孙可兵
1 基因工程技术的基本原理
目前对基因工程尚无统一的公认定义，但一般认为基因工程技术是指将外源的核酸分子（目的基因)导入到原来没有这类基因的宿主生物体内，并能持续稳定地繁殖，从而使宿主生物产生新的性状。近代分子生物学在理论上的３大发现和技术上的３大发明对基因工程技术的诞生起到了决定性的作用。
1．1 基因工程技术的３大理论基础
20世纪40~60年代，分子生物学上的３大理论发现为基因工程技术奠定了理论基础。①是20世纪40年代Avery等人通过肺炎球菌的转化试验证明了生物的遗传物质是DNA、而且证明了通过DNA可以把一个细菌的性状转移给另一个细菌。这一发现被誉为现代生物科学的开端，也是基因工程技术的理论先导；②是20世纪50年代Watson和Crick发现了DNA分子的双螺旋结构及DNA半保留复制机理；③是20世纪60年代关于遗传信息中心法则的确立，即生物体中遗传信息是按DNA→RNA→蛋白质的方向进行传递的。
Avery等人关于DNA是遗传物质的发现和遗传信息中心法则的阐述，表明决定生物体具有不同性状的关键物质——蛋白质分子的产生是由生物体中所台有的DNA所决定的、因此可以通过对DNA分子的修饰改造改变生物的性状。根据DNA半保留复制的机理、对DNA分子的修饰改造可以通过DNA的复制进行传递。因此，上述3大理论发现为基因工程技术的诞生奠定了理论基础。
1．2 基因工程技术的3大技术基础
20世纪40~60年代的3大理论发现，虽然从理论上确立了基因工程的可能性，但在进行基因工程技术操作时，科学家还面临着3个基本技术问题：①是如何从生物体庞大的双链DNA分子中将所需要的基因片段切割下来；②是如何将所切刻下来的DNA片段进行繁殖扩增；③是如何将所获得的基因片段重新进行连接。20世纪70年代，由Smith、Khrana和Cohen等人发现的核酸限制性内切酶、DNA连接酶和可以作为基因工程载体的细菌质粒的发现，从技术上解决了上述3个问题，因而被认为是使基因工程从理论走向实践的3大关键性的技术发明。
2 转基因食品的研究进展
转基因作物，又称DNA重组作物，即利用基因操作技术将某种有特定功能的目的基因转到作物体内并使其在特定的器官中高效表达。利用基因工程技术改良作物的优点在于对植物基因型和表现型的改变更具方向性，而且不带有累赘基因。目前，基因工程技术已成功应用于50余种作物。对番茄、豌豆、胡椒、热带水果、椰莱、覆盆子、甜瓜的转基因目的是控制成熟，提高品质和加工性，延长货架期；番茄、马铃薯、玉米、蓖芭、咖啡、卷心莱和苹果的研究方向是增强抗虫性，减少杀虫剂用量；对于胡椒、马铃薯和黄瓜主要是增强其抗真菌性以减少抗真菌剂的用量；马铃薯、番茄、哈密瓜、黄瓜、玉米、油莱、大豆和葡萄的转基因目的是抗病毒，以减少病毒引起的病害；大豆、马铃薯、玉米、油莱和小麦引入的是抗除草剂基因；增加必需氨基酸、维生素和其他营养素也是玉米、向日葵、大豆和其他作物的转基因目标之一；增加不饱和脂肪酸含量，提高热稳定性是油莱、花生的发展方向3玉米、豌豆的另一转基因目的是控制糖类转化为淀粉，以期在整个货架期保持甜度；天然去咖啡因咖啡是咖啡转基因研究的主要目的。
目前，种植转基因作物的国家主要有美国、阿根廷、加拿大、澳大利亚、墨西哥、西班牙、法国、南非及部分欧盟国家。其中，美国是基因工程作物种植面积最大的国家，其转基因作物种植面积占世界总量的74％。迄今为止，广泛种植的转基因作物有延熟番茄、抗虫玉米、抗虫棉花、抗除草剂玉米、棉花、大豆、油莱等，其中转基因大豆和玉米分别占全球转基因作物种植面积的52％和30％(1998)。1999年，全球转基因作物种植面积达3．99×107hm2，其中18％在发展中国家，82％在美国和加拿大。
3 基因工程技术对绿色食品产业的影响
3．1 利用基因工程技术减少农药使用量
