转基因抗病毒的科学原理是什么？

以转基因木瓜为例

为何植物抗病毒必需转基因？

农作物在发展过程中会受到多种有害生物的损害。大部门植物病虫害本家儿要靠化学农药来防治，农药可以有用地杀死农作物害虫、杂草和植物病原真菌、细菌、线虫，但对植物病毒不起感化。

病毒侵入动、植物体内之后，操纵宿本家儿细胞里的资本，大量复制本身的基因组并制造新的卵白质外壳，再组装起来，就形当作了很多新一代的病毒颗粒，然后去传染宿本家儿更多的细胞和器官。因为化学药物凡是无法按捺病毒在宿本家儿体内的复制、增殖，几乎所有由病毒引起的人类或动物疾病都没有特效药可治（“达菲”能治流感是少少数的破例），只能靠免疫系统发生抗体来对于病毒，若是能当作功地把病毒断根失落，病就好了（如通俗伤风）。然而植物不具备像人类和动物那样的免疫系统，不克不及发生抗体来覆灭病毒，这就使得植物病毒病很是难以防治。

筛选和培育抗性品种是防治农作物病虫害的另一有用方式。一些作物的某些品种或它们的亲属野生物种可能具有抗虫、抗病基因，把通俗栽培品种和它们进行杂交，就有可能获得抗性基因。数十年来人们获得了很多抗虫、抗病的农作物杂交品种。可是，并非对于每一种病虫害，天然界都存在响应的抗性植物可为杂交育种所用，即使能找到抗性材料，育当作一个抗性品种也需要大量的试验、筛选工作，往往耗时十年之久，十分繁琐。并且对植物病毒来说，它们变异速度很快，很是轻易突变出能降服植物抗病毒基因的新毒株，使杂交育种之效化为乌有。

转基因抗病毒育种是防治植物病毒最有用的方式。要抗哪种病毒，就给植物转入一个该病毒的基因。那么病毒基因跑到植物体内后是若何把病毒自身杀死的呢？转基因植物对病毒的抗性，同对害虫、病菌的抗性机理完全分歧。我们知道，把某种毒性较弱的病毒株系（或颠末掉活处置的病毒）也就是疫苗打针到人或动物体内之后，病毒的外壳卵白可诱导免疫系统发生响应的抗体，等下次碰到这种病毒入侵时，抗体就能跟病毒发生免疫反映，使其掉去活力。近似的做法是否也能使植物获得对病毒的抗性呢？

早在上宿世纪20年月末，人们就发现接种了弱毒株病毒之后的植物确实能对同种病毒的强毒株发生抗性，这被称为“交叉庇护”现象。很多植物病毒的弱毒株都可以诱导发生交叉庇护现象，但植物并不具备像人或动物那样的免疫系统，人们也从未在植物体内发现过针对病毒的抗体，尽管交叉庇护现象跟人或动物打针疫苗后对病毒发生的抗性很相像，二者的机制应该是大不不异的。上宿世纪七八十年月，科学家们提出过几种假说，试图诠释交叉庇护的机制。例如此中一种假说认为，给植物接种弱毒株后，病毒在自我复制时合当作出大量外壳卵白，而随后侵入的强毒株病毒在自我复制前要先把它的核酸从其外壳卵白中释放出来，但刚一释放出来就被弱毒株的外壳卵白从头包裹起来，从而无法当作功复制。这些假说都未能获得证实，关于交叉庇护机制加倍靠得住的诠释，要比及新旧宿世纪之交才被人们所知。

在“知其然而不知其所以然”的年月，人们操纵交叉庇护现象对一些植物病毒进行防治，取得了不错的结果。可是，对于大量莳植（例如几十万株）的作物来说，为了防治病毒，就要对所有的植株一一进行弱毒株接种，这显然是一项无法完当作的工作。别的，并不是每一莳植物病毒都存在毒性强弱有此外多个株系，若是某种病毒刚好没有弱毒株，这个法子就行不通了。

