全 文 ：基因工程微生物生态学研究进展 3
靳素英1 　张嘉治2 3 3 　王颜红1 　孟书颖3
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016 ;2 沈阳农业大学 ,沈阳 1101613 ;3 沈阳市产品质量监督检验所 ,沈阳 110015 )
【摘要】　基因工程微生物 (genetically engineered microorganism , GEM)生态学的研究已成为微生物分子生
态学的一项主要研究内容之一. 随着分子标记和分子生物学检测手段的引入 ,传统的微生物生态学研究被
注入了新的活力 ,在分子水平上探讨基因工程微生物与环境及环境中土著生物之间的关系已成为可能. 基
因工程微生物生态学是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. 本
文提出加紧进行转基因生物生态学和转基因生物的风险评价的研究工作 ,建立适合中国国情的检测手段
和评价标准 ,有助于我国基因工程微生物生态学的健康发展.
关键词 　基因工程微生物 　生态学 　分子生物学
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 02 - 0293 - 03 　中图分类号 　Q938. 1 　文献标识码 　A
Advances in studies on genetically engineered microorganism ecology. J IN Suying1 , ZHAN G Jiazhi2 , WAN G
Yanhong1 , MEN G Shuying3 (1 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 ,
China;2 S henyang A gricultural U niversity , S henyang 110161 , China ;3 Institute of Monitor and Checkout of
Production in S henyang , S henyang 110015 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (2) :293～295.
Genetically engineered microorganism ecology has been one of main research contents in microorganism molecular
ecology. Along with the introduction of molecular marker and molecular biology ,traditional microorganism ecolo2
gy has been developed ; therefore , it is possible to study the relationship between GEM and environment , envi2
ronmental microorganism under molecular level. The GEM ecology has become a new and intersection borderline
discipline , related to molecular biology , microbiology , ecology and so on. Moreover , it brought forward that the
prosecution of the research on the transgenic organism ecology and the risk assessment , and the foundation of
checking means and valuating standard that adapt to the situation of China could help to the development of
GEM ecology in China.
Key words 　Genetically engineered microorganism ( GEM) , Ecology , Molecular biology.
3 中 国 科 学 院 陆 地 生 态 过 程 重 点 实 验 室 基 金 资 助 项 目
( K09WK10980911) .3 3 通讯联系人.
2002 - 10 - 31 收稿 ,2002 - 12 - 05 接受.
1 　引 　　言
现代生物技术为人类展示了美好的发展前景 . 各国科学
家利用重组 DNA 技术在实验室构建了许多具有广阔应用前
景的基因工程微生物 ,其中有些将被释放于环境以改善农田
或环境的质量. 然而 ,许多科学家担忧释放于环境的基因工
程微生物可能会对生态环境构成潜在的威胁 ,而且大量远缘
物种基因重组会打破物种的界限 ,而影响自然进化历程. 由
于在环境中引入的转基因生物具有全新的性状 ,可能对群落
结构和生态系统的功能造成影响. 有的生态学家甚至预言转
基因生物的释放将带来“不可避免的环境灾难”. 而另一些科
学家 ,尤其是分子生物学家则坚信生物技术产品是安全的 ,
出现这种灾难的机会极其微小. 由此产生了基因工程微生物
安全性的争论[1 ,10 ,16 ] .
已有不少文献专门讨论了转基因作物向环境释放后可
能存在的潜在危险 ,例如由于插入的基因 (如抗除草剂基因
等)通过花粉或种子传播造成的基因漂流 ,而产生了新的杂
草 ;或者转基因作物由于插入了某些性状 ,在一定的时空条
件下本身可能变为杂草 ;作为生物反应器以生产药物的转基
因作物被食草动物的误食 ,以及营养循环和地球化学过程的
改变等方面 ,可能对农田生态系统或自然生态系统造成各种
危险. 经过近 20 年的研究 ,对转基因生物的存活、定居、扩散
以及基因转移潜力等问题都有了更深的了解. 由于微生物具
有种类多、繁殖快、分布广、易培养、代谢能力强、容易发生变
异等特点 ,在基因工程上应用最为广泛 ,因此转基因微生物
的安全性研究也做得最多 [2 ,6 ,7 ,13 ,15 ] .
2 　基因工程微生物生态学研究的主要内容
211 　基因工程微生物学特征鉴定
　　对基因工程微生物进行生态学研究时涉及许多学科 ,包
括分子生物学、微生物学、遗传学、细胞生物学、进化生物学、
生理学、种群和群落生态学以及生态系统科学 ,其研究内容
包括 :转基因微生物及其亲本株的鉴定 ,存活和繁殖能力 ,扩
散到释放区外的潜力 ,释放规模和频度的影响 ,与其它生物
的相互作用 (包括遗传交换在内) 及其对生物群落和生态系
统的潜在影响等.
