全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 5期
转基因作物非预期效应与自然变异的比较和鉴别
邓平建 1 周向阳 2 杨冬燕 1 王学林2 侯红利 2
杨永存1 吴水清 2 张海龙 1 杨小柯 1
( 1深圳市疾病预防控制中心,深圳 518055; 2深圳市农作物良种引进中心,深圳 518040)
摘 要: 筛查转基因作物非预期效应遇到的最大难题是难以鉴别其非预期效应和自然变异。从转基因作物非预期效
应与自然变异的发生机制、食用安全风险和遗传特性的比较分析阐述两者在发生机制及遗传特性方面的差异和特征, 为设计
减少自然变异干扰的非预期效应筛查模式和方案提供重要启示。
关键词: 转基因作物 非预期效应 自然变异 鉴别
Comparison and Identification of Unintended Effect and
Natural Variation for GeneticallyM odified Crops
Deng P ing jian
1
Zhou X iangyang
2
YangDongyan
1
W ang Xuelin
2
H ou H ongli
2
Yang Yongcun
1
Wu Shuiqing
2
ZhangH a ilong
1
YangX iaoke
1
(
1
Shenzhen Center for D isease Control and Prevention, Shenzhen 518055;
2
Center for Quality Crop Seed of Shenzhen Municipality, Shenzhen 518040)
Abstrac:t Identify ing un intended effects from natural variation is the m ost difficu lt problem in safety eva luation o f transgen ic
crops. The review comparative ly ana lyzed them echanism, g enetic character istics and food safe ty r isk of unin tended effects and natura l
va riation. The analysis on the d iffe rence in m echan ism and gene tic charac teristics betw een un intended effect and na tura l variation m ay
prov ide som e im portant insp irations for the screening and iden tification of un intended e ffect.
Key words: T ransgen ic crops Unintended effect N atu ra l v ariation Identification
收稿日期: 20101202
基金项目:转基因生物新品种培育重大专项 ( 2009ZX08001023B )
作者简介:邓平建,男,硕士,主任技师,研究方向:转基因生物安全性检验与评价; Em ai:l szdp j2002@ 163. com
转基因作物的食用安全性评价主要包括两个部
分的内容,一是外源基因表达产物对食用安全性的
影响;二是非预期效应对食用安全性的影响。与前
者相比,后者有几个显著的特性 [ 1] : ( 1)多样性。相
同的外源基因,用相同或者不同的方式,导入相同或
者不同的受体作物可能导致不同的非期望效应。但
相同的外源基因,无论以何种方式导入何种受体作
物只可能产生相同的表达产物; ( 2)不可预见性。
