植物細胞中的乙烯由S-腺苷甲硫氨酸經氨基環丙烷羥酸合成酶和乙烯合成酶催化裂解而成。20世紀90年代初,采用反義RNA技術封閉番茄細胞中上述2個酶的編碼基因的表達,由此構建出的重組番茄的乙烯合成量分別僅為野生植物的3%和0.5%,明顯延長了番茄的保存期。目前,類似的研究已擴展到了草莓、蘋果、香蕉、芒果、甜瓜、桃子以及梨等多種水果。
另一方麵,植物尤其是成熟果實細胞中往往會表達大量的半乳糖醛酸酶,它能水解果膠而溶解植物的細胞壁結構,使成熟果實易於損傷,因此降低細胞中半乳糖醛酸酶的合成速度,也能有效防止果實的過早腐爛。根據這一原理可構建保質期長的轉基因植物。
②改變花型花色
通過插花工藝,裝飾花束和花籃需要培育各種花卉植物。全世界每年花卉產業的產值高達上百億美元。花卉的顏色是由花冠中的色素組成成分決定的。大多數花卉的色素為黃酮類物質,由苯丙氨酸通過一係列的酶促反應合成.而顏色主要取決於色素分子側鏈取代基團的性質和結構,如花青素衍生物呈紅色,翠雀素衍生物呈藍色等。在黃酮類色素的生物合成途徑中,苯基苯乙烯酮合成酶(CHS)是一個關鍵酶。利用反義RNA技術可有效抑製矮牽牛花屬植物細胞內的CHS基因表達,使轉基因植物花冠的顏色由野生型的紫紅色變成了白色.並且對CHS基因表達抑製程度的差異還可產生一係列中間類型的花色。
目前,構建具有不同花型和花色特征的轉基因植物研究,主要集中在世界最大的花卉出口國荷蘭。
③提高產量
增產的途徑很多,如提高抗病蟲害的能力、抗旱、抗澇等。最初的轉基因植物多數是這樣以增產為目的的食物產品。
昆蟲對農作物的危害極大。目前對付昆蟲的主要武器仍是化學殺蟲劑,它不但嚴重汙染環境,而且還誘使害蟲產生相應的抗性。利用某種植物、昆蟲和細菌基因的天然抵抗某些病蟲害的作用,使其基因在植物細胞中高效表達,從而達到防治病蟲害的目的。如蘇芸金芽胞杆菌是一種革蘭氏陽性土壤杆菌,在芽孢形成過程中,這種細菌可以產生大量具有高度特性殺蟲活性的結晶蛋白,為此,是一種廣譜的抗蟲基因。此外,有種蛋白型絲蛋白酶抑製劑可有效幹擾昆蟲的消化功能,並將其置於死地,它在番茄和馬鈴薯等植物細胞中隻有痕量存在。轉基因煙草的實驗結果表明,若將細菌毒素蛋白和絲蛋白酶抑製劑編碼基因雙雙整合到植物染色體上,則轉基因植物的抗蟲害能力比隻含毒素蛋白基因的植物提高20倍。
農作物病毒感染是一個嚴重的問題,它可導致農作物生長緩慢、產量降低和質量減退。在經典植物遺傳學中,通常利用交叉保護原理篩選抗病毒的優良品種,即用一種較為溫和的病毒感染植物,培育出來的子代植物一般能抵禦更為嚴重的同類病毒的侵襲。這種類似於動物疫苗接種的現象表明,病毒的包裝蛋白對免疫保護作用十分重要。因此在植物細胞中克隆表達病毒包衣蛋白基因,有可能構建出抗病毒的優良品種。最早的實驗是在煙草中進行的,煙草花葉病毒(TMV)是一種雙鏈RNA病毒,高效表達蛋白酶抑製劑基因的轉煙草植物在TMV存在時,能維持抗病毒狀態30天左右,而正常植物3-4天後便出現感染症狀。這種蛋白酶抑製劑轉基因技術在馬鈴薯、番茄和苜蓿等植物中也已獲得成功。另外抗黃瓜病毒的基因也已經構建成功。
除草劑的特異性往往不強,或多或少都會影響農作物的生長。利用轉基因技術,構建抗除草劑的重組植物可解決這一問題。例如,除草劑中使用最廣泛的是糖磷脂,其除草機製是強烈抑製植物葉綠體合成酶EPSPS的活性。利用從一種抗糖磷脂的大腸杆菌突變株中分離出EPSPS基因,構建轉基因煙草、番茄、馬鈴薯、棉花以及矮牽牛花等,就能合成足夠量的EPSPS變體蛋白,以取代被糖磷脂抑製了的植物酶係,從而表現出較高水平的除草劑抗性。
