行業資訊
當前位置: 首頁 > >
國內外轉基因生物研發新進展與未來展望
責任編輯：本站編輯 來源：基因農業網 日期：2015-04-29
1國內外重大研發進展
隨著科學技術的日新月異,以轉基因技術為核心的農業生物技術發展尤為迅猛。截至2014年,轉基因作物全球種植面積達到1.81億hm2,轉基因作物育種技術及其產業在經歷了技術成熟期和產業發展期之后,目前已進入以搶占技術制高點與經濟增長點為目標的戰略機遇期。與此同時,轉基因技術在改善動物生產性能、抗病能力、開發乳腺生物反應器等領域不斷發展。轉基因物種涉及了豬、牛、羊、雞、魚、家蠶、果蠅等,涉及的性狀囊括了生長、繁殖、抗病、飼料轉化率、肉質、人源化器官、新型藥物等,轉基因動物所表現出的優異表型,展示了其廣闊的應用前景。我國雖然研究開發的整體實力同發達國家還具有一定的差距,但現在已經初步建成了包括功能基因克隆、大規模遺傳轉化、品種選育、安全評價、產品開發、應用推廣等各環節在內的轉基因育種科技創新和產業發展體系,擁有抗病蟲、抗逆、品質改良、營養健康等重要基因的自主知識產權與核心技術,并在棉花、水稻、玉米、豬、牛、羊等轉基因生物的基礎研究和應用研究方面取得了重大突破。
1.1轉基因植物領域取得的進展
1.1.1抗生物逆境
2011年,美國專利商標局公開了有關轉基因植物及其生產方法的專利申請共571件,其中抗病蟲等生物逆境的專利120件。過表達抗性基因提高植物抗病蟲能力作為經典轉基因育種手段在抗病、抗蟲等領域不斷得以更新和優化。廣泛挖掘并應用Bt資源成為植物基因工程領域的熱點。此外,科學家還從不同生物來源中鑒定出多種對蚜蟲、夜蛾、甲蟲等具有抗蟲活性的抗生物素等蛋白,有望發掘更多有應用價值的抗蟲基因資源,提高轉基因作物的廣譜抗蟲性。近年來興起的RNAi技術在培育轉基因抗病毒作物上表現出良好的應用前景,利用該技術已獲得了小麥、甜菜、水稻、木薯、香蕉和柑橘等抗病毒轉基因新品種。復合性狀轉基因作物的市場需求與研發態勢也日趨加速,2010年先正達公司研發的抗秋粘蟲、甘蔗食心蟲、玉米穗蛾等多種害蟲的轉基因抗蟲玉米,已在美國、加拿大、巴西、阿根廷獲得種植批準。抗蟲棉的研究開發是我國獨立發展轉基因育種,打破跨國公司壟斷,搶占國際生物技術制高點的范例。轉基因抗蟲水稻獲批生產應用安全證書,轉基因抗蟲玉米也已進入到環境釋放階段,蓄勢待發。基礎研究方面,克隆了一批具有自主知識產權的重要性狀基因,并進行了育種價值評估,為轉基因作物新品種培育儲備了重要功能基因資源。在我國多家科研單位已分別利用鑒定的Bt基因轉化水稻、玉米、馬鈴薯等作物,獲得了農藝性狀良好的抗水稻螟蟲、玉米螟、馬鈴薯甲蟲的轉基因植株。利用RNAi技術研發轉基因抗蟲、抗病毒作物也取得了重要進展。抗蟲轉基因玉米現已完成生產性試驗,對玉米螟表現高抗,已具備了產業化條件。
1.1.2抗非生物逆境
圍繞功能基因、轉錄因子、信號因子等方面開展抗旱、耐鹽堿、抗高溫、冷害研究,以期獲得性狀優良的作物新品種是轉基因作物研發的重點之一。目前研究工作集中在作物的滲透調節類基因、抗氧化保護類基因、分子伴侶類基因等功能基因的挖掘與鑒定、抗逆相關轉錄因子及其調控機制研究,以及信號因子在脅迫條件下信號傳導途徑研究等。孟山都公司開發的轉耐旱基因(cspB,蛋白調節基因)玉米DroughtGard(MON87460)在干旱脅迫下產量顯著增加,2010年12月獲美國食品藥品管理局批準用于食品和飼料,2012年美國農業部對其解除管制,2013年我國批準進入轉基因玉米進口名單。該公司針對非洲的水資源現狀,計劃于2017年在非洲撒哈拉沙漠以南地區推進抗旱性轉基因玉米的商業化種植。我國在作物生產中,除了受到病蟲害的侵襲外,干旱、鹽堿、低溫等非生物脅迫也是導致作物減產的重要原因。開展非生物逆境脅迫相關功能基因的研究也是我國科學家的重要任務之一。目前,已從水稻、小麥、玉米及特殊生境生物中克隆了許多非生物逆境相關功能基因,包括轉錄因子和信號傳導相關基因,如SNAC1、CBF3、DREB1、WIN1、OsWR1和CIPK等；滲透調節基因,如adc、TPSP、P5CS等；脫水保護蛋白基因,如HVA1和LEA3-1,以及離子泵和離子轉運蛋白RWC3基因等。將這些基因轉到植物中,能顯著提高轉基因植物的抗非生物逆境能力。在諸多抗逆作物的研發中,轉基因耐旱小麥、玉米是目前處于研發階段較領先的耐旱作物,由中國農業科學院培育的轉基因小麥新品系水分利用效率提高15%以上、產量提高10%以上,具有較大的生產應用潛力。另一類抗非生物脅迫的轉基因研究主要是抗除草劑轉基因作物創制,轉基因大豆新品系呼交06-698等大田表現高抗草甘膦,轉基因抗草甘膦玉米已于2012年獲得農業部批準進入生產性試驗階段,轉基因抗草甘膦作物實現商品化生產將有利于打破跨國公司在該產業上的壟斷。2008年,由華中農業大學培育的轉基因Bt抗蟲水稻“華恢1號”和“Bt汕優63”已獲得在湖北省的生產應用安全證書,對整個亞洲乃至世界轉基因水稻的應用起到了積極的推動作用。
1.1.3產量提高
