操作过程是将植物体浸入含有外源基因的农杆菌菌液中,在农杆菌侵染植物体时,这段外源基因就可以转入植物细胞,保留在植物细胞的染色体中,之后外源基因跟随植物体细胞的基因完成复制、转录、翻译,使植物体具有特定的遗传性状。

直接转化方法较多,这里简单介绍常用的四种:

一是基因枪转化法。它是美国康奈尔大学研究团队提出的,主要的原理是将外源基因粘附在细小的金粒或者钨粒上,然后在高压作用下,将微粒高速射入受体细胞或者组织中,微粒上的外源基因通过与植物体细胞的染色体融合,从而实现基因的表达,使之具有特定的遗传性状。

二是花粉管通道法。它是将具有外源基因的溶液涂抹在雌蕊柱头上,利用植物在授粉过程中形成的花粉管将外源基因直接导入受精卵细胞。外源基因通过与受体细胞的基因进一步整合,随着受精卵的发育形成含外源基因的新个体。

三是化学物质诱导法。在这种方法中,现在应用最多的物质是聚乙二醇(简称PEG)。PEG 通过引起细胞膜表面的电荷紊乱,干扰了细胞识别,从而有利于外源基因进入植物体细胞。外源基因成为植物体细胞基因一部分后完成基因的表达。

四是电穿孔法。它是在短时间的高压直流电下,导致植物体细胞膜分子疏松,形成暂时性的小孔,外源基因通过这些小孔进入植物体细胞中,实现基因的直接转移。

 

转基因植物现状剖析

1983 年通过农杆菌方法得到第一株转外源基因的植物至今的30 年间,转基因育种技术一直受到广泛关注。不得不承认,转基因作物可以给我们的生活提供诸多便利。例如美国康涅狄格大学的研究小组将从拟南芥中提取的抗干旱基因转入到番茄中,转基因番茄在模拟的干旱环境中生长的状况远好于普通番茄,并且转基因番茄结出的果实在成分上与普通番茄没有明显区别。如果新的品种可以得到推广,对提高干旱地区的农业生产力而言是有重要意义的。又如,我国科学家将兔、羊毛的角蛋白基因转入棉花细胞中,使之特异性表达,从而改良棉纤维,使其在保留传统棉花天然本质的同时,又兼具兔、羊毛的品质。如果这一专利可以商业化种植,获取的经济效益将是相当可观的。总之,这类通过转基因技术改良植物体自身性状的例子不胜枚举。

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当然,转基因技术培育的植物个体在给我们提供好处的同时,也带来一些隐患。那些抗虫的转基因植株会伤害蝴蝶等其他昆虫吗?转基因植物会影响周边的植物生长吗?转基因植物会影响生态环境吗?转基因植物到底对人体有无危害?各种各样的问题不断涌出,也吸引了越来越多的科学家加紧对转基因植物进行研究,相信将来一定会有令人满意的答案。

在杂交技术之后,转基因技术逐步登上舞台。相较之前的技术,转基因技术可以节省大量的时间和劳动成本,而更加吸引人的是它可以定向地改良植物的性状:如单取它的耐寒、耐盐、抗病虫害、固氮等等。鉴于以上这些优点,就不难发现转基因技术是有利于人类文明进步的大迈进。但同时,关于转基因技术的争论也一定会越来越多,因为这类争论在短时间内是不容易得到结论的。转基因植物存在争议也是正常现象,这首先是因为转基因技术育种的新品种时间还较短,对于人体和环境的长期影响还有待观察;其次是在每次新的技术革新出现时总会有人对新技术应用产生怀疑。但科学的脚步不会因此而停止,社会的压力反而会促进高新技术的不断发展。将来转基因技术是否可以取代杂交技术,且让我们拭目以待!

 

名词解释:

转基因作物:运用科学手段从某种生物中提取所需要的基因,将其转入某种作物生物中,使其与某种作物的基因进行重组,从而产生具有特定优良遗传性状的作物。

亲本:动植物杂交时所选用的母本或父本。

基因翻译:将DNA中的遗传信息转录后,在有关酶、辅助因子和能量的作用下,将活化的氨基酸在核糖体(亦称核蛋白体)上装配为蛋白质多肽链的过程。

性状:生物体所有特征的总和。任何生物都有许多性状。有的是形态结构特征(如豌豆种子的颜色,形状),有的是生理特征(如人的ABO血型,植物的抗病性、耐寒性),有的是行为方式(如狗的攻击性、服从性),等等。在孟德尔以后的遗传学中,把作为表型的显示的各种遗传性质称为性状。在诸多性状中只着眼于一个性状,即单位性状进行遗传学分析已成为一种遗传学研究中的常规手段。

 








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