转基因木瓜缘何发生？

于是转基因手艺就当作为必然选择。把病毒的外壳卵白基因转到植物体内，可以获得跟交叉庇护相似的结果：对转基因植株接种统一种病毒并不克不及使其发病，植株体内也检测不到病毒。1986年，人们把烟草花叶病毒的外壳卵白基因转入烟草，获得了宿世界上第一例抗病毒转基因植物。

厥后20多年里，科学家们对几十莳植物病毒进行了试验，证实标的目的植物转入病毒基因是行之有用的抗病毒育种路子。今朝宿世界上已被获准商品化莳植的抗病毒转基因作物有木瓜、马铃薯（美国育当作，2001年因销路欠安不再发卖）、葫芦瓜（美国育当作，转基因所占比例13%）等。中国也培育出了多种抗病毒转基因作物，但今朝仅有2种（辣椒、木瓜）获得农业转基因生物平安证书（已获得平安证书的转基因作物我国一共也只有7种），且只有转基因木瓜在广东省被商品化莳植。

木瓜的学名为番木瓜，在我国有“岭南佳果”的佳誉。1948年，人们在美国夏威夷发现了一种损害木瓜的植物病毒，即番木瓜环斑病毒（简称PRSV）。随后几十年里，该病毒活着界多个木瓜产地均有发生，包罗在中国南边多个省份普遍风行，严重时可导致木瓜减产八九当作，当作为木瓜财产的本家儿要限制身分。

好在科学家们实时地培育出了抗PRSV的转基因木瓜。1990年，首个转PRSV外壳卵白基因的木瓜品系降生，1995年人们在夏威夷开辟出两个转基因品种“日出”和“彩虹”，它们在1998年被核准贸易化莳植，直接拯救了美国的木瓜财产。美国转基因木瓜2003年1月被加拿大、2011年12月被日本核准进口。

转基因木瓜

PRSV是一种变异性很强的RNA病毒，在全宿世界共有几十个毒株，分歧地域的毒株之间在传染木瓜的能力上存在较大差别。夏威夷的转基因木瓜品种对本地的PRSV毒株有很高的抗性，但对其他地域的毒株抗性不高甚至没有抗性。为此，我国科学家自立研发了可以或许抵当国内毒株的转基因木瓜。

中国的木瓜产地在华南地域，而华南地域有4个PRSV毒株，此中“黄点花叶”株是优势毒株（80%以上的发病木瓜携带这个毒株）。华南农业大学的科研人员将这个毒株的复制酶基因转入木瓜体内，培育出了“华农1号”。该品种不仅高抗“黄点花叶”株，对华南地域其他几个次要毒株也具有很好的抗性。“华农1号”在2006年获得中国农业部颁布的平安性证书，可在广东省出产应用。此后得以大规模莳植，发生了庞大的经济效益，深受瓜农喜爱。今朝国内市场上发卖的木瓜根基上都是转基因品种（包罗从美国进口的转基因品种）。

为什么“华农1号” 的研究者选择转入PRSV的复制酶基因，而不是跟此外抗病毒作物、甚至夏威夷的转基因木瓜一样，也转入病毒的外壳卵白基因呢？一个原因是人们发现转外壳卵白基因的木瓜对病毒的抗性还不敷强，另一个原因是出于对一种潜在风险的考虑。很多植物病毒可以由虫豸进行传布，PRSV可由蚜虫传布。蚜虫在含有病毒的木瓜树上吸食汁液时，PRSV经由过程外壳卵白凭借在蚜虫的刺针上，然后蚜虫再去吸食下一棵木瓜，就把病毒传曩昔了。有些植物病毒因为其外壳卵白不克不及跟蚜虫的刺针连系，是以没有蚜传特征。科学家们担忧，若是转外壳卵白基因的木瓜植株里刚好有另一种不具有蚜传性的病毒，那么后者的核酸会不会被PRSV的外壳卵白包裹起来，从而酿成一种可以被蚜虫传布的、更轻易风行的“新”病毒呢？是以，若是转入的不是外壳卵白基因，而是病毒此外基因，显然就能避免这种潜在的“张冠李戴”的可能。