通過轉基因技術實現作物增產主要從庫容(穗粒數、粒重)、株型(赤霉素、蕓苔素內酯)、光合產物分配(蔗糖轉運子、細胞壁轉化酶、淀粉合成)、來源強度(CO2吸收、卡爾文循環、光敏色素、葉片衰老)、氮和水利用效率、轉錄因子調控等多方面加強。全基因組關聯分析技術、大規模基因組測序技術等新技術、新方法的發展,為規模化、高通量基因篩選提供了快捷手段,極大地提升了基因資源發掘與利用的效率,越來越多的產量相關基因被分離鑒定。如異戊烯基轉移酶(ZmIPT2)控制玉米籽粒發育過程中細胞分裂素的合成,水稻細胞壁轉化酶GIF1調控蔗糖在籽粒中卸載,促進籽粒灌漿；CCT結構域的核蛋白(Ghd7)控制株高、抽穗期和每穗粒數。孟山都公司的抗農達高產大豆已進入高級開發期,在世界各地不同環境條件下不同的種植季進行了測試,均表現出抗性穩定,產量提高的特性。近幾年來,我國圍繞水稻、玉米、大豆等主要農作物開展了大量工作,在產量相關功能基因挖掘方面的研究有了較出色的進展。隨著基因組測序與基因功能鑒定方法、設備的進步,越來越多的控制作物農藝性狀的功能基因被克隆出來,這些基因的克隆在分子水平上加深了我們對作物生長發育和產量形成的理解。如分蘗是決定產量的一個重要農藝性狀,中國科學院李家洋院士團隊等圍繞水稻分蘗開展十多年研究,發現了重要調控新機制,建立了調控水稻株型建成的基本工作模型,對于水稻產量研究具有重要意義。利用理想株型基因IPA1選育的新株型水稻新品系川農1A/Y665-2-4、津科稻533等高產量性狀特征顯著。
1.1.4品質改良
現代分子生物技術的進展為改良植物營養品質提供了有效的技術支撐,在水稻、玉米、大豆、油菜等主要農作物中的應用取得了較好的成績。目前已發展了包括內源蛋白質序列的修飾、同源優質蛋白基因的過量表達、異源優質蛋白基因的轉移和表達、人工合成新蛋白基因、以及增加游離的必需氨基酸的含量等改良作物蛋白質營養價值的方法。目前已獲得富含葉酸的西紅柿、高蛋白含量的土豆、高維生素C含量的西紅柿、草莓和馬鈴薯、高油酸大豆、高Ω-3脂肪酸油用大豆、高花青素西紅柿等。水稻作為人類的主糧之一,目前已發展到第二代,研發重點主要放在稻米品質改良,營養強化,以及后期的醫療保健等方面,如富含維生素A的金米稻、高賴氨酸、高鐵及富含葉酸的轉基因水稻等。國內營養品質改良還處于起步階段,主要集中在蛋白質與氨基酸改良方面,在作物、蔬菜、瓜果等各個領域中都有階段性的創新。例如我國的轉基因耐貯番茄“華番1號”,能降低番茄在運輸、儲藏時的經濟損失,早在1997年經農業部批準進入商品化生產；馬鈴薯花粉特異水溶性蛋白的編碼序列轉入玉米可以使種子干重中賴氨酸含量提高10%以上；如在小麥中引入高賴氨酸蛋白基因能使種子中蛋白質和其中賴氨酸的比例都得到10%以上的提高；通過轉基因技術能使水稻籽粒中直鏈淀粉含量大比例下降；擬南芥和煙草中引入利什曼原蟲的蝶呤還原酶(PRT1)已經證實能使植物葉酸含量得到一定程度的提高。中國農業科學院完成了高表達植酸酶的玉米新種質創制,并于2009年獲得了生產應用安全證書,并已選育出LY16、LY35等多個品種。
1.1.5養分高效利用
通過轉基因技術應用,改造作物營養調控通路,從而提高作物對土壤固有養分資源和肥料高效利用已成為當前轉基因作物研發的重點之一。隨著水稻等植物全基因序列被完全破譯后,大量與養分吸收、運輸和利用相關的基因即將被迅速鑒定出來。創制的磷高效積累、錳高效積累、酸性磷酸酶缺失和硅吸收弱等突變材料,對深入研究植物高效吸收土壤固有養分肥料和對養分高效利用養分分子機制,進而培育養分吸收利用高效性轉基因植物有重要作用。如孟山都研發的氮高效玉米可在正常氮含量的條件下增產,在較低氮含量的條件下穩產,這將為農民提供一種既節約成本又利于穩產高產的重要選擇。國內目前研究主要圍繞在在養分高效植物基因型的篩選及表型分析上。有較大進展的研發主要集中在水稻上,浙江大學成功克隆了在植物中具有明確提高磷效率功能的轉錄因子OsPTF1和對磷高親和轉運體Pht1家族成員OsPht1；2和OsPht1；6；南京農業大學對水稻中氮高效轉運蛋白NRT2家族成員功能及其相互作用進行深入研究,探明了OsNRT2.3a的表達模式并應用于水稻轉基因研究。對上述基因的表達方式及其作用逐步了解,有助于理解植物在氮磷養分缺乏條件下做出的適應性反應,并為利用基因工程改良植物性狀,提高其對土壤氮磷的利用效率拓寬基因資源。
1.1.6植物生物反應器
通過轉基因技術,以植物為表達系統生產藥用抗體、酶、結構蛋白、抗原(疫苗)、生物質(生物塑料)和藥物等已成為國際生物技術研究的前沿領域。目前用于表達工業用/藥用蛋白的植物種類已達到20多種,表達的目標蛋白達上百種。國際上已有以孟山都等為首的20余家公司專門從事植物生物反應器生產生物醫藥產品的研究。ProdiGene公司已用玉米商品化生產了兩種研究和診斷用酶；PlanetBiotechnology公司用煙草生產的抗體治療牙齒腐朽和流行性感冒的藥物在美國已進入臨床實驗。我國在利用植物生產藥用蛋白領域也取得了可喜的進展,利用水稻胚乳細胞生產的人血清白蛋白產品已注冊并在國內及歐美等國銷售。目前我國的抗體、疫苗和藥用蛋白已達24種,包括人源抗狂犬病毒單克隆抗體、膀胱癌單鏈抗體、新城疫病毒融合蛋白、輪狀病毒衣殼糖蛋白VP7、人凝血IX因子、雞α-干擾素、降鈣素、人血清白蛋白和乳鐵蛋白等。所用到的植物種類包括番茄、煙草、櫻桃、馬鈴薯、紫花苜蓿、水稻及生菜等7種。如陳超和張鐵剛利用煙草表達了人源抗狂犬病毒單克隆抗體,申慧峰等在煙草葉綠體中表達了腸致病性大腸桿菌的編碼F4ac菌毛亞單位蛋白。目前,高表達人血清蛋白水稻新品系已進入到生產性試驗。
1.2轉基因動物領域取得的進展
1.2.1動物轉基因抗病育種