外源基因的整合可能影响转基因作物哪些宿主基
因,受其影响的宿主基因的转录、表达和代谢行为可
能发生什么变异,以及这些变异可能对转基因作物
的食用安全产生怎样的影响往往都是无法预测的。
但外源基因整合后可能表达何种产物是已知的,并
且外源基因表达产物对转基因作物食用安全性的影
响是确定的; ( 3)隐蔽性。转基因作物是否发生非
期望效应往往不易察觉。但外源基因是否表达则有
明显的标志;上述特性使非预期效应在转基因作物
的食用安全性评价中受到更多的关注。各国际组
织, 如世界粮农组织和世界卫生组织 ( FAO /WHO )、
经济合作发展组织 ( OECD )、联合国食品法规委员
会 ( CAC )、欧盟 ( EC )等, 虽然对转基因作物非预期
效应的定义并不完全相同,但普遍认为,非预期效应
可能是影响转基因作物及其产品的食用安全, 尤其
是潜在的及长期的食用安全最重要的因素 [ 2- 5]。随
着对转基因作物非预期效应关注程度的不断提升,
转基因植物非预期效应筛查和评价技术的研究不仅
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 5期
是转基因食品安全风险评估研究领域的主要课题,
还逐步成为转基因植物育种研究领域的热点课题。
一方面,研究者希望利用这项技术从备选的转化对
象中筛选出非预期效应较少,或者非预期效应对食
用安全性影响较小的转基因植株;另一方面,研究者
希望利用这项技术从备选的转化方案中筛选出能有
效减少非预期效应的发生, 或者能有效控制所产生
的非预期效应类型的转化技术及程序 [ 6]。
根据实质等同性原则,转基因作物非预期效应
评价的第一步是鉴别除与外源基因相关的目标性状
外,转基因作物与受体作物的其他性状是否还存在
差异。如果发现性状的变异,则需要检验性状的变
异对食用安全性的影响 [ 5, 7]。然而, 使转基因作物
产生性状变异的因素绝不仅限于非预期效应。在转
基因作物生长发育的各个阶段中, 自然变异现象不
仅普遍存在,而且常常与非预期效应相互混杂,使之
难以辨别 [ 4, 6]。由于无法分辨转基因作物的非预期
效应与自然变异,早期的转基因作物食用安全性评
价个案将所有的性状变异全部归因于非预期效
应 [ 8- 10] ;在近期的转基因作物非预期效应评价个案
中,无论是采用定向筛查方案还是采用非定向筛查
方案 [ 11- 16] ,都开始充分考虑自然变异现象对筛查的
干扰。但所有的个案均未能获得确认任何一种转基
因作物发生了非预期效应的试验证据 [ 17 - 23 ]。是接
受评价的转基因作物没有发生非预期效应, 还是现
行的筛查方案无法发现转基因作物所发生的非预期
效应, 对这些个案筛查结果的分析表明,接受定向筛
查的转基因作物,其营养成分和抗营养因子的含量
并非与用于比较的受体作物没有差异, 而是转基因
作物与受体作物之间差异的程度远小于受体作物商
业品种之间的差异的程度, 故认为转基因作物与受
体作物之间的差异来自自然变异, 判定接受评价的
转基因作物没有发生非预期效应;同样,接受非定向
筛查的转基因作物,其蛋白质谱、代谢物谱或基因表
达谱并非与用于比较的受体作物没有差异, 而是转
基因作物与受体作物之间差异的程度亦远小于受体
作物商业品种之间的差异的程度, 因此也认为转基
因作物与受体作物之间的差异来自自然变异, 判定
接受评价的转基因作物没有发生非预期效应。
通过对现有评价个案的分析, 发现普遍存在着
一种值得注意的偏向,就是将转基因作物的非预期
效应与自然变异混为一谈。早期是将自然变异归为
非预期效应, 近期是将非预期效应归为自然变异。
早期的偏向导致对非预期效应影响程度的夸大评
估, 也无端增加了公众对非预期效应的忧虑;而近期
的偏向则导致对非预期效应影响程度的严重忽略,
甚至误导公众认为转基因作物非预期效应的发生概
