全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
, , 一
环境中基因工程微生物生态学研究 关
靳素英‘ 张嘉治“
‘
狄军艳 ,
‘ 中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 沈阳军区总医院 , 沈阳
【摘要 详细阐述了基因工程微生物 在环境释放中需考虑的主要 问题 的构建 、基因转移 、
适合度
、
扩散
、
转运和潜在的生态影响等 , 并针对 特定的生态学特征和生态影响 , 提出了基因工程微
生物生态学研究宜采取“ 具体问题具体分析 ”的策略 , 制定相应的研究方案 , 为安全有效地在非受控条件下
应用 铺平道路
,
关键词 基因工程微生物 生态学 环境
文章编号 一 一 一 中图分类号 文献标识码
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引 言
基因工程微生物 ,
生态学近年来迅速发展成为一 门内容涉及分子生物
学 、 微生物学
、 生态学等诸多学科的新型交叉边缘学科
年国际性学术杂志 》的出版发行标志着这
一学科的成熟 随着现代生物技术的发展 , 许多国家利用重
组 技术在实验室构建了各种具有显著应用前景的基因
工程微生物 , 将其释放于环境
, 用于提高作物产量或防治病
虫害 但是基因工程微生物引人环境也给自然生态系统和人
类健康带来了潜在威胁 , 因而 , 必须全面 了解被释放到环境
中基因工程微生物的存活 、 扩散
、
繁殖与土著生物之间的相
互作用和遗传物质的转移等问题 , 并对其进行有效的研究
在环境释放时需考虑的主要问题
·
的构建
分子和细胞生物学技术可精确的改变基因 这种能力增
加了科学家们把握在基因组中不发生意外变化的信心 , 但并
不能保证对所有生态学特性都能加以预测 , 对基因微生物的
构建评价必须包括任何插人基因组的 序列 、 的来
源
、
目的及其功能一般来说
, 外源基因来源于任何无亲缘关
系的物种比来源于同一物种的潜在影响要大得多 如果转人
基因能表达合成新的基因产物 , 则更可能在生态系统中发挥
新的作用 对于微生物 , 插人的位置非常重要 , 因为插
人质粒比插人染色体更容易传播和扩散
基因转移
环境中大多数细菌都能与附近的细菌交换遗传信息 要
考察 是否具有潜在的从 向土著细菌转移的风
险 , 必须考虑以下几个因素 用分子生物学技术测定是否
发生基因转移 如果确实发生 了基因转移 , 应考虑新产生
的遗传信息是否能在细菌中保留和表达 如果能够保留并
表达 , 必须评价对其它生物区系的影响
质粒能够频繁地转移 , 不宜广泛地将其应用于环境释
放 川 但 由于易于操作 , 又具有许多潜在的应用价值 , 质粒
又常常作为重要的基因工程载体 因此 , 质粒的转移问题一
直是 安全性研究的中心 问题 , 质粒 通过结
合转移问题在陆地和水域生态系统中都有研究旧 〕近年发
现在非灭菌的土壤中 , 以 含质粒 的慢生型大豆根瘤
菌 为供体 , 以多种大豆根瘤菌为受体 , 质粒的接合
转移率高达 、 一 , 该质粒含有多个抗生素基 因
等 ““ 」研究表明 , 环境中的质粒可 以通过转导和转化等机制
发生转移 基因转移是制订基因工程微生物释放风险评价计
划时必须考虑的重要 因素 目前发展的一些新技术 , 如 自杀
性载体的应用 , 可以逐渐阻止重组 的转移 ‘ 〕
的适合度
基因工程微生物的适合度包括它在环境中的存活能力 、
, 国家自然科学基金项 目 、 中国科学院陆地生态过程重
点实验室基金项 目 和中国科学院沈阳生态实验
站开放基金资助项 目
, ‘ 通讯联系人
一 一 收稿 , 一 一 接受
期 靳素英等 环境中基因工程微生物生态学研究
繁殖能力和竞争能力等 当考虑到长期 影 响时 , 必须研究