瘋牛病、禽流感、SARS、腸炎型沙門氏菌和布病等動物源性人畜共患病的多次、重復性爆發,引起了全球恐慌,由于該類型傳染病疫苗的匱乏,利用轉基因技術開發強抗病力新品種成為抗病育種的全新手段與方法。2007年,Richt等利用基因打靶技術獲得了瘋牛病相關基因(PRNP)雙位點敲除的轉基因牛,其在體外試驗中能夠良好的抵御瘋牛病的傳播。利用表達小分子干擾RNA技術,育成抗禽流感的轉基因雞(英國羅斯林研究所)、抗藍耳病的轉基因豬(中國農業大學)、對布氏桿菌具有強抗性的轉基因羊等,均表現出了良好的疾病抗性。動物轉基因技術將在抗病育種、環境生態安全、人畜共患病預防等諸多方面發揮獨特的優勢,造福子孫后代。我國是世界上畜禽養殖數量最多的國家,高密度、集約化飼養為病原體快速傳播與突變提供了溫床,造成了抗生素的大量使用以及畜禽產品中抗生素的殘留等諸多問題,并引發了食品安全危機,因此抗病育種變得非常重要與迫切。近幾年,科研人員在動物轉基因抗病育種領域做了大量的研究工作,取得了突破性進展。2009年中國農業大學通過RNA干涉技術和體細胞核移植技術獲得抗藍耳病(豬繁殖與呼吸綜合癥)轉基因豬,攻毒后藍耳病毒抑制率達到60%以上,活體攻毒,轉基因豬的藍耳病的感染率明顯下降,現已開展中間試驗；獲得轉溶菌酶基因的轉基因豬,實現抗仔豬腹瀉疾病,并已進入生產性試驗。2011年中國農業大學獲得過表達TLR4基因的轉基因綿羊,病毒攻擊后,表現出強烈的急性炎癥反應,加大了對病原體的清除能力；獲得了表達抗IBV的小RNA轉基因雞,對轉基因雞免疫細胞體外進行IBV攻毒后,IBV病毒的復制明顯減弱,急性期的炎癥因子明顯降低,表現出了良好的抗病毒復制特征。
1.2.2產量/品質改良
轉基因技術在改善動物各類經濟性狀,如生長速度加快、瘦肉率提高,肉質品質提高,飼料利用率提高和抗病力增強等方面不斷取得新進展。美國科學家將魚類的抗寒基因轉移到鮭魚基因組內,轉抗寒基因鮭魚可在寒冷條件下表達生長激素基因,從而使其達上市體重的時間縮短了一半。利用基因敲除、轉入功能基因或性狀基因等,培育產肉量增加、肉品質、產毛率及毛品質改善的家畜新品種也取得了重要進展。通過動物乳腺表達獲得人類所需的食用蛋白已獲得多項成果。轉酪蛋白基因、轉硬脂酰輔酶A基因羊,從而提高奶的營養價值。新西蘭科學家培育出轉β-酪蛋白和k-酪蛋白基因牛已完成安全性評價,產業化正在推進。多不飽和脂肪酸轉基因克隆豬的培育成功,標志著轉基因動物育種進入了新的發展歷程。中國科學院水生生物所建立了5個快速生長效應且能穩定遺傳的轉“全魚”生長激素基因黃河鯉家系,其第一代平均體重即達到對照魚的1.6倍。黑龍江水產研究所轉生長激素鯉魚最大個體體重達到了對照魚的2倍。獲得了肌肉生長抑制素基因(Myostatin)敲除的轉基因豬和轉基因牛,從而提高了產肉率,其中肌抑制素基因敲除豬已進入生產性試驗階段,達到國際領先水平。品質改良方面,成功獲得了富含ω-3不飽和脂肪酸轉基因豬和轉基因牛,在肌肉和脂肪中不飽和脂肪酸含量大幅提高,為改善膳食中營養成分的比例,提高人群健康水平提供新的動物產品。獲得了轉IGF-1、GF-5、乙酰絲氨酸硫化氫酶等基因絨山羊,提高了絨山羊產絨量和品質。2009年首次獲得具有產業化價值的人α-乳清白蛋白轉基因奶牛,牛奶中α-乳清白蛋白最高含量達到1.5g/L。
1.2.3動物生物反應器
利用動物作為生物反應器生產醫用蛋白的研發工作已在各領域取得進展。目前,國際上主要的動物生物反應器包括山羊、奶牛、豬、兔、小鼠、家蠶等,主要利用血液系統、動物膀胱、禽類的卵及哺乳動物乳腺等生產目標產物。利用轉基因動物乳腺系統生產的具有重要臨床治療價值的藥用蛋白已達十多種,其中組織溶酶原激活因子(tPA)、a1胰蛋白酶(a1-AT)及抗凝血酶III、人血紅蛋白(Hb)、人乳鐵蛋白(LF)已進入臨床試驗階段。美國GTC公司利用轉基因山羊乳腺生物反應器生產的重組人抗凝血酶III(ATryn,一種可供人類使用的抗凝血藥,既能用于冠狀動脈旁路手術,又能治療燒傷、敗血病等)已在歐洲和美國上市。美國科學家Maga等培育出乳汁中分泌人溶菌酶的轉基因山羊,可以用于預防嬰幼兒腹瀉疾病,2009年已在美國上市。目前,進入臨床試驗的動物生物反應器重組蛋白藥物已達100多種,全球從事動物生物反應器研發的企業有20多家,包括5家上市公司。自1983年我國成功獲得表達乙肝病毒表面抗原的轉基因兔以來,在醫藥保健和疫苗制備兩個領域開展轉基因動物生物反應器研發,并取得了驚人的成就。醫藥保健領域,已經在牛、羊、豬等動物體內成功表達了許多貴重的藥用蛋白,如抗腫瘤蛋白、提高免疫力蛋白、疾病治療相關蛋白等。2008年獲得首例胚胎冷凍保存的體細胞克隆牛和首例攜帶有人胰島素基因的轉基因克隆牛；獲得了乳腺中高表達可治療人B淋巴細胞癌等惡性腫瘤的CD20蛋白的轉基因牛,為挽救癌癥患者生命和降低藥物成本具有劃時代意義。2009年中國農業大學獲得富含人乳鐵蛋白的轉基因牛,乳鐵蛋白含量達到目前國際報道的最高水平,在國際上處于領先地位。2012年獲得含有轉乳糖分解酶基因克隆牛,乳糖分解酶可以將乳糖分解為被任何人利用的半乳糖和葡萄糖,有望給患有乳糖不耐癥的人群提供“放心奶”。疫苗制備方面,通過動物生物反應器獲得有胚癌、乙肝、口蹄疫等疾病相關抗原。2011年山東青島森淼公司初步純化了山羊乳腺表達的人乙肝疫苗抗原,進一步拓寬了動物乳腺生物反應器的應用范圍。中國農業科學院用家蠶生物反應器成功表達了口蹄疫病毒DNA疫苗和保留全部病毒結構基因及病毒核衣殼結構蛋白加工系統的口蹄疫病毒亞基因組結構疫苗,該技術已進入生產性試驗,并獲得了英國專利授權。轉人乳鐵蛋白奶山羊已進入環境釋放階段。
1.2.4用于疾病研究的轉基因動物模型