　　DNA 重组技术 (Berg 建立 ) , DNA 体外点突变技术
(Michael Smith 建立) 和 PCR 技术 ( Karymullis 发明) 已广泛
应 用 生 态 学 报 　2003 年 2 月 　第 12 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2003 ,14 (2)∶293～295
应用于分子生物学的研究 [28 ] ,使基因的引入及改变更加精
确. 科学家们有把握在基因重组中不发生意外变化. 然而 ,这
不能保证对基因工程微生物所有生态学特征都能给予预测 ,
也难以确保 GEM 构建的稳定性. 对 GEM 构建的遗传学评
价应考虑到任何插入基因组的外源 DNA 序列的来源、功能、
遗传稳定性以及监测标记的稳定性和可行性. 一般来说 ,外
源基因来源于无任何亲缘关系的物种 ,比来源于同一物种的
风险性要大得多. 如果转入基因能表达、合成新的基因产物 ,
它就更可能在生态系统中起新的作用. DNA 插入的位置十
分重要 ,插入某一功能基因内 ,会令其失活 ,往往会使菌种的
生存能力下降 ,在环境中竞争能力降低 [9 ,18 ,22 ,23 ] .
212 　转基因微生物的适合度和潜在的延迟效应
　　转基因微生物的适合度包括它在环境中的存活能力、繁
殖能力和竞争能力等等. 转基因微生物释放后如果需要起作
用 ,首先必须能够存活. 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 p H 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它已建
立了牢固生态位的土著菌的竞争. 此外 ,各种酶和抗生素也
会影响物种的存活 [12 ] .
　　人们常认为额外基因的加入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. 许多转基因微生物在土壤中的
实验都表明 ,释放后细菌密度总是逐渐下降. 但是也有例外
情况 ,Devanas[5 ] 等指出 ,在实验室条件下土壤及含盐环境
中 ,非关键的真核 DNA 插入到质粒 DNA ,对细菌的生存影
响很小 ,在首次的工程土壤细菌 ( Pseudom anus f luorescens 携
带外源 LacZY基因)田间试验中 ,发现释放的野生型和突变
株在 30 d 以后 ,数量上是一致的. 更例外的是 ,获得的外源
DNA 有时会加强细菌的竞争能力. Rartl 等发现 ,转座子 Tn5
及与其相关的 Is50 插入序列提高了插入菌株的生长速
度[19 ] .但到目前为止 ,人们还不知道这些例外现象的遗传和
生理学基础.
　　转基因微生物大田释放以后 ,一般都不希望它代替原有
物种或在环境中长期存留. 但实际上转基因微生物释放后是
很难消除的 ,即使适合度很低 , GEM 有时仍可以存留相当长
的一段时间. Colwell[3 ]将低于检测水平的少数个体仍可以存
留一段时间称为“可存活 ,但无法培养”,当环境条件适宜时
会突然萌发. 另外 ,释放基因工程微生物和释放化学物质有
很大差异 , GEM 的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. 许多类型的生态学效应可能是间接
的 ,需要一定的时间才能显现出来. 因此 , GEM 的存活及其
潜在的延迟效应是风险评价的重要内容之一 [4 ,15 ] .
213 　释放规模和频度
一般来说 , GEM 控制的持久种群建立是 GEM 环境释
放起作用的前提. 然而 ,有时将 GEM 设计成携带特殊职责 ,
只要求其在环境中存留短时间 ,然后消逝或衰退到很低的种
群水平. 大多数生物种群都存在一个阈值 ,当密度低于阈值
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 GEM 种群建立有极大的影响. 由于不同的 GEM 建
立种群所需的最低有效接种浓度差异很大 ,对不同微生物的
环境释放效应应作具体评价.
释放频度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繁殖和建立种群的环境 ,从而使存活的
个体数达到阈值. 此外 ,释放的方式、季节和环境条件都会影
响种群的建立.
214 　扩散和转运
如果转基因微生物能扩散到释放区以外 ,并且能够存
活 ,就大大增加了潜在的危险. 转基因微生物本身的运动能
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
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. 存活的丁香假单
胞菌 ( Pseudomonas suringae)密度随离喷雾点距离的增加呈
指数下降 ,而细菌在目标植物上的存活率比在邻近植物上高
10 倍以上. 但这方面的研究还很少.