率及影响程度并不见得高于传统作物。由此可见,
如果不能有效消除自然变异的干扰, 转基因作物非
预期效应的筛查与评价将无法实现 [ 12]。而消除自
然变异干扰的关键是从筛查发现的差异中, 鉴别哪
些是非预期效应导致的差异, 哪些是自然变异导致
的差异。要解决这一难题需要全面比较和认知转基
因作物非预期效应与自然变异的特征。
1 转基因作物非预期效应与自然变异发生
机制的比较
非预期效应是在转基因作物安全性评价中首先
提出的一个概念 [ 24]。此前,人们习惯于用自然变异
来表述作物性状的非预期变异。自然变异是包括植
物在内的所有生物的一种自然属性和常见现象。现
已清楚,自然变异的相关因素通过 3种机制导致植
物的性状发生变异 [ 5, 6, 25] : ( 1)遗传重组: 在有性生
殖过程中,父母亲本的基因通过连锁互换、自由组
合、转座插入和随机交配等形式重新组合,使每个后
代具有不同的基因型; ( 2)突变:包括基因突变和染
色体突变。基因突变通过碱基对的替换、颠换或移
码突变使基因中的核苷酸序列发生改变。染色体突
变既可通过体细胞加倍、未减数配子融合和多精受
精等形式使染色体的数目发生改变,亦可通过缺失、
重复、倒位和易位等形式使染色体的结构发生改变;
( 3)环境饰变: 外部环境因素的作用使基因型相同
的个体形成不同的表型。
在转基因作物中,除上述自然变异相关因素外,
还增加了一类使其性状发生非预期变异的因素, 这
就是基因操作的相关因素。最新的研究结果认为,
基因操作的相关因素可通过以下 3种机制导致转基
因作物的性状发生非预期变异 [ 6, 26 ] : ( 1)转化效应:
将 TDNA( transferDNA,内含外源基因及调控序列 )
导入宿主细胞或组织产生转化体, 以及转化体通过
组织培养产生转基因再生植株等操作使宿主体细胞
2
2011年第 5期 邓平建等:转基因作物非预期效应与自然变异的比较和鉴别
的组成及结构发生的非预期变异; ( 2 )插入效应:
TDNA插入宿主基因组使宿主基因及调控元件的结
构及功能发生的非预期变异; ( 3)位置效应: 导入的
外源基因与宿主基因的相互作用使双方基因的功能
发生的非预期变异。上述这些由基因操作的相关因
素导致的转基因作物的性状发生偏离其预期目标的
变异就称为非预期效应。
虽然自然变异与非预期效应的发生机制不同,
或者不完全相同,但它们所产生的后果和表现却非
常相似,甚至是相同的。以基因突变或染色体变异
为例, 由转化效应导致的这类变异称为非预期效应,
而由自然因素导致的这类变异则称为自然变异。但
无论是转化效应还是自然因素所导致的这类变异,
如果发生在同一株转基因作物之上其后果和表现往
往难以分辨。相似的例子还有许多, 如外源基因的
插入效应和遗传重组的转座插入都可能使宿主基因
的结构受到相似的破坏; 外源基因的位置效应和环
境饰变作用都可能使宿主基因的表达受到相似的影
响。所以,仅从后果和表现是难以鉴别非预期效应
与自然变异的。
通过非预期效应与自然变异发生机制的比较可
以发现,转基因作物的非预期效应是由基因操作的
相关因素,如转化事件、外源基因、TDNA插入位点
和拷贝数等导致的宿主遗传性状和表型性状的非预
期变异。转基因作物非预期效应的发生及表现与基
因操作的相关因素具有特定的对应关系, 基因操作
相关因素相同的转基因植株发生相同的非预期效
应,基因操作相关因素不同的转基因植株发生不同
的非预期效应。如同一株系的转基因作物, 其每一
个体来自同一转化事件, 并且采用相同的外源基因
和具有相同的 TDNA插入位点和拷贝数,每一个体
可能发生的非预期效应都是相同的; 反之,不同株系
的转基因作物,即使各个株系来自同一转化事件和
采用相同的外源基因,但各株具有不同的 TDNA插
入位点或拷贝数,各株可能发生的非预期效应都是
不同的。对于同一物种不同品系的转基因作物,它
们的转化事件、外源基因及 TDNA插入位点均不相