目前,很多研究表明絕大多數疾病與基因遺傳均有一定程度的相關性,通過轉基因動物作為疾病模型研究遺傳與疾病的關系,對于開展病理治療研究與新藥篩選,預防治療與疾病有重要意義。利用轉基因動物技術建立的疾病動物模型,在闡明遺傳改變所產生的效應,確定致病基因的功能和致病機理等方面發揮著重要作用,且具有篩選準確、經濟、試驗次數少等優勢。目前已經建立起了各種人類遺傳病的小鼠模型,包括老年性癡呆癥、帕金森病、關節炎、肌肉營養缺乏癥、腫瘤發生、高血壓、內分泌功能障礙、動脈硬化癥、焦慮癥、抑郁癥等,但其解剖學、生理學都明顯區別于人類,具有許多局限性。狨猴因其生理特征等與人類更為接近,故轉基因狨猴是傳染病、免疫學和神經障礙性疾病很好的模型。目前已制備了含有可導致肌營養不良的突變基因的轉基因狨猴,轉GFP標記基因且可遺傳給下一代的轉基因狨猴,這些大動物模型的制備有望應用于帕金森氏癥等疾病的研究。我國轉基因動物模型研究在神經系統、代謝系統、腫瘤、心血管疾病、傳染病等領域也取得諸多重要性進展。2010年中科院昆明動物研究所成功培育出中國首例轉基因獼猴,非人靈長類動物模型的研制成功為人類重大疾病研究奠定了重要基礎。中國科學院通過在豬體內導入家族性肌萎縮側索硬化癥(ALS)的突變型人SOD1基因,用體細胞核移植的方法成功制備了豬的ALS疾病模型,為揭示ALS疾病機理和開發治療藥物提供了新的動物模式。由深圳華大基因研究院等單位聯合研發獲得的生物節律轉基因模型豬,對生物節律的藥物新靶點發現及臨床前藥效學評價具有重要的科學意義和臨床意義。2010年中國科學院賴良學團隊聯合美國愛默瑞大學成功獲得了人類亨廷頓舞蹈癥的轉基因豬模型和抗超急性免疫排斥反應的基因敲除豬,首次在轉基因豬大腦中發現與人類亨廷頓舞蹈癥患者腦中類似的神經細胞凋亡現象。2011年,該團隊在世界上首次建立了對糖尿病和心血管并發癥的研究有重要應用價值的PPARγ基因敲除豬模型,首次實現了該技術在大動物內源性基因敲除中的應用。
1.2.5其他
(1)轉基因動物為人類提供器官配件：轉基因動物是人類最好的器官庫,能提供從皮膚、角膜,到心、肝、腎等“零件”。豬在解剖、組織及生理上與人類最為相近,是器官庫的最佳選擇。2012年澳大利亞科學家成功去除了豬的半乳糖苷酶基因,為將動物器官移植到人體上鋪平了道路。目前我國約有150萬尿毒癥、300多萬角膜病和400萬白血病患者以及3000萬肝病患者在等待供體器官,但是供體器官的嚴重不足,致使一些病人在漫長的器官等待中死去。豬體內器官在體積與功能上都和人較為接近,科學家希望通過培育適配性器官的轉基因豬為人類提供所需器官。2010年,中國農業科學院成功研制出敲除α-1,3半乳糖苷轉移酶基因(GGTA1)單敲除的近交系五指山小型豬,是我國第一例敲除超急性免疫排斥基因的異種器官移植豬,為我國創建器官移植豬邁出了關鍵的一步。
(2)動物遺傳資源的保護：動物遺傳資源保護實質上是保護遺傳的物質基礎和遺傳物質多樣性,以及遺傳信息的表觀修飾狀態。轉基因動物研究中所涉及的細胞傳代培養、胚胎細胞的體外操作、體細胞核移植等多項技術,可以實現遺傳信息的有效保存與利用。動物體細胞克隆技術的發展與成熟,有效提升了轉基因動物生產效率,拓寬了動物克隆技術的應用領域。2001年意大利人通過異種克隆獲得瀕危物種歐洲盤羊；2008年日本科學家獲得16年前冰凍小鼠的克隆后代；2009年西班牙人獲得10年前滅絕的野山羊的克隆后代。我國已經開展了大規模的體細胞克隆與胚胎工程等大型高技術研發工作,先后獲得了體細胞克隆牛、羊(綿羊和山羊)和豬等動物,克隆動物成功率和成活率居世界之首,克隆動物的群體數量不斷擴大,由此而催生的轉基因克隆動物大規模生產,建立了較為完善的技術體系。利用高新技術進行動物遺傳資源保護,將在不久將來取得重大進展。
(3)特殊用途：培育出轉基因環保豬,其唾液所產生的植酸酶可以消化植物磷,糞便含磷量減少了75%,為解決養殖業的環境污染問題提供了有效方案。產蛛絲蛋白轉基因山羊可生產高強度絲線,被稱為“生物鋼”,在醫療、軍事、航天等工業市場有廣闊的應用前景。利用轉基因山羊乳腺生產丁酰膽堿酯酶解毒劑,有效預防軍事化學武器的使用。轉基因動物的利用為軍用或民用特種生物材料制備提供了新途徑。
2趨勢及展望
以“組學”和合成生物學作為轉基因生物技術未來發展的新特征,將會對社會和經濟產生越來越廣泛的影響。在重要功能基因資源挖掘上,表現出系統化、規模化和高通量；在目標性狀上,表現出產量與營養并重,兼顧健康和環保；在種質資源上,著重考慮擁有不同功能的復合性狀,以滿足社會日益發展的需求。
2.1重要功能基因資源的來源呈多樣化挖掘
功能基因來源呈多樣化趨勢,從微生物、特殊生境植物等物種中挖掘抗旱、養分高效利用、營養改良等功能基因已成為當前研究的重點,全基因組關聯分析技術、大規模基因組測序技術等新技術、新方法的發展,為規模化、高通量基因篩選提供了快捷手段,極大地提升了基因資源發掘與利用的效率。同事,基因組學、蛋白質組學、代謝組學等新興學科的興起為農業生物技術的發展注入了新的推動力。
2.2復合性狀轉基因作物的研發力度不斷加強
發展初期,轉基因事件主要集中在同一功能基因應用于不同作物種類。隨著科學技術的不斷發展,已實現一種作物種類同時擁有不同的性狀功能等多方向、立體性的跨越式發展。安全高效的多基因聚合的復合性狀正成為轉基因技術研究與應用的重點。未來的混合型轉基因作物將兼具抗害蟲、抗除草劑、抗干旱和增加特殊物質含量的諸多優良特性。2010年,孟山都公司推出了首個富含8個不同性狀疊加的轉基因玉米(2個抗除草劑基因和6個抗蟲基因),預示著未來玉米育種產業的發展趨勢。
2.3輸出性狀轉基因作物日益豐富
新一代轉基因植物將圍繞改良產品品質,增加營養,提高食品的醫療保健功能,或用作工業原料,增加農副產品的附加值等不斷開發“輸出性狀”,使消費者直接得益,較之以防治病蟲草害為目標的第一代轉基因作物具有更為廣闊的市場開發前景。
2.4轉基因動物將為人類醫學發展作出重要貢獻
隨著單細胞測序、外顯子測序、轉錄組測序、GWAS(全基因組關聯分析)等現代高技術快速發展,產奶、生長、抗病及繁殖性狀有強密切關聯的性狀基因將不斷得到挖掘和應用。轉基因動物作為基因功能活體驗證的最佳模型,可直觀闡明基因作用通路,同時也可用于藥物篩選、開發新型藥物等。利用轉基因動物模型已經發現了與長壽、細胞衰老和組織再生等相關的重要功能基因,此項技術的廣泛應用,必將對人類長壽、重大疾病的預防與治療等發揮獨特的作用。
