轉基因抗病毒的科學原理是什么？

以轉基因木瓜為例

為何植物抗病毒必需轉基因？

農作物在發展過程中會受到多種有害生物的損害。大部門植物病蟲害本家兒要靠化學農藥來防治，農藥可以有用地殺死農作物害蟲、雜草和植物病原真菌、細菌、線蟲，但對植物病毒不起感化。

病毒侵入動、植物體內之后，操縱宿本家兒細胞里的資本，大量復制本身的基因組并制造新的卵白質外殼，再組裝起來，就形當作了很多新一代的病毒顆粒，然后去傳染宿本家兒更多的細胞和器官。因為化學藥物凡是無法按捺病毒在宿本家兒體內的復制、增殖，幾乎所有由病毒引起的人類或動物疾病都沒有特效藥可治（“達菲”能治流感是少少數的破例），只能靠免疫系統發生抗體來對于病毒，若是能當作功地把病毒斷根失落，病就好了（如通俗傷風）。然而植物不具備像人類和動物那樣的免疫系統，不克不及發生抗體來覆滅病毒，這就使得植物病毒病很是難以防治。

篩選和培育抗性品種是防治農作物病蟲害的另一有用方式。一些作物的某些品種或它們的親屬野生物種可能具有抗蟲、抗病基因，把通俗栽培品種和它們進行雜交，就有可能獲得抗性基因。數十年來人們獲得了很多抗蟲、抗病的農作物雜交品種。可是，并非對于每一種病蟲害，天然界都存在響應的抗性植物可為雜交育種所用，即使能找到抗性材料，育當作一個抗性品種也需要大量的試驗、篩選工作，往往耗時十年之久，十分繁瑣。并且對植物病毒來說，它們變異速度很快，很是輕易突變出能降服植物抗病毒基因的新毒株，使雜交育種之效化為烏有。

轉基因抗病毒育種是防治植物病毒最有用的方式。要抗哪種病毒，就給植物轉入一個該病毒的基因。那么病毒基因跑到植物體內后是若何把病毒自身殺死的呢？轉基因植物對病毒的抗性，同對害蟲、病菌的抗性機理完全分歧。我們知道，把某種毒性較弱的病毒株系（或顛末掉活處置的病毒）也就是疫苗打針到人或動物體內之后，病毒的外殼卵白可誘導免疫系統發生響應的抗體，等下次碰到這種病毒入侵時，抗體就能跟病毒發生免疫反映，使其掉去活力。近似的做法是否也能使植物獲得對病毒的抗性呢？

早在上宿世紀20年月末，人們就發現接種了弱毒株病毒之后的植物確實能對同種病毒的強毒株發生抗性，這被稱為“交叉庇護”現象。很多植物病毒的弱毒株都可以誘導發生交叉庇護現象，但植物并不具備像人或動物那樣的免疫系統，人們也從未在植物體內發現過針對病毒的抗體，盡管交叉庇護現象跟人或動物打針疫苗后對病毒發生的抗性很相像，二者的機制應該是大不不異的。上宿世紀七八十年月，科學家們提出過幾種假說，試圖詮釋交叉庇護的機制。例如此中一種假說認為，給植物接種弱毒株后，病毒在自我復制時合當作出大量外殼卵白，而隨后侵入的強毒株病毒在自我復制前要先把它的核酸從其外殼卵白中釋放出來，但剛一釋放出來就被弱毒株的外殼卵白從頭包裹起來，從而無法當作功復制。這些假說都未能獲得證實，關于交叉庇護機制加倍靠得住的詮釋，要比及新舊宿世紀之交才被人們所知。

在“知其然而不知其所以然”的年月，人們操縱交叉庇護現象對一些植物病毒進行防治，取得了不錯的結果。可是，對于大量蒔植（例如幾十萬株）的作物來說，為了防治病毒，就要對所有的植株一一進行弱毒株接種，這顯然是一項無法完當作的工作。別的，并不是每一蒔植物病毒都存在毒性強弱有此外多個株系，若是某種病毒剛好沒有弱毒株，這個法子就行不通了。