农作物在生长过程中容易受到致病菌及害虫的影响，因此在作物种植过程中往往需要使用大量的农药控制病虫害，这是造成食物中农药残留及环境污染的主要原因。如何减少农药的使用量是绿色食品生产中的一项关键技术。采用繁衍害虫天敌、诱杀或生物防治的方法虽然可以部分替代合成农药，但是最直接有效的方法是利用基因工程技术使作物获得抗病、虫的能力；目前已采用基因工程技术将各种抗病、虫基因转移到包括大豆、玉米、水稻等多种重要农作物中，利用转基因植物自身的能力抵抗外界病、虫的危害，从而达到减少农药使用的目的。1996年以来，仅北美地区由于采用转基因抗病、虫作物已使农用化学品的使用量减少了450万吨。与普通的大豆相比，种植转Bt杀虫蛋白基因的大豆可以使杀虫剂的用量减少80％。踞统计，1996~1998年之间，全球种植的转基因抗虫作物不但使产量提高了10％，而且减少了250亿元的杀虫剂使用量。由此可见，利用基因工程技术增强农作物品种对角虫害的抵抗能力、可以大大降低作物种植过程中农药的使用量，从而减少食物中的农药残留，并且能够产生良好的生态效益和经济效益，将是发展绿色食品的一个有效手段。
3．2 利用基因工程技术减少化学肥科施用量
植物生长过程中需要从土壤中吸取养分，为了满足植物生长的需要、提高产量、在植物的种植过程中，往往施用大量的化学肥料。其中提供氮素营养的化学肥料(如尿素、硫酸铵等)是使用员为广泛的一种。而在绿色食品的生产过程中提倡少使用或不使用包括氮肥在内的化学合成肥料。那么能否找到一种既不使用化学肥料又能使农作物获得高产的技术呢?基因工程技术给我们带来了希望。
很早之前人们就已发现，有许多细菌可以固定空气中的氮气，其中有一些可以和植物共生．这些细菌利用植物光合作用所固定的碳，向植物提供能被吸收利用的氮元素，因此可以在不施用化学氮肥的情况下，满足植物生长对氮元素的营养需求，这些能将空气中氮气(N2)固定转化为氨的细菌被称为固氮菌。自然状态下，只有大豆等少数几种经济作物能与固氮菌共生形成根瘤；现代生物技术的发展使人们燃起了把固氮微生物制成生物肥料的希望。目前科学工作者正在对固氮酶及固氮酶基因进行深人的研究，并用DNA重组技术对固氮酶基因进行修饰改造，一方面提高固氮菌的固氮能力，另一方面扩大能与固氮菌共生的作物种类。随着基因工程技术的进展相对固氮菌分子生物学机理研究的不断深入，将会有越来越多的农作物通过固氯菌的作用直接利用空气中的氮气，从而减少化学肥料的使用量。
3．3 利用基因工程技术提高食品营养价值
利用基因工程技术可以在不经过复杂加工处理的情况下，改善食物中的组成成份、提高食物的营养价值，减少食品的加工污染和生产成本、是绿色食品的发展方向之一。
3.3.1 改善食物中的碳水化合物组成
基因工程技术已被成功地应用于食物中多种碳水化合物组分的修饰改造。例如，果聚糖是一类有利于人体健康的碳水化合物，是多个葡萄糖分子通过β-糖甘键连接而成。由于人体中不含有能分解果聚糖的酶，因此不能消化吸收果聚糖，但果聚糖进入结肠后可以成为肠胃菌的营养物质。据报导，人体食用含果聚糖的食物，可以选择性地促进双较杆菌的生长，减少与肿瘤发生有关的物质产生，此外短链的果聚糖可以作为一种低热量的甜味成分。因此，果聚糖是一类有益于人类健康的可溶性碳水化合物。普通食物中果聚糖的含量一般较低，只有在菊芋等少数几种植物中的含量很高。目前．科学工作者已将果聚糖合成中的关键酶(1-SST)及相关的基因分离出来，并且已利用基因工程技术将1-SST基因转移到甜菜等食物中，提高食物中果聚糖的含量。
此外，基因工程技术已被成功地应用于改变食物中直链淀粉和支链淀粉的含量，利用基因工程技术开发出来的无直链淀粉的马铃薯已在欧洲等地广泛种植。
3.3.2 改善食物中蛋白质的组成
近年来，利用基因工程技术改善动物性食品和植物性食品中蛋白质成分的研究取得了长足的发展。植物性食物中的谷类和豆类是人体蛋白质的重要来源。谷类种子中含10％~15％的蛋白质，豆类种子中的蛋白质含量则高达30％左右，但谷类蛋白质中因缺少赖氨酸而使其营养价值降低，而豆类蛋白中则因缺少蛋氨酸而影响其营养价值。通过对不同种类食物的合理搭配，可以弥补谷类和豆类蛋白质的营养缺陷，但是利用基因工程技术直接增加谷类蛋白质中的赖氨酸和豆类蛋白质中的蛋氨酸，无疑是提高植物性蛋白质营养价值的员有效的方法。目前，通常采用两种途径来改善植物性蛋白质中氨基酸的比例，一是利用基因工程技术改变食物中各种蛋白质的生物合成途径，从而使谷物和豆类的贮存性蛋白质中的赖氨酸和蛋氨酸的数量增加；二是将来自于其他生物体中的编码高含量赖氨酸和蛋氨酸的外源基因转入谷类或豆类食物中，利用外源基因的表达合成高含量赖氨酸和蛋氨酸的蛋白质，平衡谷类和豆类食物中的氨基酸比例。