同,它们可能发生的非预期效应更不相同。然而,自
然变异的发生及表现则与基因操作的相关因素没有
对应关系。品系或株系不同的转基因作物可能发生
的自然变异取决于其他条件, 如物种的遗传特性以
及外部的环境因素。另外, 基因操作的相关因素只
存在于转基因作物中,而自然变异的相关因素存在
于包括转基因作物在内的任何作物中。因此, 导致
转基因作物性状变异的因素既有基因操作的相关因
素, 也有自然变异的相关因素。换言之,在转基因作
物中,既可能发生非预期效应, 亦可能发生自然变
异。然而, 在非转基因作物,如受体作物中,不存在
基因操作相关因素的作用, 只有自然变异相关因素
的作用,故非转基因作物只可能发生自然变异。
2 转基因作物非预期效应与自然变异食用
安全风险的比较
现有的传统农作物经过漫长的驯化过程, 其遗
传物质的组成和结构已经相当稳定, 而且维持其遗
传性状稳定的机制,尤其是对不同物种间遗传物质
交换的屏障机制也已经相当成熟,否则,在传统的农
作物遗传育种中人们将无法获得性状持续稳定的继
代作物。传统农作物的自然变异就是在这样一种基
础上发生的。遗传重组和突变虽然可以改变作物遗
传物质的组成和结构,但在正常的自然条件下和相
对较短的育种过程中,其造成的改变程度和范围是
有限的。例如,由于传统的农作物居群的每一个体
基因型的等位基因的杂合性普遍很低,通过遗传重
组在居群内产生具有显著的遗传差别的新个体的概
率一般较低。同样,在正常的自然条件下,作物的基
因突变以稳定而可预测的速率发生,每 104 - 106个
基因拷贝中大约有一个基因突变, 平均突变率仅约
为 10- 5左右。因为传统农作物利用自然选择集合
了有利的遗传物质的组成和结构, 随机改变其中某
一部分,或某一基因,将破坏生物体内各种生化反应
的协调和平衡,降低个体的适应性。即便由于外部
环境及条件的剧烈变化, 或者由于自然变异的不断
积累可能导致传统农作物性状发生显著改变, 只要
这些显著改变一旦发生, 自然选择或人工选择就会
将带有这些变异的传统农作物株剔除。
基因操作利用非自然的条件突破作物的屏障机
制将其他物种的遗传物质导入传统农作物。转化体
借助非自然的条件得到选择和存活。正如 EU所定
义的一样 [ 27 ] ,转基因生物是 以一种在自然交配或 /
和自然重组中不可能发生的机制改变了遗传物质的
3
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 5期
生物。转基因作物打破了受体作物长期形成的遗
传物质组成和结构的平衡和稳定。虽然还没有统计
学或试验数据证明转基因作物发生自然变异的概率
一定高于相应的受体作物,但是,基因操作是一类使
其性状发生非预期变异的新增加因素, 故转基因作
物的非预期效应是在相应的受体作物自然变异的基
础上新增的变异。即便转基因作物与相应的受体作
物自然变异的发生概率相同或相近, 由于非预期效
应的存在,也可以认为基因操作使转基因作物比相
应的受体作物增加了新的食用安全风险因素。虽然
转基因作物的非预期效应对食用安全的影响范围及
程度不一定强于自然变异, 但如果没有非预期效应,
这种影响就不存在,相应的受体作物永远不可能发生
这类风险。转基因作物非预期效应新增加的食用安
全风险表现在两个方面:一方面,非预期效应可能使
某些受自然变异影响的性状的变异程度提高。例如,
扩大某些宿主成分含量的变化幅度,或者, 扩大某些
宿主基因表达水平的变化幅度;另一方面, 非预期效
应可能使某些原来不受自然变异影响的性状发生变
异。例如,激活某个或者某些原来不发生表达的宿主
基因。从食用安全风险的角度分析,非预期效应的后
一种表现的风险度可能更高。因为在正常条件下作
物基因组中仅有 10% - 15%的基因发生表达,其他基
因则处于沉默状态。而在这些沉默的基因中,包含了
众多未知功能及产物的基因。这些基因一旦被激活,
