转基因抗虫玉米MON810转化事件的研究及应用

2018-11-15

转基因育种技术包括基因分离、基因克隆、载体构建、遗传转化、转化事件筛选、品种选育等环节,其核心技术是遗传转化,即将外源基因转入受体基因组中。目前转基因玉米常用的遗传转化方法是基因枪法和农杆菌介导法。转化时外源基冈随机插入到受体材料的基因组中,不同的插入位点产生不同的转化事件,因此每次转化反应一般产生几十个至上千个转化事件。在品种选育前需要从中筛选出外源基因表达水平和表达模式符合商业化用途的转化事件。同一个转化事件可以通过常规杂交手段导,人其他玉米材料中,进而选育出不同品种,成为某个转化事件的品系。转化事件不易被修饰改造而被重新申请专利,所以转化事件具备很难绕过或者规避的技术优势,因此转化事件是转基因育种知识产权保护的重点,也是转基因产品检测中鉴定转基因品系的关键川。目前全球被批准商业化的玉米转化事件达148个,转基因抗虫玉米中M0N810转化事件的商业化程度最高,全球有26个国家和地区批准其用于种植或饲料食品加工。鉴于M0N810在中同的专利将在2020年过期,为了进一步应用该转化事件,本文综述了有关M0N810转化事件的分子生物学特征、检测方法、杀虫效果、安全评价、国内外应用现状,供相关从业者参考。

1、M0N810的分子生物学特征及检测技术

M0N810是美国盂山都公司于1993年研发成功,1996年美国批准其进行商业化种植。其外源基因来源于苏云金芽孢杆菌库斯塔克亚种HD-1菌种 (Bacillus thuringiensis subsp. Kurstaki HD-1 ) 的Crylab基因,经基因修饰后接人质粒载体PV-ZMBK07中,通过基因枪法实现遗传转化。

1.1 M0N810的分子生物学特征

M0N810转化事件的插入序列包含CaMV355启动子(299bp)、经修饰的抗虫基因Crylab部分编码区域(2448bp)、玉米热激蛋白基因hsp70的内含子(804bp)。在转化前的质粒中CaMV35S启动子的长度是615bp,外源抗虫基因长度是3460bp,这是由于基因枪法转化时外源序列会随机产生断裂。M0N810事件中CaMV355启动子丢失了5'端序列,但未影响其功能,能在玉米全植株和全生育期启动外源抗虫基因的表达。同样Crylab基因丢失了3'端序列,3'端起到稳定蛋白结构作用,缺失后并没有影响其杀虫功能。M0N810的5'和3'端侧翼序列长度分别为803bp和588bp的玉米基因组序列。侧翼序列及插人序列全长为5.5kb位于基因组两个Nde I酶切位点之间。

1.2检测技术

转基因检测技术包括筛查检测和品系检测,筛査检测目的是确定是否含有外源插入序列,品系检测是确定转化事件。不同转化事件的插人序列不同,而且插人序列在基因组中还可能存在位置效应,即影响相邻基因或染色体结构,或者相邻基因和染色体结构影响外源基因表达。因此不同的转化事件可能存在潜在未知风险,所以每个转化事件都需要安全评价。转化事件的检测是转基因生物安全管理及进出口贸易必要程序只有通过安全评价的转基因事件才可以商业化。目前转化事件的检测主要是根据插人序列与玉米基因组之间的连接区域设计引物,应用PCR技术扩增特异条带,进而确认特异的转化事件。我国目前常用的M0N810转化事件检测标准是农业部869号公告-9-2007和国家出入境检验检疫行业标准SN/T 1196-2012。除了上述标准外,武海斌等根据M0N810的3'端与基因组相连接序列设计引物,该引物可以实现与Btll、TC1507及玉米内参基因zSS II b的特异引物进行复合PCR检测。易小平等报道了新的M0N810定性PCR检测方法,该方法的扩增产物长325bp,非特异扩增少,不易产生假阳性检测结果,并经过网内7家实验室验证了该方法的重复性和灵敏度。陈颍等建立了实时荧光定量PCR检测技术,能够检测0.01%含量的转化事件。近年来,环介导的等温扩增技术(LAMP)应用于M0N810的检测,现行检测标准是SN/T 3767.8-2014。

2、M0N810的杀虫效果及安全评价

M0N810表达的杀虫蛋白是苏云金芽孢杆菌的杀虫晶体蛋白CrylAb,是所有抗虫蛋白中应用最广泛的一种,对欧洲玉米螟、西南玉米螟和亚洲玉米螟等鳞翅目害虫都具有良好抗性。该蛋白的杀虫机制是被昆虫摄人后,在碱性肠道中被活化,专一性与中肠上皮细胞受体结合,形成离子通道或孔洞,引起渗透压失衡,导致昆虫死亡。M0N810事件应用的启动子是CAMV 35S启动子,该启动子属于强启动子,没有组织特异性,能强制启动外源基因在玉米各组织中表达,使整个植株都表达杀虫蛋白,一方面全方位防治玉米螟,另一方面其安全性也倍受关注。