轉基因木瓜緣何發生？

于是轉基因手藝就當作為必然選擇。把病毒的外殼卵白基因轉到植物體內，可以獲得跟交叉庇護相似的結果：對轉基因植株接種統一種病毒并不克不及使其發病，植株體內也檢測不到病毒。1986年，人們把煙草花葉病毒的外殼卵白基因轉入煙草，獲得了宿世界上第一例抗病毒轉基因植物。

厥后20多年里，科學家們對幾十蒔植物病毒進行了試驗，證實標的目的植物轉入病毒基因是行之有用的抗病毒育種路子。今朝宿世界上已被獲準商品化蒔植的抗病毒轉基因作物有木瓜、馬鈴薯（美國育當作，2001年因銷路欠安不再發賣）、葫蘆瓜（美國育當作，轉基因所占比例13%）等。中國也培育出了多種抗病毒轉基因作物，但今朝僅有2種（辣椒、木瓜）獲得農業轉基因生物平安證書（已獲得平安證書的轉基因作物我國一共也只有7種），且只有轉基因木瓜在廣東省被商品化蒔植。

木瓜的學名為番木瓜，在我國有“嶺南佳果”的佳譽。1948年，人們在美國夏威夷發現了一種損害木瓜的植物病毒，即番木瓜環斑病毒（簡稱PRSV）。隨后幾十年里，該病毒活著界多個木瓜產地均有發生，包羅在中國南邊多個省份普遍風行，嚴重時可導致木瓜減產八九當作，當作為木瓜財產的本家兒要限制身分。

好在科學家們實時地培育出了抗PRSV的轉基因木瓜。1990年，首個轉PRSV外殼卵白基因的木瓜品系降生，1995年人們在夏威夷開辟出兩個轉基因品種“日出”和“彩虹”，它們在1998年被核準貿易化蒔植，直接拯救了美國的木瓜財產。美國轉基因木瓜2003年1月被加拿大、2011年12月被日本核準進口。

轉基因木瓜

PRSV是一種變異性很強的RNA病毒，在全宿世界共有幾十個毒株，分歧地域的毒株之間在傳染木瓜的能力上存在較大差別。夏威夷的轉基因木瓜品種對本地的PRSV毒株有很高的抗性，但對其他地域的毒株抗性不高甚至沒有抗性。為此，我國科學家自立研發了可以或許抵當國內毒株的轉基因木瓜。

中國的木瓜產地在華南地域，而華南地域有4個PRSV毒株，此中“黃點花葉”株是優勢毒株（80%以上的發病木瓜攜帶這個毒株）。華南農業大學的科研人員將這個毒株的復制酶基因轉入木瓜體內，培育出了“華農1號”。該品種不僅高抗“黃點花葉”株，對華南地域其他幾個次要毒株也具有很好的抗性。“華農1號”在2006年獲得中國農業部頒布的平安性證書，可在廣東省出產應用。此后得以大規模蒔植，發生了龐大的經濟效益，深受瓜農喜愛。今朝國內市場上發賣的木瓜根基上都是轉基因品種（包羅從美國進口的轉基因品種）。

為什么“華農1號” 的研究者選擇轉入PRSV的復制酶基因，而不是跟此外抗病毒作物、甚至夏威夷的轉基因木瓜一樣，也轉入病毒的外殼卵白基因呢？一個原因是人們發現轉外殼卵白基因的木瓜對病毒的抗性還不敷強，另一個原因是出于對一種潛在風險的考慮。很多植物病毒可以由蟲豸進行傳布，PRSV可由蚜蟲傳布。蚜蟲在含有病毒的木瓜樹上吸食汁液時，PRSV經由過程外殼卵白憑借在蚜蟲的刺針上，然后蚜蟲再去吸食下一棵木瓜，就把病毒傳曩昔了。有些植物病毒因為其外殼卵白不克不及跟蚜蟲的刺針連系，是以沒有蚜傳特征。科學家們擔憂，若是轉外殼卵白基因的木瓜植株里剛好有另一種不具有蚜傳性的病毒，那么后者的核酸會不會被PRSV的外殼卵白包裹起來，從而釀成一種可以被蚜蟲傳布的、更輕易風行的“新”病毒呢？是以，若是轉入的不是外殼卵白基因，而是病毒此外基因，顯然就能避免這種潛在的“張冠李戴”的可能。