可能增加一些未知性状的表达产物及代谢产物 [ 12]。
按照 OECD的实质等同性原则 [ 28] , 转基因作物
与传统农作物的食用安全性的等同程度, 取决于转
基因作物与相应的传统农作物性状的等同程度。如
果以食用安全风险等级评估转基因作物的食用安全
性,转基因作物与相应的受体作物性状的等同程度
越高, 则两者的食用安全性风险等级就越接近,两者
的食用安全性的等同程度也越高, 反之亦然 [ 29, 30 ]。
通过对转基因作物非预期效应与自然变异食用安全
风险的比较可以发现, 非预期效应是在自然变异基
础上新增的变异,从而使转基因作物比相应的受体
作物增加了新的食用安全风险因素。如同外源基因
使转基因作物增加的新产物必须接受食用安全性评
价一样,基因操作相关因素使转基因作物增加的新
变异也必须接受相应的食用安全性评价。而自然变
异则不同,自然变异并不属于转基因作物新增的变
异, 更不属于转基因作物特有的变异,而是作物普遍
存在的天然属性。如同现行的食品安全标准并不针
对传统农作物所含有的天然生物毒素、致敏成分或
抗营养因子提出相应的要求一样, 对传统农作物的
自然变异也无须进行相应的食用安全性评价。一直
以来,不少人质疑为什么转基因作物的非预期效应
就必须接受安全风险评价, 而转基因作物或传统农
作物的自然变异则无须接受安全风险评价呢? 如上
所述也许是解答这一问题可以接受的重要理由。并
不是自然变异不会影响传统农作物或转基因作物的
食用安全性,也并不是自然变异对食用安全性的影
响程度与非预期效应相比显得无足轻重。
3 转基因作物非预期效应与自然变异遗传
特性的比较
转基因作物的培育过程经历两个典型的阶段
(图 1) [ 31]。在第一阶段中,通过各种转化方法将外
源基因导入宿主细胞或组织获得转化细胞或转化体,
以及转化体通过组织培养产生转基因作物的再生植
株。这一阶段为植物的无性生殖过程;在第二阶段
中,通过再生植株的连续传代和回交直至获得转基因
作物的纯合植株。这一阶段为植物的有性生殖过程。
在第一阶段,作用于宿主的因素包括基因操作所
有的相关因素和自然变异的部分因素。基因操作相
关因素的共同作用决定了转基因作物再生植株的基
因型,包括外源基因的插入位点和拷贝数,也包括组
织培养过程可能造成的无性系变异,如染色体数目变
异、结构变异,核基因的扩增和丢失、突变重组等。从
而形成了基因操作相关因素对宿主的作用方式及作
用程度,也确定了各个再生转化植株可能发生的非预
期效应的形式及程度。而在自然变异的相关因素中,
由于该阶段为无性生殖过程,必须通过有性生殖才能
实现其作用的遗传重组对形成再生转化植株的基因
型并未施加作用。只有环境饰变对宿主发生了作用,
但其作用不会影响再生转化植株的基因型。而且环
境饰变的作用方式及作用程度不会发生遗传。
然而,在第二阶段, 即从再生转化植株到获得纯
合的继代转化植株的漫长过程中, 对转化植株没有
施加新的基因操作,基因操作相关因素对宿主的作
用方式及作用程度遗传自再生转化株。因此, 转化
4
2011年第 5期 邓平建等:转基因作物非预期效应与自然变异的比较和鉴别
植株在第二阶段所发生的非预期效应基本上是其第
一阶段非预期效应的延续。随着转化植株通过有性
生殖的方式开始连续的传代和回交, 自然变异的遗
传重组和突变作用开始对宿主施加影响。同时,环
境饰变也继续对宿主发生作用。自然变异不仅可能
通过环境饰变作用改变宿主基因的表达水平, 还可
能通过遗传重组和突变作用改变转化植株宿主基因
及外源基因的结构,从而改变转化植株的遗传性状
和表型性状。遗传重组和突变作用造成的变异不仅
会通过遗传在继代中表现,还会在继代中不断积累。
a.从供体生物分离一个或几个目的基因; b.克隆至合适的载体; c.转入受体生物; d.选择受体植物细胞,再生得到完整的转基因植