在环境中存活和繁殖的潜力〔 释放后如需起
作用 , 首先必须能够存活 环境中影响存活的因素有生物因
素和非生物因素 非生物因素中最重要的是营养 、 温度和
值 生物因素主要有原生生物的取食 、 噬菌体的感染以及与
其已建立 了牢固生态位的土著菌的竞争 ‘“ 〕
,
此外 , 各种酶和
抗生素也会导致释放物种的消失
通常认为 , 额外基因的加人会降低生物的存活能力 , 因
为外源基因表达时需要合成额外的核酸和蛋白质 , 新性状的
表达会干扰正常的生理过程 另外 , 大田释放以后 , 一
般都不希望 其代替原有物种 , 或在环境中长期存留 实际上 ,
转基因微生物释放后很难消除 , 少数个体 低于检测水平 仍
可以存留一段时间 , 当环 境条件适宜 时会突然 萌发 因此
在土壤中释放后细菌密度总是逐渐下降 ‘
, ,
可见 ,
释放 和释放化学物质有很大差异 , 其影响并不一定随
着时间的延续和离释放点距离的增加而减小 的存活
状况是风险评价的重要 内容
扩散和转运
如果 能扩散到释放 区 以外 , 并能够存活
,
将大大
增加了潜在的危险性 本身的运动能力很弱 , 但有很多
因素能影响转基因微生物的扩散 , 如昆虫
、
啮齿类 、 鸟类和人
的携带 、灌溉系统的转运 以及风的影响等 细 菌可以 在空 气
中存活很长时间 , 因此可 以移动到离释放点很远的地方 , 有
的可随气流移动数百公里 , 由植物组织和土壤颗粒携带的细
菌还可以移动得更远
释放规模和频度
控制的持久种群的建立是 环境释放起作用
的前提
,
大多数生物种群都存在一个阂值 , 当密度低于 阑值
时 , 种群就会灭绝 因此 , 释放规模 包括释放密度和地理范
围 对 种群建立有极大的影响图 大种群 即可 以抵消
捕食或其它原因导致的高死亡率 , 又可 以提供足够的遗传变
异 , 从中选择能够适应新环境的基 因 型 由于不 同的
建立种群所需的最低有效接种浓度差异很大 , 对不 同
的环境释放效应应作具体评价 ” 释放频度也会影响生物体
建立种群的能力 频繁地释放使更多的个体寻找到适合于繁
殖和建立种群的环境 , 从而使存活的个体数达到阑值 此外 ,
释放方式 、 释放的季节和环境条件也有很大的影响 可
以经注射进人植物的木质部 , 也可 以用喷雾或与土壤混合的
方法释放 , 不同的初始条件影响种群能否建立
潜在的生态影响
生态系统都具有一定的结构 并且这些结构可以产生特
定的功能 因此 , 在评价 对生态系统的影响时 , 必须同
时考虑结构和功能两个方面 如果引人的 有很高的适
合度并能在生态系统中转移 , 就容易造成土著种群的替换 ,
产生复杂的生态效应 , 如营养循环的改变〔‘ “
自然微生物群落中许多“ 多余成分 ” , 即与
许多物种起相似的生态作用 因此某些 自然物种被替换 , 对
整个生态系统来说并不会造成太大的影响 但是 , 这些功能
等价的物种其它的生态特性是存在差异的 对生态系
统功能的影响很难预测和评价 , 到 目前为止还没有观察到
对生态系统产生明显的负作用 生态系统中需要检测
的环境参数很多 , 包括酶和营养物浓度 、生产量 呼吸量的比
率以及 变化等 , 不同的 有不同的功能影响 , 因此参
数的选择往往依赖于 的构建及其目的 生态系统中哪
些环境参数需要检测 , 在特定情况下某一参数的“ 正常值 ”该
取多少 , 目前还没有一致的意见
生态学研究中应采取的策略方法
将安全性问题放在首位
都有其特定的生态学特征和 生态影响 , 并且基 因
工程产生的新事物通常是在不同情况下分别被逐渐培养出
来 , 并被分别释放到不 同的环境中去 这些都决定了基因工
程微生物生态学研究宜采取“ 具体问题具体分析 ,
’的策略 , 即
在投放于 田间试验之前 , 应根据其物种特征和其它生
物学性状 , 以及在实验室受控条件下所获得的该生物种的有