隨著科學技術的日新月異,以轉基因技術為核心的農業生物技術發展尤為迅猛。截至2014年,轉基因作物全球種植面積達到1.81億hm2,轉基因作物育種技術及其產業在經歷了技術成熟期和產業發展期之后,目前已進入以搶占技術制高點與經濟增長點為目標的戰略機遇期。與此同時,轉基因技術在改善動物生產性能、抗病能力、開發乳腺生物反應器等領域不斷發展。轉基因物種涉及了豬、牛、羊、雞、魚、家蠶、果蠅等,涉及的性狀囊括了生長、繁殖、抗病、飼料轉化率、肉質、人源化器官、新型藥物等,轉基因動物所表現出的優異表型,展示了其廣闊的應用前景。我國雖然研究開發的整體實力同發達國家還具有一定的差距,但現在已經初步建成了包括功能基因克隆、大規模遺傳轉化、品種選育、安全評價、產品開發、應用推廣等各環節在內的轉基因育種科技創新和產業發展體系,擁有抗病蟲、抗逆、品質改良、營養健康等重要基因的自主知識產權與核心技術,并在棉花、水稻、玉米、豬、牛、羊等轉基因生物的基礎研究和應用研究方面取得了重大突破。
1.1轉基因植物領域取得的進展
1.1.1抗生物逆境
2011年,美國專利商標局公開了有關轉基因植物及其生產方法的專利申請共571件,其中抗病蟲等生物逆境的專利120件。過表達抗性基因提高植物抗病蟲能力作為經典轉基因育種手段在抗病、抗蟲等領域不斷得以更新和優化。廣泛挖掘并應用Bt資源成為植物基因工程領域的熱點。此外,科學家還從不同生物來源中鑒定出多種對蚜蟲、夜蛾、甲蟲等具有抗蟲活性的抗生物素等蛋白,有望發掘更多有應用價值的抗蟲基因資源,提高轉基因作物的廣譜抗蟲性。近年來興起的RNAi技術在培育轉基因抗病毒作物上表現出良好的應用前景,利用該技術已獲得了小麥、甜菜、水稻、木薯、香蕉和柑橘等抗病毒轉基因新品種。復合性狀轉基因作物的市場需求與研發態勢也日趨加速,2010年先正達公司研發的抗秋粘蟲、甘蔗食心蟲、玉米穗蛾等多種害蟲的轉基因抗蟲玉米,已在美國、加拿大、巴西、阿根廷獲得種植批準。抗蟲棉的研究開發是我國獨立發展轉基因育種,打破跨國公司壟斷,搶占國際生物技術制高點的范例。轉基因抗蟲水稻獲批生產應用安全證書,轉基因抗蟲玉米也已進入到環境釋放階段,蓄勢待發。基礎研究方面,克隆了一批具有自主知識產權的重要性狀基因,并進行了育種價值評估,為轉基因作物新品種培育儲備了重要功能基因資源。在我國多家科研單位已分別利用鑒定的Bt基因轉化水稻、玉米、馬鈴薯等作物,獲得了農藝性狀良好的抗水稻螟蟲、玉米螟、馬鈴薯甲蟲的轉基因植株。利用RNAi技術研發轉基因抗蟲、抗病毒作物也取得了重要進展。抗蟲轉基因玉米現已完成生產性試驗,對玉米螟表現高抗,已具備了產業化條件。
1.1.2抗非生物逆境
圍繞功能基因、轉錄因子、信號因子等方面開展抗旱、耐鹽堿、抗高溫、冷害研究,以期獲得性狀優良的作物新品種是轉基因作物研發的重點之一。目前研究工作集中在作物的滲透調節類基因、抗氧化保護類基因、分子伴侶類基因等功能基因的挖掘與鑒定、抗逆相關轉錄因子及其調控機制研究,以及信號因子在脅迫條件下信號傳導途徑研究等。孟山都公司開發的轉耐旱基因(cspB,蛋白調節基因)玉米DroughtGard(MON87460)在干旱脅迫下產量顯著增加,2010年12月獲美國食品藥品管理局批準用于食品和飼料,2012年美國農業部對其解除管制,2013年我國批準進入轉基因玉米進口名單。該公司針對非洲的水資源現狀,計劃于2017年在非洲撒哈拉沙漠以南地區推進抗旱性轉基因玉米的商業化種植。我國在作物生產中,除了受到病蟲害的侵襲外,干旱、鹽堿、低溫等非生物脅迫也是導致作物減產的重要原因。開展非生物逆境脅迫相關功能基因的研究也是我國科學家的重要任務之一。目前,已從水稻、小麥、玉米及特殊生境生物中克隆了許多非生物逆境相關功能基因,包括轉錄因子和信號傳導相關基因,如SNAC1、CBF3、DREB1、WIN1、OsWR1和CIPK等；滲透調節基因,如adc、TPSP、P5CS等；脫水保護蛋白基因,如HVA1和LEA3-1,以及離子泵和離子轉運蛋白RWC3基因等。將這些基因轉到植物中,能顯著提高轉基因植物的抗非生物逆境能力。在諸多抗逆作物的研發中,轉基因耐旱小麥、玉米是目前處于研發階段較領先的耐旱作物,由中國農業科學院培育的轉基因小麥新品系水分利用效率提高15%以上、產量提高10%以上,具有較大的生產應用潛力。另一類抗非生物脅迫的轉基因研究主要是抗除草劑轉基因作物創制,轉基因大豆新品系呼交06-698等大田表現高抗草甘膦,轉基因抗草甘膦玉米已于2012年獲得農業部批準進入生產性試驗階段,轉基因抗草甘膦作物實現商品化生產將有利于打破跨國公司在該產業上的壟斷。2008年,由華中農業大學培育的轉基因Bt抗蟲水稻“華恢1號”和“Bt汕優63”已獲得在湖北省的生產應用安全證書,對整個亞洲乃至世界轉基因水稻的應用起到了積極的推動作用。
1.1.3產量提高
通過轉基因技術實現作物增產主要從庫容(穗粒數、粒重)、株型(赤霉素、蕓苔素內酯)、光合產物分配(蔗糖轉運子、細胞壁轉化酶、淀粉合成)、來源強度(CO2吸收、卡爾文循環、光敏色素、葉片衰老)、氮和水利用效率、轉錄因子調控等多方面加強。全基因組關聯分析技術、大規模基因組測序技術等新技術、新方法的發展,為規模化、高通量基因篩選提供了快捷手段,極大地提升了基因資源發掘與利用的效率,越來越多的產量相關基因被分離鑒定。如異戊烯基轉移酶(ZmIPT2)控制玉米籽粒發育過程中細胞分裂素的合成,水稻細胞壁轉化酶GIF1調控蔗糖在籽粒中卸載,促進籽粒灌漿；CCT結構域的核蛋白(Ghd7)控制株高、抽穗期和每穗粒數。孟山都公司的抗農達高產大豆已進入高級開發期,在世界各地不同環境條件下不同的種植季進行了測試,均表現出抗性穩定,產量提高的特性。近幾年來,我國圍繞水稻、玉米、大豆等主要農作物開展了大量工作,在產量相關功能基因挖掘方面的研究有了較出色的進展。隨著基因組測序與基因功能鑒定方法、設備的進步,越來越多的控制作物農藝性狀的功能基因被克隆出來,這些基因的克隆在分子水平上加深了我們對作物生長發育和產量形成的理解。如分蘗是決定產量的一個重要農藝性狀,中國科學院李家洋院士團隊等圍繞水稻分蘗開展十多年研究,發現了重要調控新機制,建立了調控水稻株型建成的基本工作模型,對于水稻產量研究具有重要意義。利用理想株型基因IPA1選育的新株型水稻新品系川農1A/Y665-2-4、津科稻533等高產量性狀特征顯著。