株; e.最后,获得的转基因植株与其他先前改造过的植株杂交。在整个过程中,从各种水平分析再生株及其继代株
图 1 产生转基因作物的主要步骤 [ 31]
上述分析结果表明,在第一阶段,导致再生转化
植株性状变异的主要因素是基因操作的作用,次要因
素是自然变异的环境饰变的作用。在第二阶段,导致
继代转化植株性状变异的因素包括基因操作和自然
变异的作用。基因操作的作用形成于第一阶段的再
生株,并遗传至第二阶段的各世代; 自然变异的作用
有两类,一类为可遗传的作用, 如遗传重组和突变。
这类自然变异的作用发生、形成和发展于第二阶段的
各世代。另一类为不可遗传的作用,如环境饰变。环
境饰变的作用在第一、二阶段的各世代普遍发生,但
各代植株所发生的环境饰变仅在当代表现,不发生遗
传。表 1通过比较基因操作和自然变异对同一株系
各世代转基因植株中所产生的作用及其传递关系,分
析转基因植株非预期效应与自然变异的遗传特性。
表 1 转基因植株非预期效应与自然变异遗传特性的比较
因素类型 作用方式 对同一株系各世代转基因植株所产生的作用及其传递关系再生株 继代株
基因操作 转化效应
插入效应
位置效应
对宿主产生作用, 导致发生非预期效应, 且
作用方式及作用程度可遗传至继代株
对宿主的作用方式及作用程度遗传自再生株, 所发
生的非预期效应的方式及程度延续自再生株
自然变异 环境饰变
遗传重组
基因突变和染色体变异
对宿主产生作用, 导致发生自然变异,但作
用方式及作用程度不可遗传至继代株
对宿主未产生作用
对宿主未产生作用
对宿主产生作用,导致发生自然变异,但作用方式及
作用程度与再生株没有传递关系
对宿主产生作用,作用方式及作用程度在除再生株
外的各世代间有传递关系
5
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 5期
通过非预期效应与自然变异遗传特性的比较和
分析可以发现, 对于同一株系各世代的转基因植株
来讲, 再生株所发生的性状变异中,只有基因操作导
致的性状变异, 即非预期效应可能遗传至继代株。
而继代株所发生的性状变异中, 非预期效应基本上
延续自再生株。自然变异可能会改变再生株非预期
效应遗传至继代株的程度,例如, 自然变异破坏了外
源基因的结构, 或者改变了外源基因的插入位点及
拷贝数,如常见的外源基因的整体排出、表达沉默、
位点转换或甲基化等。
现象,或者自然变异修复了由转化效应破坏的
宿主细胞遗传物质的结构及形态, 都必然造成再生
株与此相关的非预期效应不能遗传至继代株。由此
可以预测,就非预期效应的范围和程度而言,继代株
不可能超越再生株。因为继代株没有施加新的基因
操作, 而自然变异所导致的任何性状变异都不能称
之为非预期效应。
4 转基因作物非预期效应与自然变异的
鉴别
转基因作物非预期效应的筛查基本上是通过以
下方式实现的, 即通过转基因作物与参照作物的比
较, 发现两者存在差异的性状, 如含量有差异的成
分,或者表达水平有差异的基因等。如前所述,在转
基因作物中, 非预期效应常常与自然变异现象相互
混杂。而且它们所产生的后果和表现非常相似, 甚
至是相同的。因此转基因作物与参照作物存在差异
的性状既可能是基因操作造成的, 也可能是自然变
异造成的, 还有可能是上述两种因素共同造成的。
只要能够从筛查结果中鉴别哪些是自然变异的后果,
或哪些是基因操作的后果,都可以实现排除或者减少
自然变异对筛查转基因作物非预期效应干扰的目的。
目前,在转基因作物非预期效应筛查中普遍采用的策
略是,设法从筛查结果中鉴别和剔除自然变异的后
果。所采用的方法有单参照物法和多参照物法。
单参照物法是以一株非转基因作物为参照筛查
转基因作物非预期效应的方法。为了排除或减少自
然变异对筛查转基因作物非预期效应干扰, 对参照
物的选择和种植采取了严格的控制措施。一方面选
择与转基因作物的基因型尽可能接近的非转基因作
物,即除基因操作产生的改变外, 非转基因作物的遗