3.3.3 利用基因工程技术改善食物中油脂的组成
植物油脂是主要的食用油。近年来，对植物种子中油脂生物合成途径有了较深人的了解。而且一些在植物油脂代谢中比较重要的基因已被克隆，为利用基因工程技术改善油脂中的组分提供了便利。
目前，利用基因工程技术改善植物油脂品质的研究主要有以下几个方向：一是提高单不饱和脂肪酸的含量。由于油脂中多不饱和脂肪酸的熔点及热稳定性较低，因此加热时容易分解。工业上为提高油脂的熔点及热稳定性，常用氢化的方法．但氢化时容易产生对人体健康不利的饱和脂肪酸。单不饱和脂防酸、奶油酸，既对人体健康有利，又具有较高的热稳定性。目前己利用基因工程技术成功地开发出了高油酸含量的转基因大豆，其他酸含量由原来的25％增加到85％：另外一个重要研究方向是利用基因工程技术提高植物油脂中长链不饱和脂肪酸的含量。长链不饱和脂肪酸．如DHA和EPA在人体中具有特殊的生理功能，某些鱼油中DHA和EPA的含量较高，但是由于全球鱼产量的逐渐减少．EPA和DHA的来源日渐枯竭。因此，利用基因工程技术通过植物体生产含有较高DHA、EPA等长链不饱和脂肪酸的食用油脂具有诱人的前景。最近Michaelson和Napier等分别从酵母茵中分离到一类与EPA、DHA及花生四烯酸等长链不饱和脂肪酸生物合成有关的酶，进一步研究可望克隆到编码此类酶的基因，并利用基因工程技术将此类基因导人植物体中，从而提高植物油脂中DHA等长短不饱和脂肪酸的含量。
3.3.4 基因工程技术在降低食物中有害成分方面的应用
天然食物中含有多种对食品品质产生不利影响的化学成分、如大豆中的蛋白酶抑制剂、大米等食物中的过敏原蛋白以及能引起番茄等果蔬食品变软腐烂的水解酶等。利用传统的食品加工方法，如加热、酵解或化学修饰的方法也可以去除食物中的有害成分，但是这些加工必然会增加食品的生产成本，而且会影响食品中的其它营养成分，也容易造成加工污染。随着对这些化学物质研究的深入，有越来越多的与这些化学物质生成有关的基因被分离出来，这为采用基因工程技术降低或去除天然食物中的这些影响食品品质的有害成分打下了基础。
利用基因工程技术降低或去除食物中有害化学成分的基本策略与通过基因工程技术增加食品中某一营养成分的策略有所不同。用基因工程技术增加食物中某一营养成分的基本方法是向食物中导人编码这一成分的基因或导人与这一成分生物合成有关的关键酶基因，使其获得合成所需营养成分的能力。例如通过向植物中导入与长链不饱和脂肪酸合成有关的σ5去饱和酶基因，可以使植物获得合成DHA和EPA的能力，提高植物油脂中的DHA和EPA含量。而利用基因工程技术降低或去除食物中某一化学成分时，则常采用反义核酸〔anti-senseRNA)技术抑制食物中原有的与所需去除的化学成分合成有关的基因表达。例如通过对大米中一种能引起过敏反应的蛋白质的研究，分离出编码该过敏原蛋白的mRNA，并建立相应的cDNA文库，测定了该基因的碱基序列。然后利用基因工程技术将连接上起动子和终止子的与过敏原蛋白基因碱基互补的反义基因导人食物中，由于反义基因能产生与正常过敏蛋白基因mRNA互补的RNA链、并与正常过敏蛋白基因mRNA结合形成双链RNA，阻止该基因mRNA翻译成相应的蛋白质，从而达到降低和去除该过敏原蛋白的目的。为了让生物体内产生反义RNA可将正常的过敏原蛋白基因经反向接人后导人食物中。目前，反义核酸技术已被广泛应用于去除食物中各种不利的化学成分。世界上首例被批准商业化应用的基因工程食品——转基因延熟番茄FLAVRSAVRTM、就是应用了反义核酸技术。
4 食用安全性