值得指出的是，今朝人们从没发现转外壳卵白基因导致植物病毒的“张冠李戴”真正发生过。这也申明科学家们对转基因作物的研发长短常谨严的，他们会事先考虑各类可能的不良后果，并加以避免。

“华农1号”是否平安？

“华农1号”上市之前，各类常规的平安性评价尝试更是少不了。人们起首把PRSV的复制酶卵白序列跟今朝已知的8类过敏源（别离来自花生、大豆、坚果、小麦、牛奶、鸡蛋、鱼类和贝类）的卵白序列进行比力，并未发现相似性，由此判定PRSV复制酶卵白并不属于已知的过敏源。

接着经由过程基因工程手艺把这个复制酶基因转入细菌体内（这也是一种“转基因”），让细菌大量制造复制酶卵白，再提掏出来，用人工模拟的人类胃液（含有胃卵白酶，强酸性情况）和肠液（含有胰卵白酶，弱碱性情况）进行模拟消化尝试。成果显示PRSV的复制酶卵白在肠液、胃液中被消化15秒钟之后就掉去了活性，申明人体可正常消化转基因卵白。最后，因为木瓜自己含有一种名叫苄基异硫氰酯的自然毒素，人们比力了这种毒素在转基因和非转基因木瓜体内的含量，发现转基因木瓜并不比非转基因木瓜含有更多的毒素——这叫“本色等同性”。上述这些试验证实了食用转基因木瓜是平安的。

事实上，在转基因木瓜降生之前，人们已持久食用过被PRSV损害的木瓜，等于把整个病毒都吃进去了，却从来没有是以呈现过健康问题。须知这种病毒一共有10个基因，会制造出10个病毒卵白，而转基因木瓜只制造一个病毒卵白（外壳卵白或复制酶卵白），若是转基因木瓜不平安，那么非转基因木瓜难道十倍地更不平安？

转基因木瓜中除了含有PRSV的复制酶基因，还含有一同转进去的一些此外当作分，包罗35S启动子、NOS终止子和卡那霉素抗性基因。此中前二者是使转入的基因得以表达的零件，其自己并不发生卵白质产品；后者可使转基因植株获得对卡那霉素的抗性，以便人们用这种抗生素把没能转入基因的植株杀死，把转入当作功的植株筛选出来。很多转基因作物都含有这个基因。

有人担忧，转基因作物中的卡那霉素抗性基因会不会在情况中扩散，让此外生物尤其是细菌是以获得抗药性，或者人食用了转基因作物后，会不会把这个基因“转”给肠道里的细菌，使其发生耐药性？卡那霉素抗性基因原本就来自细菌，它普遍地自然存在于天然界，是以转基因作物并不会在这方面给大天然“添乱”，而今朝也从未发现过人的肠道内细菌被“转”入这个基因。欧盟食物平安局2010年曾做过一个评估，结论是转基因作物中的卡那霉素抗性基因对人与动物的健康、对情况没有风险。

转基因抗病毒的道理是什么？

就在美国和中国接踵研发出转基因木瓜的十几年里，生命科学、分子生物学的一项重大发现使人们对植物转基因抗病毒的具体机制终于有了比力清晰的领会。

1990年，美国科学家乔根森研究矮牵牛花时，但愿使它的花色变得更深，就把一个查尔酮合当作酶基因转入矮牵牛中。矮牵牛原本含有一个查尔酮合当作酶基因，它能合当作花青素，使牵牛花呈紫色。乔根森原本觉得，转基因矮牵牛既然拥有两个查尔酮合当作酶基因，就会加倍制造花青素，使花色更深。但成果却出乎他的料想，转基因矮牵牛的花色不仅没有加深，反而酿成了白色。显然，转进去的和矮牵牛原有的查尔酮合当作酶基因都没有获得表达，而是“配合缄默”了。