1.1.4品質改良
現代分子生物技術的進展為改良植物營養品質提供了有效的技術支撐,在水稻、玉米、大豆、油菜等主要農作物中的應用取得了較好的成績。目前已發展了包括內源蛋白質序列的修飾、同源優質蛋白基因的過量表達、異源優質蛋白基因的轉移和表達、人工合成新蛋白基因、以及增加游離的必需氨基酸的含量等改良作物蛋白質營養價值的方法。目前已獲得富含葉酸的西紅柿、高蛋白含量的土豆、高維生素C含量的西紅柿、草莓和馬鈴薯、高油酸大豆、高Ω-3脂肪酸油用大豆、高花青素西紅柿等。水稻作為人類的主糧之一,目前已發展到第二代,研發重點主要放在稻米品質改良,營養強化,以及后期的醫療保健等方面,如富含維生素A的金米稻、高賴氨酸、高鐵及富含葉酸的轉基因水稻等。國內營養品質改良還處于起步階段,主要集中在蛋白質與氨基酸改良方面,在作物、蔬菜、瓜果等各個領域中都有階段性的創新。例如我國的轉基因耐貯番茄“華番1號”,能降低番茄在運輸、儲藏時的經濟損失,早在1997年經農業部批準進入商品化生產；馬鈴薯花粉特異水溶性蛋白的編碼序列轉入玉米可以使種子干重中賴氨酸含量提高10%以上；如在小麥中引入高賴氨酸蛋白基因能使種子中蛋白質和其中賴氨酸的比例都得到10%以上的提高；通過轉基因技術能使水稻籽粒中直鏈淀粉含量大比例下降；擬南芥和煙草中引入利什曼原蟲的蝶呤還原酶(PRT1)已經證實能使植物葉酸含量得到一定程度的提高。中國農業科學院完成了高表達植酸酶的玉米新種質創制,并于2009年獲得了生產應用安全證書,并已選育出LY16、LY35等多個品種。
1.1.5養分高效利用
通過轉基因技術應用,改造作物營養調控通路,從而提高作物對土壤固有養分資源和肥料高效利用已成為當前轉基因作物研發的重點之一。隨著水稻等植物全基因序列被完全破譯后,大量與養分吸收、運輸和利用相關的基因即將被迅速鑒定出來。創制的磷高效積累、錳高效積累、酸性磷酸酶缺失和硅吸收弱等突變材料,對深入研究植物高效吸收土壤固有養分肥料和對養分高效利用養分分子機制,進而培育養分吸收利用高效性轉基因植物有重要作用。如孟山都研發的氮高效玉米可在正常氮含量的條件下增產,在較低氮含量的條件下穩產,這將為農民提供一種既節約成本又利于穩產高產的重要選擇。國內目前研究主要圍繞在在養分高效植物基因型的篩選及表型分析上。有較大進展的研發主要集中在水稻上,浙江大學成功克隆了在植物中具有明確提高磷效率功能的轉錄因子OsPTF1和對磷高親和轉運體Pht1家族成員OsPht1；2和OsPht1；6；南京農業大學對水稻中氮高效轉運蛋白NRT2家族成員功能及其相互作用進行深入研究,探明了OsNRT2.3a的表達模式并應用于水稻轉基因研究。對上述基因的表達方式及其作用逐步了解,有助于理解植物在氮磷養分缺乏條件下做出的適應性反應,并為利用基因工程改良植物性狀,提高其對土壤氮磷的利用效率拓寬基因資源。
1.1.6植物生物反應器
通過轉基因技術,以植物為表達系統生產藥用抗體、酶、結構蛋白、抗原(疫苗)、生物質(生物塑料)和藥物等已成為國際生物技術研究的前沿領域。目前用于表達工業用/藥用蛋白的植物種類已達到20多種,表達的目標蛋白達上百種。國際上已有以孟山都等為首的20余家公司專門從事植物生物反應器生產生物醫藥產品的研究。ProdiGene公司已用玉米商品化生產了兩種研究和診斷用酶；PlanetBiotechnology公司用煙草生產的抗體治療牙齒腐朽和流行性感冒的藥物在美國已進入臨床實驗。我國在利用植物生產藥用蛋白領域也取得了可喜的進展,利用水稻胚乳細胞生產的人血清白蛋白產品已注冊并在國內及歐美等國銷售。目前我國的抗體、疫苗和藥用蛋白已達24種,包括人源抗狂犬病毒單克隆抗體、膀胱癌單鏈抗體、新城疫病毒融合蛋白、輪狀病毒衣殼糖蛋白VP7、人凝血IX因子、雞α-干擾素、降鈣素、人血清白蛋白和乳鐵蛋白等。所用到的植物種類包括番茄、煙草、櫻桃、馬鈴薯、紫花苜蓿、水稻及生菜等7種。如陳超和張鐵剛利用煙草表達了人源抗狂犬病毒單克隆抗體,申慧峰等在煙草葉綠體中表達了腸致病性大腸桿菌的編碼F4ac菌毛亞單位蛋白。目前,高表達人血清蛋白水稻新品系已進入到生產性試驗。
1.2轉基因動物領域取得的進展
1.2.1動物轉基因抗病育種