传物质的组成及结构与转基因作物基本相同或相
近,即基因型相同或基因型相近的父母株。同时, 控
制非转基因作物与转基因作物的种植条件尽可能接
近 [ 5, 7]。这样做的意图是使转基因作物与参照物所
发生的自然变异相同或相近。如果这一意图能够实
现,就能够从转基因作物与非转基因作物存在差异
的性状中剔除自然变异的后果。然而, 上述意图往
往是不能成立的。即便是选择受体作物作为参照
物,转基因作物与受体作物至少也存在着基因型和
表型的差异。即便在完全相同的外部条件下, 自然
变异对两者非目标性状的影响也不可能完全一致。
以最为常见的抗虫转基因作物为例, 在不施或者少
施杀虫剂的条件下,抗虫转基因作物能够正常生长;
而在相同条件下受体作物也许难以正常生长, 甚至
无法生存。在这种情况下, 受体作物与转基因作物
可能发生的自然变异必然不同。
多参照物法是以多株非转基因作物为参照筛查
转基因作物非预期效应的方法。用作参照的非转基
因作物包括受体作物以及同物种的非转基因作物。
首先获得这些参照物相关性状的自然变异范围。根
据转基因作物相关性状是否超出参照物的自然变异
范围, 判定转基因作物相关性状是否发生非预期效
应。例如,在转基因作物非预期效应的定向筛查中,
OECD和 ILSI等国际组织正致力于逐个建立每一种
经济作物成分的数据库, 标示各成分含量自然变异
的范围 [ 32 - 45 ]。如果转基因作物某一成分的含量超
过自然变异的范围,则可判定其发生了非预期效应。
受到技术条件的限制,目前转基因作物非预期效应
的定向筛查只能人为地选择某些在现有的技术条件
下可以准确测量其含量的植物成分, 如蛋白质、脂
肪、碳水化合物等宏量营养成分, 矿物质和维生素等
微量营养成分, 以及已知宿主存在的内源性抗营养
因子、毒性成分、致敏成分或生物活性物质作为评估
的参数。另外, 基于对转基因植物可能发生改变的
成分的预测, 再选择某些特殊组分作为特定评估的
标志 [ 3]。但是,按照植物拥有的基因数目估算,各种
植物都可能拥有数目巨大的组分种类。例如, 基因
数目最小的拟南芥有大约 25 000个基因,水稻有大
约 60 000个基因 ( www. ncb.i nlm. n ih. gov /entrez?
db= unigene) ,预计代谢产物的数目较基因数目小一
6
2011年第 5期 邓平建等:转基因作物非预期效应与自然变异的比较和鉴别
个数量级, 即拟南芥可能含有大约 2 500种代谢产
物,水稻可能含有大约 6 000种代谢产物。按此估计
植物界约有 80 000种代谢产物 [ 5 ]。面对数目如此之
大的代谢产物, 要想按照上述方案建立各种植物成
分及含量的数据库,在现有的技术条件下是不可能
实现的。
而在转基因作物非预期效应的非定向筛查中,
研究者通过筛查多个用作参照的非转基因作物之间
差异表达基因的数目, 以此作为自然变异的范围。
例如, 在超量表达谷麦蛋白的转基因小麦的评价个
案中, 受试的转基因小麦与传统栽培小麦比较,差异
表达基因的数目为 4- 154个, 而作为参照的传统栽
培小麦之间比较, 差异表达基因的数目为 26- 527
个 [ 22] ;在转基因大豆的评价个案中, 转基因大豆与
传统栽培种之间存在的差异表达基因的数目为
248- 290个,而作为参照物的传统栽培种之间存在
的差异表达基因的数目为 332个 [ 23] ; 在 MON810系
列转基因玉米 A ristis Bt和 PR33P67的评价个案中,
转基因玉米 A rist is B t与其参照物 A ristis比较, 差异
表达基因的数目为 307个, 转基因玉米 PR33P67与
其参照物 PR33P66比较,差异表达基因的数目为 25
个。但参照物 Aristis与 PR33P66之间的差异表达基
因为 693个 [ 29] ; 由于在上述个案中参照物之间差异