215 　基因转移和遗传稳定性
在实验室条件下 ,细菌之间可以通过接合、转化、转导 3
种方式交换遗传信息. 在自然环境中 , GEM 同样可以通过这
3 种与土著微生物之间交换遗传信息. 环境中大多数细菌都
能与附近的细菌交换遗传信息 ,基因转移使引入环境的基因
工程微生物风险评价更加复杂 [19 ,21 ,25 ] .
要考察 DNA 是否具有潜在的从转基因微生物向土著细
菌转移的风险 ,必须考虑以下几个因素 :1) 用分子生物学技
术测定是否发生基因转移 ;2) 如果确实发生了基因转移 ,就
得考虑新产生的遗传信息是否能在细菌中保留和表达 ;3) 如
果能够保留和表达 ,必须评价对其它生物区系的影响.
质粒能够频繁地转移 ,不宜将这类基因微生物释放到环
境.但是 ,由于易于操作 ,质粒具有许多潜在的应用价值 ,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
是转基因生物安全性研究的中心问题 [26 ] . Kinkle[8 ]最近发现
在非灭菌的土壤中 ,以含质粒 r68. 45 慢生型大豆根瘤菌
USDA123 为供体 ,以多种大豆根瘤菌为受体 ,质粒的接合转
移率高达 9. 1 ×10 - 5 . Smit 等[20 ]也对环境种质粒的接合和
转移做了深入的研究. 质粒也可以通过转导和转化等方式发
生转移. 基因转移是制订转基因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 ,如自杀型载
体的应用 ,可以逐渐阻止重组 DNA 的转移. 比基因转移更重
要的是遗传信息的表达 ,而存活是表达的前提. 存活问题是
考虑转基因微生物效能的中心问题.
216 　潜在的生态影响
生态系统有两个基本特征 :1) 它们都有一定的结构 ;2)
这些结构可以产生特定的功能. 结构和功能具有密切的关
系 ,改变其中一个就会影响到其它. 因此 ,在评价转基因微生
物对生态系统的影响时 ,必须同时考虑结构和功能两个方
面.如果引入的转基因微生物有很高的适合度 ,并能在生态
492 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
系统中转移 ,就容易造成土著种群的替换 ,在微生物中尤其
容易发生此现象. 由此可能产生复杂的生态效应 ,如营养循
环的改变.
自然微生物群落中有许多“多余成分 ( redundancy)”,即
许多物种起相似的生态作用. 因此某些自然物种被替换 ,对
整个生态系统并不会造成太大的影响. 但不言而喻 ,这些功
能等价的物种的其它生态特性无疑是存在差异的. 到目前为
止还没有观察到转基因微生物对生态系统产生明显的负作
用.对生态系统中哪些环境参数需要检测 ,在特定情况下某
种参数的“正常值”该取多少 ,目前还没有一致的意见. 而参
数的选择往往依赖于转基因生物的构建及其目的 [24 ,27 ] .
3 　结 　　语
　　转基因生物是否安全 ,目前国际上还没有定论. 我国基
因工程研究发展比较迅速 ,已将大量转基因生物释放到环境
中.但对转基因生物的生态学和释放到环境中后的安全性的
研究很少 ,尤其是在生态系统水平上几乎还是空白.
　　深入研究转基因生物生态学 ,不仅可以减少转基因生物
向环境释放中的不确定因素 ,了解转基因生物释放后的竞争
以及建立种群的必要条件 ,帮助转基因生物在环境中建立种
群 ,而且对生物技术的应用有重要的推动作用 ,同时也有助
于新兴分子生态学的发展. 我国生物工程安全委员会已经制
订了有关控制我国转基因生物释放的条例 ,但是具体应用于
控制我国转基因生物释放时还需要对目的转基因生物进行
系统的生态学研究 ,建立适合中国国情的检测手段和评价标
准.综上所述 ,这项研究不仅具有重要的理论和实际应用意
义 ,而且时间十分紧迫. 为了有助于我国基因工程微生物的
健康发展 ,有必要加紧进行转基因生物生态学和转基因生物
的风险评价的研究工作 ,尽快制订有关基因工程生物体野外
实验和应用的相应措施.
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作者简介 　靳素英 ,女 ,1952 年生 ,高级实验师 ,一直从事生
物化学、微生物工程、转基因微生物等方面的研究 ,发表论文
20 篇. Tel :024223916245 ,23916106
5922 期 　　　　　　　　　　　　　　　　靳素英等 :基因工程微生物生态学研究进展