瘋牛病、禽流感、SARS、腸炎型沙門氏菌和布病等動物源性人畜共患病的多次、重復性爆發,引起了全球恐慌,由于該類型傳染病疫苗的匱乏,利用轉基因技術開發強抗病力新品種成為抗病育種的全新手段與方法。2007年,Richt等利用基因打靶技術獲得了瘋牛病相關基因(PRNP)雙位點敲除的轉基因牛,其在體外試驗中能夠良好的抵御瘋牛病的傳播。利用表達小分子干擾RNA技術,育成抗禽流感的轉基因雞(英國羅斯林研究所)、抗藍耳病的轉基因豬(中國農業大學)、對布氏桿菌具有強抗性的轉基因羊等,均表現出了良好的疾病抗性。動物轉基因技術將在抗病育種、環境生態安全、人畜共患病預防等諸多方面發揮獨特的優勢,造福子孫后代。我國是世界上畜禽養殖數量最多的國家,高密度、集約化飼養為病原體快速傳播與突變提供了溫床,造成了抗生素的大量使用以及畜禽產品中抗生素的殘留等諸多問題,并引發了食品安全危機,因此抗病育種變得非常重要與迫切。近幾年,科研人員在動物轉基因抗病育種領域做了大量的研究工作,取得了突破性進展。2009年中國農業大學通過RNA干涉技術和體細胞核移植技術獲得抗藍耳病(豬繁殖與呼吸綜合癥)轉基因豬,攻毒后藍耳病毒抑制率達到60%以上,活體攻毒,轉基因豬的藍耳病的感染率明顯下降,現已開展中間試驗；獲得轉溶菌酶基因的轉基因豬,實現抗仔豬腹瀉疾病,并已進入生產性試驗。2011年中國農業大學獲得過表達TLR4基因的轉基因綿羊,病毒攻擊后,表現出強烈的急性炎癥反應,加大了對病原體的清除能力；獲得了表達抗IBV的小RNA轉基因雞,對轉基因雞免疫細胞體外進行IBV攻毒后,IBV病毒的復制明顯減弱,急性期的炎癥因子明顯降低,表現出了良好的抗病毒復制特征。
1.2.2產量/品質改良
轉基因技術在改善動物各類經濟性狀,如生長速度加快、瘦肉率提高,肉質品質提高,飼料利用率提高和抗病力增強等方面不斷取得新進展。美國科學家將魚類的抗寒基因轉移到鮭魚基因組內,轉抗寒基因鮭魚可在寒冷條件下表達生長激素基因,從而使其達上市體重的時間縮短了一半。利用基因敲除、轉入功能基因或性狀基因等,培育產肉量增加、肉品質、產毛率及毛品質改善的家畜新品種也取得了重要進展。通過動物乳腺表達獲得人類所需的食用蛋白已獲得多項成果。轉酪蛋白基因、轉硬脂酰輔酶A基因羊,從而提高奶的營養價值。新西蘭科學家培育出轉β-酪蛋白和k-酪蛋白基因牛已完成安全性評價,產業化正在推進。多不飽和脂肪酸轉基因克隆豬的培育成功,標志著轉基因動物育種進入了新的發展歷程。中國科學院水生生物所建立了5個快速生長效應且能穩定遺傳的轉“全魚”生長激素基因黃河鯉家系,其第一代平均體重即達到對照魚的1.6倍。黑龍江水產研究所轉生長激素鯉魚最大個體體重達到了對照魚的2倍。獲得了肌肉生長抑制素基因(Myostatin)敲除的轉基因豬和轉基因牛,從而提高了產肉率,其中肌抑制素基因敲除豬已進入生產性試驗階段,達到國際領先水平。品質改良方面,成功獲得了富含ω-3不飽和脂肪酸轉基因豬和轉基因牛,在肌肉和脂肪中不飽和脂肪酸含量大幅提高,為改善膳食中營養成分的比例,提高人群健康水平提供新的動物產品。獲得了轉IGF-1、GF-5、乙酰絲氨酸硫化氫酶等基因絨山羊,提高了絨山羊產絨量和品質。2009年首次獲得具有產業化價值的人α-乳清白蛋白轉基因奶牛,牛奶中α-乳清白蛋白最高含量達到1.5g/L。
1.2.3動物生物反應器
利用動物作為生物反應器生產醫用蛋白的研發工作已在各領域取得進展。目前,國際上主要的動物生物反應器包括山羊、奶牛、豬、兔、小鼠、家蠶等,主要利用血液系統、動物膀胱、禽類的卵及哺乳動物乳腺等生產目標產物。利用轉基因動物乳腺系統生產的具有重要臨床治療價值的藥用蛋白已達十多種,其中組織溶酶原激活因子(tPA)、a1胰蛋白酶(a1-AT)及抗凝血酶III、人血紅蛋白(Hb)、人乳鐵蛋白(LF)已進入臨床試驗階段。美國GTC公司利用轉基因山羊乳腺生物反應器生產的重組人抗凝血酶III(ATryn,一種可供人類使用的抗凝血藥,既能用于冠狀動脈旁路手術,又能治療燒傷、敗血病等)已在歐洲和美國上市。美國科學家Maga等培育出乳汁中分泌人溶菌酶的轉基因山羊,可以用于預防嬰幼兒腹瀉疾病,2009年已在美國上市。目前,進入臨床試驗的動物生物反應器重組蛋白藥物已達100多種,全球從事動物生物反應器研發的企業有20多家,包括5家上市公司。自1983年我國成功獲得表達乙肝病毒表面抗原的轉基因兔以來,在醫藥保健和疫苗制備兩個領域開展轉基因動物生物反應器研發,并取得了驚人的成就。醫藥保健領域,已經在牛、羊、豬等動物體內成功表達了許多貴重的藥用蛋白,如抗腫瘤蛋白、提高免疫力蛋白、疾病治療相關蛋白等。2008年獲得首例胚胎冷凍保存的體細胞克隆牛和首例攜帶有人胰島素基因的轉基因克隆牛；獲得了乳腺中高表達可治療人B淋巴細胞癌等惡性腫瘤的CD20蛋白的轉基因牛,為挽救癌癥患者生命和降低藥物成本具有劃時代意義。2009年中國農業大學獲得富含人乳鐵蛋白的轉基因牛,乳鐵蛋白含量達到目前國際報道的最高水平,在國際上處于領先地位。2012年獲得含有轉乳糖分解酶基因克隆牛,乳糖分解酶可以將乳糖分解為被任何人利用的半乳糖和葡萄糖,有望給患有乳糖不耐癥的人群提供“放心奶”。疫苗制備方面,通過動物生物反應器獲得有胚癌、乙肝、口蹄疫等疾病相關抗原。2011年山東青島森淼公司初步純化了山羊乳腺表達的人乙肝疫苗抗原,進一步拓寬了動物乳腺生物反應器的應用范圍。中國農業科學院用家蠶生物反應器成功表達了口蹄疫病毒DNA疫苗和保留全部病毒結構基因及病毒核衣殼結構蛋白加工系統的口蹄疫病毒亞基因組結構疫苗,該技術已進入生產性試驗,并獲得了英國專利授權。轉人乳鐵蛋白奶山羊已進入環境釋放階段。
1.2.4用于疾病研究的轉基因動物模型