目前普遍公认的转基因食品安全性分析基于OECD在1993年提出的"实质等同性(Substantial equivalence)原则"，即评价一种新型食品安全性的最现实的方法是判断它是否与目前市售的传统食品具有实质等同性。1994年世界卫生组织和l996年OECD又对实质等同性的概念作了进一步阐明，这一概念已被广泛接受．通过实质等同性概念的使用，人们就可以鉴别转基因产品的哪些方面需要进一步安全性研究。根据上述原则可将来自转基因植物、动物、微生物食品分为3种类型：①与市场销售的传统食品具有实质等同性；②除某些特定的差异外，与传统食品具有实质等同性；③与传统食品没有实质等同性。
转基因植物食品的实质等同性分析包括几个层次的内容：①表型性状：如植物的形态、生长、产量、抗病性及育种家关心的其他农艺性状；②成分比较：包括关键性营养成分(脂肪、蛋白质、碳水化合物)、毒性物质(该物固有的有毒物质及其含量)等。在分析时，应考虑到不同地区、不同文化背景和社会活动的差异；③插入性状：如果转基因植物品种与原亲本品种除某一个插入的特定性状外，具有实质等同性，则安全性分析应集中于插入的基因表达的产物，即蛋白质的结构、功能及专一性，以及由基因表达产物产生的其他物质．插入性状的分析主要包括有无过敏性蛋白及抗生素抗性等标记基因的安全性．若插入基因来自已知的过敏原体，其编码的蛋白是在遗传工程体的食用部分表达，则不管过敏原是否常见，均需确定该基因是否编码过敏原．若插入基因来自未知是否有过敏性的生物，如病毒、细菌、昆虫、非食品植物等，则分析比较困难。最有名的例子是巴西坚果的富酸蛋白转基因大豆可产生过敏原的问题。1996年国际食品生物技术委员会等制定出一套分析遗传改良食品过敏性的树状分析法，已用于分析转基因食品潜在的过敏性。
标记基因是与插入的目的基因一起转入目标作物中的，它包括抗生素抗性基因及抗除草剂基因等，其中常用的是抗生素抗性标记基因．1993年WHO提出了标记基因安全性分析与评价原则：①标记基因的分子、化学和生物学特征；②标记基因的安全性应与其他基因一样进行评价：③原则上，某一标记基因的资料一旦积累，可用于任何一种植物，且可用于与任何一种目的基因连接．标记基因本身并无安全性问题，问题在于是否存在水平转移的可能。人们食用转基因食品后，绝大多数DNA被降解并失活，其余极小部分(＜0．1％)是否会有安全性问题呢?抗生素标记基因是否会水平转移到肠道微生物或上皮细胞中，从而降低抗生素临床治疗的有效性?目前的结论是：这种可能性非常小．已经对一些主要标记基因的安全性有了较充分的认识，部分标记基因已被列为可安全使用的标记基因．应该看到，与人畜疾病中抗生素的滥用相比，转基因作物引起的抗性增加是微不足道的。科学家也正在研究更安全的标记基因，如甘露糖-6-P异构酶。同时，转基因大豆和玉米产品，包括婴儿食品，迄今在美国市场上已接近4 000种，尚未发生一例食品安全事件。
转基因食品的安全性问题已在世界范围内成为人们聚焦的热点，许多国家的政府正忙于制定转基因食品安全管理的指导方针，我国目前也在准备建立转基因食品的安全性评价体系．同时加强"生物安全"问题的研究也相当重要。由于许多公众对新技术的模糊认识而产生的焦虑。日本已经建立了新的转基因食品标签体系，将转基因食品分为与实质等同性一致的3类。
5 结束语
基因工程技术是一门诞生不久的新兴技术，正如其它一些新技术的产生过程一样，由于人们一开始对新技术的了解程度不够，由此而产生的疑虑和争论是可以理解的。更何况基因工程技术研究的产品与人类健康息息相关。虽然现在对基因工程技术仍有许多争论，但目前科学界已基本上达成共识，即基因工程本身是一门中性技术，只要能正确地使用该项技术就可以造福于人类。目前，包括我国政府在内的各国政府对基因工程技术在农业和食品工业中的应用都制定了相关的管理条例，因此，只要严格地遵照国家的有关条例，基因工程食品就不会存在安全性方面的问题。我们注意到目前有些媒体将基因工程食品排斥在绿色食品之外．笔者认为这种说法缺乏科学依据。事实上恰恰相反，只要合理地使用，基因工程技术将是发展绿色食品产业的有效手段。
孙可兵，沈阳市畜牧兽医科学研究所，所长，高级畜牧师，110034，沈阳市于洪区陵东乡四台子。
收稿日期：２００４－11－０２ |
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