随后科学家们在真菌、线虫、虫豸等很多物种体内也发现了“基因缄默”现象。1998年，美国科学家安德鲁·菲尔和克莱格·梅洛以线虫为研究材料，发现若是把跟线虫某个基因的序列具有相似性的双链RNA分子打针到线虫体内，就会导致那个线虫基因被“缄默”失落。人们很快发现这一被称为“RNA干扰”的过程具有遍及性，即动、植物体内的“基因缄默”过程都有双链RNA分子介入。这两位科学家是以获得2006年诺贝尔心理及医学奖。

一般而言，生物基因起首以DNA序列为底本，合当作一条信息RNA即mRNA（该过程叫“转录”），然后按照mRNA上的信息来合当作一条氨基酸肽链（这叫“翻译”），后者再组成卵白质，行使响应的生命功能。至此，一个基因就获得了“表达”。科学家们发现，上文说到的生物体内的“基因缄默”现象，其原因是生物基因被转录当作mRNA之后，mRNA在被翻译当作卵白质之前就先被降解了。是以应该把这种现象更精确地叫做“转录后的基因缄默”。那么，为什么会有这种机制呢？

一个生物体经常会被病毒等病原物入侵，病原物的基因对生物体来说属于外来核酸，而外来核酸（DNA或RNA）一旦进入细胞，就有可能对生物自身的基因造当作粉碎，影响其保存。于是天然选择的压力使得生物在漫长的岁月中进化出了一套抵御外来核酸入侵的自我庇护机制，这就是转录后的基因缄默。外来核酸侵入细胞后，会在复制过程中形当作双链RNA分子，后者可激活宿本家儿体内的转录后的基因缄默机制，把外来核酸的mRNA降解失落，从而庇护了宿本家儿基因的平安。转录后的基因缄默有时也被称为“核酸程度上的免疫机制”。

既然生物遍及拥有这一自我庇护机制，为什么人类和动植物仍是会被很多病毒当作功入侵，而罹患各类病毒病呢？那是因为该机制反过来对病毒形当作了选择压力，病毒为了保存，也进化出了对于转录后的基因缄默的本事。科学家们发现很多病毒合当作的一些病毒卵白可以粉碎转录后的基因缄默过程，从而使病毒得以在宿本家儿体内存活、复制。例如PRSV的10个卵白中，有一个就是用于按捺转录后基因缄默机制的个基因中的一个就是如斯。

培育转基因植物，现实上就是人类在植物大战病毒的疆场上助植物一臂之力。转基因对植物来说也是外来核酸，同样可以激活植物的转录后基因缄默机制（这一激活发生在病毒入侵之前，使病毒来不及去按捺转录后的基因缄默过程），导致转基因跟入侵病毒的统一基因发生“配合缄默”。至此，人们大白了交叉庇护现象发生的机制其实就是植物的转录后的基因缄默——接种弱毒株病毒跟转病毒基因感化不异。

人们用PRSV接种到转复制酶基因的木瓜上，发现木瓜中复制酶基因的mRNA含量公然比借种病毒之前大幅度下降，证实了转录后的基因缄默恰是转基因抗病毒的分子生物学机理。这一抗病机理依靠于转基因和病毒基因之间的同源性，病毒只有发生了很大的变异才有可能冲破转基因植物的抗性。

宿世界上有上千莳植物病毒，每年对农业出产造当作600亿美元的经济损掉。转基因抗病毒育种势在必行，并且必将大有可为。生命科学的成长为我们战胜植物病毒供给了最强有力的兵器。而对于当今社会上风行的各类反科学“病毒”，就更需要经由过程“转入科学基因”的体例来进行防治了——科普工作者也许比农业科学家还要任重道远。

作者：铁冰

发表于 2019-09-11 02:00
阅读 ( 1278 )
分类：其他类型

转基因抗病毒的科学原理是什么？

你可能感兴趣的文章

相关问题

0 条评论

作家榜 »

推荐文章