目前,很多研究表明絕大多數疾病與基因遺傳均有一定程度的相關性,通過轉基因動物作為疾病模型研究遺傳與疾病的關系,對于開展病理治療研究與新藥篩選,預防治療與疾病有重要意義。利用轉基因動物技術建立的疾病動物模型,在闡明遺傳改變所產生的效應,確定致病基因的功能和致病機理等方面發揮著重要作用,且具有篩選準確、經濟、試驗次數少等優勢。目前已經建立起了各種人類遺傳病的小鼠模型,包括老年性癡呆癥、帕金森病、關節炎、肌肉營養缺乏癥、腫瘤發生、高血壓、內分泌功能障礙、動脈硬化癥、焦慮癥、抑郁癥等,但其解剖學、生理學都明顯區別于人類,具有許多局限性。狨猴因其生理特征等與人類更為接近,故轉基因狨猴是傳染病、免疫學和神經障礙性疾病很好的模型。目前已制備了含有可導致肌營養不良的突變基因的轉基因狨猴,轉GFP標記基因且可遺傳給下一代的轉基因狨猴,這些大動物模型的制備有望應用于帕金森氏癥等疾病的研究。我國轉基因動物模型研究在神經系統、代謝系統、腫瘤、心血管疾病、傳染病等領域也取得諸多重要性進展。2010年中科院昆明動物研究所成功培育出中國首例轉基因獼猴,非人靈長類動物模型的研制成功為人類重大疾病研究奠定了重要基礎。中國科學院通過在豬體內導入家族性肌萎縮側索硬化癥(ALS)的突變型人SOD1基因,用體細胞核移植的方法成功制備了豬的ALS疾病模型,為揭示ALS疾病機理和開發治療藥物提供了新的動物模式。由深圳華大基因研究院等單位聯合研發獲得的生物節律轉基因模型豬,對生物節律的藥物新靶點發現及臨床前藥效學評價具有重要的科學意義和臨床意義。2010年中國科學院賴良學團隊聯合美國愛默瑞大學成功獲得了人類亨廷頓舞蹈癥的轉基因豬模型和抗超急性免疫排斥反應的基因敲除豬,首次在轉基因豬大腦中發現與人類亨廷頓舞蹈癥患者腦中類似的神經細胞凋亡現象。2011年,該團隊在世界上首次建立了對糖尿病和心血管并發癥的研究有重要應用價值的PPARγ基因敲除豬模型,首次實現了該技術在大動物內源性基因敲除中的應用。
1.2.5其他
(1)轉基因動物為人類提供器官配件：轉基因動物是人類最好的器官庫,能提供從皮膚、角膜,到心、肝、腎等“零件”。豬在解剖、組織及生理上與人類最為相近,是器官庫的最佳選擇。2012年澳大利亞科學家成功去除了豬的半乳糖苷酶基因,為將動物器官移植到人體上鋪平了道路。目前我國約有150萬尿毒癥、300多萬角膜病和400萬白血病患者以及3000萬肝病患者在等待供體器官,但是供體器官的嚴重不足,致使一些病人在漫長的器官等待中死去。豬體內器官在體積與功能上都和人較為接近,科學家希望通過培育適配性器官的轉基因豬為人類提供所需器官。2010年,中國農業科學院成功研制出敲除α-1,3半乳糖苷轉移酶基因(GGTA1)單敲除的近交系五指山小型豬,是我國第一例敲除超急性免疫排斥基因的異種器官移植豬,為我國創建器官移植豬邁出了關鍵的一步。
(2)動物遺傳資源的保護：動物遺傳資源保護實質上是保護遺傳的物質基礎和遺傳物質多樣性,以及遺傳信息的表觀修飾狀態。轉基因動物研究中所涉及的細胞傳代培養、胚胎細胞的體外操作、體細胞核移植等多項技術,可以實現遺傳信息的有效保存與利用。動物體細胞克隆技術的發展與成熟,有效提升了轉基因動物生產效率,拓寬了動物克隆技術的應用領域。2001年意大利人通過異種克隆獲得瀕危物種歐洲盤羊；2008年日本科學家獲得16年前冰凍小鼠的克隆后代；2009年西班牙人獲得10年前滅絕的野山羊的克隆后代。我國已經開展了大規模的體細胞克隆與胚胎工程等大型高技術研發工作,先后獲得了體細胞克隆牛、羊(綿羊和山羊)和豬等動物,克隆動物成功率和成活率居世界之首,克隆動物的群體數量不斷擴大,由此而催生的轉基因克隆動物大規模生產,建立了較為完善的技術體系。利用高新技術進行動物遺傳資源保護,將在不久將來取得重大進展。
(3)特殊用途：培育出轉基因環保豬,其唾液所產生的植酸酶可以消化植物磷,糞便含磷量減少了75%,為解決養殖業的環境污染問題提供了有效方案。產蛛絲蛋白轉基因山羊可生產高強度絲線,被稱為“生物鋼”,在醫療、軍事、航天等工業市場有廣闊的應用前景。利用轉基因山羊乳腺生產丁酰膽堿酯酶解毒劑,有效預防軍事化學武器的使用。轉基因動物的利用為軍用或民用特種生物材料制備提供了新途徑。
2趨勢及展望
以“組學”和合成生物學作為轉基因生物技術未來發展的新特征,將會對社會和經濟產生越來越廣泛的影響。在重要功能基因資源挖掘上,表現出系統化、規模化和高通量；在目標性狀上,表現出產量與營養并重,兼顧健康和環保；在種質資源上,著重考慮擁有不同功能的復合性狀,以滿足社會日益發展的需求。
2.1重要功能基因資源的來源呈多樣化挖掘
功能基因來源呈多樣化趨勢,從微生物、特殊生境植物等物種中挖掘抗旱、養分高效利用、營養改良等功能基因已成為當前研究的重點,全基因組關聯分析技術、大規模基因組測序技術等新技術、新方法的發展,為規模化、高通量基因篩選提供了快捷手段,極大地提升了基因資源發掘與利用的效率。同事,基因組學、蛋白質組學、代謝組學等新興學科的興起為農業生物技術的發展注入了新的推動力。
2.2復合性狀轉基因作物的研發力度不斷加強
發展初期,轉基因事件主要集中在同一功能基因應用于不同作物種類。隨著科學技術的不斷發展,已實現一種作物種類同時擁有不同的性狀功能等多方向、立體性的跨越式發展。安全高效的多基因聚合的復合性狀正成為轉基因技術研究與應用的重點。未來的混合型轉基因作物將兼具抗害蟲、抗除草劑、抗干旱和增加特殊物質含量的諸多優良特性。2010年,孟山都公司推出了首個富含8個不同性狀疊加的轉基因玉米(2個抗除草劑基因和6個抗蟲基因),預示著未來玉米育種產業的發展趨勢。
2.3輸出性狀轉基因作物日益豐富
新一代轉基因植物將圍繞改良產品品質,增加營養,提高食品的醫療保健功能,或用作工業原料,增加農副產品的附加值等不斷開發“輸出性狀”,使消費者直接得益,較之以防治病蟲草害為目標的第一代轉基因作物具有更為廣闊的市場開發前景。
2.4轉基因動物將為人類醫學發展作出重要貢獻
隨著單細胞測序、外顯子測序、轉錄組測序、GWAS(全基因組關聯分析)等現代高技術快速發展,產奶、生長、抗病及繁殖性狀有強密切關聯的性狀基因將不斷得到挖掘和應用。轉基因動物作為基因功能活體驗證的最佳模型,可直觀闡明基因作用通路,同時也可用于藥物篩選、開發新型藥物等。利用轉基因動物模型已經發現了與長壽、細胞衰老和組織再生等相關的重要功能基因,此項技術的廣泛應用,必將對人類長壽、重大疾病的預防與治療等發揮獨特的作用。