2.1杀虫效果

MON810在1996年获得美国食品药物管理局(IDA)、美国农业部(USDA)和美同环保署(EPA)批准后在美国商业化。白商业化至今的20多年问,在防治玉米螟方面效果好,受到种植者欢迎。M0N810对心叶期发生的一代欧洲玉米螟和对穗期发生的二代玉米螟防效都高达96%。试验结果显示M0N810对亚洲玉米螟有明显抗性。此外,M0N810对玉米茎夜蛾、玉米禾螟也具有一定的控制效果。M0N810的玉米子粒对储粮害虫也有一定的控制作用,研究显示可使印度谷螟和麦城的生殖能力下降。M0N810在生育期表达量不同,在抽丝期前呈上升趋势,于抽丝期达到最高,之后下降在各器官中的表达量也不同,叶片的表达量最高,依次为茎、根,在种子和花丝中的表达量很少。

2.2安全评价

在食用安全方面,中国疾病预防控制中心将M0N810玉米以50%的比例掺人饲料中,饲喂大鼠90d,未见异常。M0N810从1996年商业化以来,在食用安全方面未发现与常规玉米有差异。

在生态安全方面,玉米外源抗虫基因能够通过基因漂移方式转入到同源的大刍草中,但是中网境内没有野生的大刍草,这方面的影响几乎没有。J.E,Losey等在Nature发文称Bt玉米花粉能导致帝王斑蝶幼虫死亡,引起广泛关注。D.E.Standey-Hom等研究显示M0N810的花粉对帝王斑蝶幼虫存活没有影响。研究显示,M0N810对玉米螟的天敌、非靶标害虫和有益昆虫都没有显著影响。但是抗虫玉米的种植存在对玉米螟抗性风险,这需要在种植过程中采取相应的庇护区等策略避免和延缓玉米螟进化。

此外,转基因玉米的外源基因表达产物能够通过根系、秸秆还田及花粉进入土壤生态系统,毒蛋白对土壤生态的影响也是生态安全评价的重要方面。邢珍娟等研究了M0N810转基因玉米在土壤中降解动态,显示最长的DT90(初始毒蛋白含量的90%降解所需要的时间)为368.3d.C.Mulder等的研究显示,CrylAb蛋白对土壤微生物群落组成有影响,但与非转基因参照玉米相比,对土壤中的营养成分没有影响。

3、M0N810的应用

玉米螟是玉米生产上的主要害虫,对玉米产量和品质影响很大,主要有欧洲玉米螟和亚洲玉米螟。欧洲玉米螟分布在欧洲、北非、西亚,据统计,美国因欧洲玉米螟造成产量损失及投入费用达10亿-25亿美元。亚洲玉米螟分布在东亚、东南亚及太平洋港岛,中国每年因亚洲玉米螟为害,导致玉米减产10%左右,大发生年份产量损失可达30%以上,甚至绝收。转Bt抗虫基因的应用为防治玉米螟提供了一条新途径。M0N810与BT176、BT11都是表达CrylAb杀虫基因的第1代转基因作物都是在1996年开始商业化种植随着进一步的研究应用,研究人员发现BT176的花粉对帝王斑蝶和香芹黑风蝶幼虫生长缓慢,而且BT176控制二代欧洲玉米螟和西南玉米螟效果差,在2001年取消了注册登记,在2003年之后没有应用。实践证明,M0N810抗虫效果和安全性方面表现突出。

到2017年批准种植M0N810的国家和地区有14个,批准进口作为食物的有21个,批准进口作为饲料的有18个。我国目前没有批准任何转基因玉米商业化种植,只批准进口部分通过安全评价的转化事件作为食品和饲料的加工原料,其中M0N810品系转基因玉米从2002年开始允许进口。我同在转基因抗生棉方面的研究和应用位居世界前列,为了进二步推进转基因育种发展,我国2008年开始启动实施了。转基因生物新品种培育科技重大专项。,在抗生方面也获得了具有自主知识产权的新基因。自主研发转基因作物的费用约1.35亿美元,因此利用过期专利可以节省费用,加快应用速度。

孟山都公司在2000年将M0N810转化事件申请中国专利。专利管理是为了保护知识产权,但是为了人类能够共享科技进步成果,一般设置20年保护期限。M0N810转化事件经过了20多年的实践验证在其专利保护期以后,可以继续挖掘其价值且无需担忧知识产权陷阱。


原文发表于《中国种业》作者:杨双(辽宁省沈阳市农业科学研究院)