與動物不同,植物難以阻擋不利環境因素(如強光、紫外輻射和幹旱等)的侵襲,他們對付這些不利環境因素影響的唯一措施是體內的自我生理調節機製。在分子水平上,這一生理調節過程的副作用是在體內產生大量的氧自由基(即超氧化物負離子),後者對植物的損傷也相當嚴重。在生理狀況下,植物體內的抗氧化酶,如超氧化歧化酶(SOD),能將之轉化為過氧化氫,後者經氧化酶作用分解出水和氧氣,但這種保護作用相當有限。如果將SOD編碼基因轉人花卉等觀賞性植物中,可有效節省植物對氧氣的需求量,延長花卉的存放期。
另一方麵,長期的植物生理學研究結果表明:植物對鹽、堿、旱、寒和熱等環境不利因素的自我調節能力很大程度上取決於細胞內的滲透壓,提高滲透壓往往能改善植物對上述環境不利因素的耐性。目前各種抗鹽、抗堿、抗寒、抗旱以及抗熱的轉基因植物正在研究之中。
④改善營養學品質
總結目前的轉基因食品,提高營養學價值的產品仍不多。
人造黃油的製作是通過催化加氫使植物油熔點上升,這種工藝不但加工成本很高,而且還會導致順式雙鍵轉變為對健康不利的反式雙鍵。
利用反義RNA技術特異性滅活植物體內硬脂A-ACP脫飽和酶的結構基因,即可提高轉基因油料作物中飽和脂肪酸的含量,使“植物油”在室溫下呈固態。類似的研究還有某些植物油中減少飽和脂肪酸的含量(如棕擱酸和肉豆蔻酸的含量)、提高必需脂肪酸的含量、減少菜籽油中芥酸的含量等等。
(2)動物性轉基因食品
1981年,第一次成功地將外源基因導入動物胚胎,創立了轉基因的動物技術。1982年,獲得轉基因小鼠。轉人大鼠的生長激素基因的小鼠,體重為正常個體的二倍。以後相繼在10年間報道過轉基因兔、綿羊、豬、魚、昆蟲、牛、雞、山羊、大鼠等轉基因動物的成功。
由於轉基因動物體係打破了自然繁殖中的種間隔離,使基因能在種係關係很遠的機體間流動,它將對整個生命科學產生全局性影響。因此轉基因動物技術在1991年第一次國際基因定位會議上被公認是遺傳學中繼連鎖分析、體細胞遺傳和基因克隆之後的第四代技術,被列為生物學發展史上126年中第14個轉折點。
與植物性轉基因不同的是,動物轉基因技術麵臨著更多的問題,諸如生產周期長、效率低,成本高,轉基因動物死亡率高,常出現不育導致轉基因難以傳代,無法大規模生產等等問題。但目前仍然有不少成功的研究和實例。
含有人生長激素基因的轉基因豬生長期顯著縮短,且飼料利用率及瘦肉比重大幅度提高,具有可觀的經濟意義。然而這種轉基因豬體質相當虛弱,可能是由於生長激素在其生長發育中全程表達的緣故。因為在正常生理條件下內源性生長激素的存在周期通常隻有2個月左右。
轉基因牛,主要限於轉基因奶牛,其目的之一是改變牛奶的成分。例如,使乳糖酶基因在奶牛乳腺細胞中表達,能導致產生無乳糖牛奶。這種牛奶對那些對乳糖過敏或消化不良的人群是良好的乳品。轉基因牛的另一目的是借助於轉抗體基因和轉病毒細菌蛋白基因培育杭菌、抗病毒和抗寄生蟲的新品係。現在的大型養牛場仍采用疫苗免疫、物理隔離和藥物治療的傳統方法控製大麵積的感染,其花費高達飼養總成本的20%,由此可見這種轉基因牛構建具有重要的經濟價值。
4、轉基因食品的安全性
麵對轉基因食品,食用安全的問題是人們首先考慮的,例如插入基因的漂移、抗性、過敏和中毒等。除食用安全外,無論如何,轉基因食品的營養價值和營養素利用率、可食用性等也是食品評價的另一重要方麵。
1998年8月,英國羅威特研究所普茲泰教授發現,老鼠食用轉基因土豆後,免疫係統受到破壞。2000年,美國Aventis crop scienc公司生產的“裏聯”轉基因玉米因可能導致部分人皮疹、腹瀉或呼吸係統的過敏反應,隻準予作動物飼料,但檢測發現,該轉基因玉米被混入加工食品中,從而引起全球300多種含玉米產品的回收潮。此後,美國政府於2001年1月出台了轉基因食品管理草案。
2000年,德國耶拿大學科學家雅萊斯等研究人員發現,用轉基因玉米製成飼料喂養雞,發現雞肉裏存在玉米的變異片段。2005年5月,英國《獨立報》報道,Mon Sant公司的研究表明,食用了轉基因玉米的老鼠腎髒變小,血液的構成發生變化。