值得指出的是，今朝人們從沒發現轉外殼卵白基因導致植物病毒的“張冠李戴”真正發生過。這也申明科學家們對轉基因作物的研發長短常謹嚴的，他們會事先考慮各類可能的不良后果，并加以避免。

“華農1號”是否平安？

“華農1號”上市之前，各類常規的平安性評價嘗試更是少不了。人們起首把PRSV的復制酶卵白序列跟今朝已知的8類過敏源（別離來自花生、大豆、堅果、小麥、牛奶、雞蛋、魚類和貝類）的卵白序列進行比力，并未發現相似性，由此判定PRSV復制酶卵白并不屬于已知的過敏源。

接著經由過程基因工程手藝把這個復制酶基因轉入細菌體內（這也是一種“轉基因”），讓細菌大量制造復制酶卵白，再提掏出來，用人工模擬的人類胃液（含有胃卵白酶，強酸性情況）和腸液（含有胰卵白酶，弱堿性情況）進行模擬消化嘗試。成果顯示PRSV的復制酶卵白在腸液、胃液中被消化15秒鐘之后就掉去了活性，申明人體可正常消化轉基因卵白。最后，因為木瓜自己含有一種名叫芐基異硫氰酯的自然毒素，人們比力了這種毒素在轉基因和非轉基因木瓜體內的含量，發現轉基因木瓜并不比非轉基因木瓜含有更多的毒素——這叫“本色等同性”。上述這些試驗證實了食用轉基因木瓜是平安的。

事實上，在轉基因木瓜降生之前，人們已持久食用過被PRSV損害的木瓜，等于把整個病毒都吃進去了，卻從來沒有是以呈現過健康問題。須知這種病毒一共有10個基因，會制造出10個病毒卵白，而轉基因木瓜只制造一個病毒卵白（外殼卵白或復制酶卵白），若是轉基因木瓜不平安，那么非轉基因木瓜難道十倍地更不平安？

轉基因木瓜中除了含有PRSV的復制酶基因，還含有一同轉進去的一些此外當作分，包羅35S啟動子、NOS終止子和卡那霉素抗性基因。此中前二者是使轉入的基因得以表達的零件，其自己并不發生卵白質產品；后者可使轉基因植株獲得對卡那霉素的抗性，以便人們用這種抗生素把沒能轉入基因的植株殺死，把轉入當作功的植株篩選出來。很多轉基因作物都含有這個基因。

有人擔憂，轉基因作物中的卡那霉素抗性基因會不會在情況中擴散，讓此外生物尤其是細菌是以獲得抗藥性，或者人食用了轉基因作物后，會不會把這個基因“轉”給腸道里的細菌，使其發生耐藥性？卡那霉素抗性基因原本就來自細菌，它普遍地自然存在于天然界，是以轉基因作物并不會在這方面給大天然“添亂”，而今朝也從未發現過人的腸道內細菌被“轉”入這個基因。歐盟食物平安局2010年曾做過一個評估，結論是轉基因作物中的卡那霉素抗性基因對人與動物的健康、對情況沒有風險。

轉基因抗病毒的道理是什么？

就在美國和中國接踵研發出轉基因木瓜的十幾年里，生命科學、分子生物學的一項重大發現使人們對植物轉基因抗病毒的具體機制終于有了比力清晰的領會。

1990年，美國科學家喬根森研究矮牽牛花時，但愿使它的花色變得更深，就把一個查爾酮合當作酶基因轉入矮牽牛中。矮牽牛原本含有一個查爾酮合當作酶基因，它能合當作花青素，使牽牛花呈紫色。喬根森原本覺得，轉基因矮牽牛既然擁有兩個查爾酮合當作酶基因，就會加倍制造花青素，使花色更深。但成果卻出乎他的料想，轉基因矮牽牛的花色不僅沒有加深，反而釀成了白色。顯然，轉進去的和矮牽牛原有的查爾酮合當作酶基因都沒有獲得表達，而是“配合緘默”了。