关知识 , 制定相应具体的研究方案 , 控制其潜在的生态影响 ,
安全和有效地应用
,
人们对基因工程产生的新生物给予极大的关注 , 主要集
中在应用的安全性问题 , 即它们在非受控条件下使用 , 是 否
会给环境和人类健康等方面带来危害田
, ‘“ 〕 生态风险
评价研究的一个主要 目的就是研究特定 的生态安全
性 , 将安全性放在首位有两方面的含义 一是对于 即将投人
野外实验和应用的 来说 , 应首先重点研究其与生态安
全性有关的问题 二是对于处在实验室研究阶段的 来
说 , 对其进行有关生态学研究时 , 必须把实验设施和实验方
法的安全性问题放在首位加以考虑 , 防止这些生物体扩散或
逃逸到 自然环境中去 ‘
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注重对导人基因前的原有物种的生态学研究
通过重组 技术 , 将具有一定特性的某种基因导人
到特定的生物种中 , 使该物种除具有其原来的生物学特征和
功能外 , 还获得了山导人基因所赋予的独特生物学性状一
般而言 , 基因工程 生物体与原物种基本相似 了解 在
特定生态系统中的行为 , 应首先研究和了解基因工程前的原
生物体在该生态系统中的行为和特征 这将为研究和认识
的生态特征提供重要基础〔‘ 〕
利用微宇宙法 研究 生态学
微宇宙即模拟生态系统 , 也称微生态系统
、
人工生态系
统
、
实验室生态系统和组合生态系统等 也可定义为将 自然
环境的某一部分至于受控条件下 , 保持天然生态系统复杂特
性的可应用 、 可重复的实验系统 目前 , 微宇宙在环境研究中
的应用 日益受到重视 美国投入实验运行的“ 生物圈一 ”实验
系统可称为是当今耗资最大和最复杂的微宇宙
等 建立了陆地微宇宙用 以估价化学物质或 环境释
放的命运和风险
释放于环境 中的 初期往往数量较少 , 未建立种
群 , 不易检出 而且野外自然规模试验经费太高 , 还存在许多
应 用 生 态 学 报 卷
不明的相互关系 为了评价 的生态影响 , 需有一种 比
传统的单一物种试验更为完善的试验系统 许多学者普遍认
为微宇宙法是摆脱这一困境的途径 , 是介于传统的单一物种
试验和野外 自然规模试验之间的理想试验手段 其优越性在
于能提供受控试验系统内共存的多种生物资料 体积小 , 可
以重复试验 实验参数清楚 有真实的物理 、 化学和生物相互
作用 可估价生态影响和所释放的 的命运 微宇宙和
整个装置可以灭菌 , 可安全地接种小量或大量的微生物以进
行实验 此外 , 在微宇宙中可方便地进行许多环境参数的研
究 , 用以评价 释放的生态风 险评价 但微宇宙法还 有
一些不足 由于天然生态系统的复杂程度和时空的不同 , 往
往使微宇宙试验结果无法被以后的实验所验证 , 因而也难以
将已知的微宇宙试验结果应用于天然生态系统 , 使微宇宙法
的应用受到限制 ‘, 〕
结 语
目前 , 我国基因工程微 生物生态学研究发展 比较迅速 ,
已将大量 释放到环境中
,
但对 的生态学和释放
到环境后的安全性研究做的很少 , 因此有必要加强 的
生态学和风险评价的研究工作 我国生物工程安全委员会虽
已制定了有关控制 释放的条例
,
但涉及到具体应用于
控制我国基因工程生物的释放时 , 还需要对每种 目的的基因
工程生物进行系统的生态学研究 , 并建立准确的评价标准和
检测手段 因此 , 这项研究不仅具有重要的理论和实际意义 ,
而且有助于 我 国基因工程 的健康发展
, 应尽快地制订有关
野外实验和应用的相关措施
参考文献
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作者简介 靳素英 ,
物化学 、微生物工程
论文 余篇
女 , 年生 , 高级实验师 , 一直从事生
、转基因微生物等方面的研究工作 , 发表