表达基因的数目大于转基因作物与参照物之间差异
表达基因的数目, 据此研究者认为接受评价的转基
因作物没有发生非预期效应。然而, 上述结论难以
令人信服。在转基因作物与非转基因作物之间检出
的差异表达基因中,包含了基因操作导致的差异表
达基因和自然变异导致的差异表达基因。而在非转
基因作物之间检出的差异表达基因则是由自然变异
导致的差异表达基因。由于转基因作物与转基因作
物之间,非转基因作物与非转基因作物之间,以及转
基因作物与非转基因作物之间所发生的自然变异不
可能相同,或者不可能完全相同, 因此自然变异对两
者何种宿主基因的表达水平产生影响都不可能相
同,或者不可能完全相同。在此情况下, 在非转基因
作物之间检出的差异表达基因并不等同于在转基因
作物与非转基因作物之间检出的由自然变异导致的
差异表达基因。故想通过两者存在的差异表达基因
数目的对比从筛查结果中鉴别和剔除自然变异的后
果也是难以实现的。
由此可见,现行的从筛查结果中鉴别和剔除自然
变异的策略遇到了极大的困难。在此情况下,能否另
辟蹊径,采用新的策略和设计新的模式,破解鉴别转
基因作物非预期效应与自然变异的难题,值得进一步
的研究和探索。本研究所讨论的非预期效应与自然
变异在发生机制及遗传特性方面的差异和特征, 也许
能为相关的研究和探索提供一些有益的启示。
5 结论
( 1)非预期效应可能是影响转基因作物及其产
品的食用安全, 尤其是潜在的及长期的食用安全最
重要的因素。筛查转基因作物非预期效应遇到的最
大难题来自自然变异的干扰。在转基因作物生长发
育的各个阶段中,自然变异现象不仅普遍存在,而且
常常与非预期效应相互混杂,使之难以辨别。如果
不能有效消除自然变异的干扰, 转基因作物非预期
效应的筛查与评价将无法实现。
( 2)通过非预期效应与自然变异发生机制的比
较可以发现, 转基因作物非预期效应的发生及表现
与基因操作的相关因素具有特定的对应关系, 而自
然变异的发生及表现则与基因操作的相关因素没有
对应关系。
( 3)通过非预期效应与自然变异食用安全风险
的比较可以发现, 非预期效应是在自然变异基础上
新增的变异, 从而使转基因作物比相应的受体作物
增加了新的食用安全风险因素。如同外源基因使转
基因作物增加的新产物必须接受食用安全性评价一
样,基因操作相关因素使转基因作物增加的新变异
也必须接受相应的食用安全性评价。
( 4)通过非预期效应与自然变异遗传特性的比
较可以发现, 对于同一株系各世代的转基因植株来
讲,再生株所发生的性状变异中, 只有基因操作导致
的性状变异, 即非预期效应可能遗传至继代株。而
继代株所发生的性状变异中, 非预期效应基本上延
续自再生株。就非预期效应的范围和程度而言, 继
代株不可能超越再生株。因为继代株没有施加新的
基因操作, 而自然变异所导致的任何性状变异都不
能称之为非预期效应。
( 5)现行的鉴别转基因作物非预期效应与自然
变异的策略是基于从筛查结果中识别自然变异的后
7
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 5期
果。常用的方法有单参照物法和多参照物法。单参
照物法试图通过采取严格的控制措施选择和种植参
照作物, 使之与转基因作物所发生的自然变异相同
或相近; 而多参照物法则试图通过多种参照作物的
相互比对获得相关性状自然变异的范围。但是上述
策略和方法均遇到了极大的困难。
( 6)本研究所讨论的非预期效应与自然变异在
发生机制及遗传特性方面的差异和特征, 可为开展
转基因作物非预期效应筛查新策略和新模式的研究
设计提供有益的启示。
参 考 文 献
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(责任编辑 马鑫 )
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