隨后科學家們在真菌、線蟲、蟲豸等很多物種體內也發現了“基因緘默”現象。1998年，美國科學家安德魯·菲爾和克萊格·梅洛以線蟲為研究材料，發現若是把跟線蟲某個基因的序列具有相似性的雙鏈RNA分子打針到線蟲體內，就會導致那個線蟲基因被“緘默”失落。人們很快發現這一被稱為“RNA干擾”的過程具有遍及性，即動、植物體內的“基因緘默”過程都有雙鏈RNA分子介入。這兩位科學家是以獲得2006年諾貝爾心理及醫學獎。

一般而言，生物基因起首以DNA序列為底本，合當作一條信息RNA即mRNA（該過程叫“轉錄”），然后按照mRNA上的信息來合當作一條氨基酸肽鏈（這叫“翻譯”），后者再組成卵白質，行使響應的生命功能。至此，一個基因就獲得了“表達”。科學家們發現，上文說到的生物體內的“基因緘默”現象，其原因是生物基因被轉錄當作mRNA之后，mRNA在被翻譯當作卵白質之前就先被降解了。是以應該把這種現象更精確地叫做“轉錄后的基因緘默”。那么，為什么會有這種機制呢？

一個生物體經常會被病毒等病原物入侵，病原物的基因對生物體來說屬于外來核酸，而外來核酸（DNA或RNA）一旦進入細胞，就有可能對生物自身的基因造當作粉碎，影響其保存。于是天然選擇的壓力使得生物在漫長的歲月中進化出了一套抵御外來核酸入侵的自我庇護機制，這就是轉錄后的基因緘默。外來核酸侵入細胞后，會在復制過程中形當作雙鏈RNA分子，后者可激活宿本家兒體內的轉錄后的基因緘默機制，把外來核酸的mRNA降解失落，從而庇護了宿本家兒基因的平安。轉錄后的基因緘默有時也被稱為“核酸程度上的免疫機制”。

既然生物遍及擁有這一自我庇護機制，為什么人類和動植物仍是會被很多病毒當作功入侵，而罹患各類病毒病呢？那是因為該機制反過來對病毒形當作了選擇壓力，病毒為了保存，也進化出了對于轉錄后的基因緘默的本事。科學家們發現很多病毒合當作的一些病毒卵白可以粉碎轉錄后的基因緘默過程，從而使病毒得以在宿本家兒體內存活、復制。例如PRSV的10個卵白中，有一個就是用于按捺轉錄后基因緘默機制的個基因中的一個就是如斯。

培育轉基因植物，現實上就是人類在植物大戰病毒的疆場上助植物一臂之力。轉基因對植物來說也是外來核酸，同樣可以激活植物的轉錄后基因緘默機制（這一激活發生在病毒入侵之前，使病毒來不及去按捺轉錄后的基因緘默過程），導致轉基因跟入侵病毒的統一基因發生“配合緘默”。至此，人們大白了交叉庇護現象發生的機制其實就是植物的轉錄后的基因緘默——接種弱毒株病毒跟轉病毒基因感化不異。

人們用PRSV接種到轉復制酶基因的木瓜上，發現木瓜中復制酶基因的mRNA含量公然比借種病毒之前大幅度下降，證實了轉錄后的基因緘默恰是轉基因抗病毒的分子生物學機理。這一抗病機理依靠于轉基因和病毒基因之間的同源性，病毒只有發生了很大的變異才有可能沖破轉基因植物的抗性。

宿世界上有上千蒔植物病毒，每年對農業出產造當作600億美元的經濟損掉。轉基因抗病毒育種勢在必行，并且必將大有可為。生命科學的成長為我們戰勝植物病毒供給了最強有力的兵器。而對于當今社會上風行的各類反科學“病毒”，就更需要經由過程“轉入科學基因”的體例來進行防治了——科普工作者也許比農業科學家還要任重道遠。

作者：鐵冰

發表于 2019-09-11 02:00
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