点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:透视转基因育种:诠释基因横向传递的奥秘
首页> 科普频道> 三农科普> 基因故事 > 正文

透视转基因育种:诠释基因横向传递的奥秘

来源:光明网2021-01-13 09:29

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  出品:科普中国

  监制:中国作物学会 光明网科普事业部

  统筹:程维红 徐琴

  策划:宋雅娟 赵清建

  作者:邢瑞霞 刘昌林

      中国农业科学院作物科学研究所

  现代生物技术与公众的生活越来越紧密,比如转基因技术,已经在医学、农业、工业、渔业、环保等各个领域广泛应用。虽然,公众对转基因技术还存在误解和争议。但是,从全球来看,转基因产业发展迅猛。

  据不完全统计,从第一种转基因食品(西红柿)于1933年在美国上市以来,已经有150多种植物(包括大多数农作物)先后被进行转化改良,包括玉米、大豆等人类的主食作物,另外,有1000多种动植物已经或正在进行转基因研究。世界各国,特别是发达国家每年开展田间试验达数千次,发展中国家正在对约200多种转基因农作物进行田间试验。目前全球批准商业化种植的转基因作物已增加至30多种,包括玉米、大豆、棉花和油菜等,主要性状是抗虫和耐除草剂。

  从学术角度来讲,转基因技术通常指把某一物种(或相同物种)的基因定向转移到另外一个物种(或相同物种)中。这一过程打破了物种之间遗传壁垒,让人觉得不可思议。其实,在自然界中,这种遗传物质的传递方式属于横向基因传递(Horizontal Gene Transfer, HGT)。

  当然,还有一种方式叫做基因的纵向传递(Vertical Gene Transfer, VGT),比如,“龙生龙,凤生凤,老鼠生儿会打洞”“种瓜得瓜,种豆得豆”这些朴素的谚语说的就是这样的遗传学道理。我们知道,自然界生物体外形与性状表现实质上都是由于我们的遗传物质DNA决定的,是一代又一代遗传下来的,也就是基因的纵向传递,这一过程中子代获得亲代所具有的遗传特性的现象,是自然界中最广泛的遗传物质传递方式。

  和基因的纵向传递相比,基因的横向传递确实显得有些“非主流”,是指在具有生殖隔离的不同物种之间或单个细胞内部的细胞器之间以及细胞器和细胞核之间所进行的遗传物质的流动[1]。研究表明,在许多原核生物中,横向基因传递贡献了0.5%~25%的基因[2]。近十年,科学家在真核生物[3]、原核生物[4,5]、以及两者之间[6]发现了大量的横向基因传递现象,但大多数横向基因传递事件都是DNA的转移,尤其是在高等植物中,但也有研究发现存在mRNA的转移[7],甚至是整个细胞器发生转移[8]。遗传物质的横向传递是生物在进化过程中选择的结果。

  目前已发现的基因横向传递可以分为三类,包括(1)从原核生物到原核生物;(2)从原核生物到真核生物;(3)从真核生物到真核生物(图1)。已发现细菌细胞之间遗传物质的横向传递有转化(transfer)、接合(conjunction)、转导(transduction)等方式,1959年,有研究报道大肠杆菌的高频转导菌株可以将遗传信息传递给特定的鼠伤寒沙门氏菌。细菌之间遗传物质的横向转移在细菌进化过程中起着非常重要的作用。

透视转基因育种:诠释基因横向传递的奥秘

图1. 基因传递的方式

  原核生物与真核生物之间的遗传物质横向传递需要一个载体,细菌与病毒均可通过不同的方式感染寄主细胞,二者均可担当生物个体之间遗传物质横向传递的载体。其中,最为典型的例证是土壤中的农杆菌遇到双子叶植物的幼根时,可利用其自身的Ti质粒将与生长素代谢相关的基因转移到植物细胞的基因组上,入侵的外源基因在植物细胞中表达使植物生长代谢失调,影响其正常发育。另外,1991年,研究表明自然界存在某些特定的细菌能够入侵哺乳动物细胞,如弗氏志贺菌以及E.coli的入侵型菌株携带质粒进入哺乳动物细胞,质粒可以整合到哺乳动物基因组中,并稳定地在子代细胞中表达。

  除病毒和细菌外,一些低等的真核生物有时也可作为载体在遗传物质的横向传递过程中发挥作用,如一种常用的遗传实验模型动物—黑腹果蝇,其体内存在一种叫做Р因子的遗传物质,而与它近缘的数百个品种的果蝇中却没有发现这种因子,但在与其关系较远的一些果蝇(如南美果蝇)中是普遍存在的。通过分析,科学家们推测Р因子可能是通过螨虫从南美果蝇横向转移到黑腹果蝇体内的[9]。另外,红薯的进化是遗传物质横向传递最天然的例子,国际马铃薯中心的科学家发现来自美国、印度尼西亚、中国、南美部分地区及非洲等地的291种红薯品种中都含有农杆菌的基因,这证明在人类开始食用红薯之前,农杆菌就已经把它的基因插入到了作物野生祖先的基因组中(图2)。

透视转基因育种:诠释基因横向传递的奥秘

图2. 农杆菌侵染红薯的天然过程

  高等生物在长期进化的过程中获得了一种特殊的遗传物质传递方式:有性生殖,即雌雄个体之间通过配子的融合完成遗传物质在种内的交流。高等生物的不同物种之间存在生殖隔离,这是高等生物在进化过程中为保护物种稳定性而形成的一种机制。但是,生殖隔离并不是绝对的。高等生物在自然状态下有时会突破生殖隔离的局限,进行遗传物质的横向交流完成生殖,这种跨越物种的遗传物质横向传递是生物进化过程中新物种形成的一条重要途径,例如,骡子就是马和驴的杂交产物。另外,许多重要经济作物如烟草、油菜、棉花、菊花、郁金香等都是自然形成的异源多倍体,这些多倍体中的染色体组来自不同的物种。我国育种家鲍文奎等人利用远源杂交法选择培育的异源八倍体小黑麦,是在人工辅助下小麦与黑麦种间杂交的结果。

  在科学研究中,人类所进行的动植物杂交育种研究从开始在不自觉的状态下利用遗传物质的横向传递原理到如今的人工遗传转化,育种研究进程发展快速。农作物改良的内容非常丰富,涉及增产、高品质、抗病、抗虫、抗除草剂、抗逆、作物固氮、药物生产等诸多方面。转基因技术不仅可以使食品在品质、口味、色香等方面具有新的特点,有的还涉及到疾病预防和保健等方面,如防止动脉粥样硬化、骨质疏松等,这些优点都是常规育种手段所达不到的。

  单个物种的优良基因是非常有限的,物种的进化仅仅利用自然的力量是非常缓慢的。而物种与物种之间的优良基因是非常丰富的,横向基因传递将会创造出更多适应自然且品质优良的新品种造福人类,转基因育种就是最好的例证之一。

  参考文献

  [1] Ochman H, Lawrence JG, Groisman EA (2000). Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation. Nature, 405 (6784): 299~304.

  [2] Nakamura Y, Itoh T, Matsuda H, Gojobori T (2004). Biased biological functions of horizontally transferred genes in prokaryotic genomes. Nature Genetics, 36 (7): 760~766.

  [3] Mallet LV, Becq J, Deschavanne P (2010). Whole genome evaluation of horizontal transfers in the pathogenic fungus Aspergillus fumigatus. BMC Genomics, 11: 171.

  [4] Slot JC, Rokas A (2011). Horizontal transfer of a large and highly toxic secondary metabolic gene cluster between fungi. Current Biology, 21 (2): 134~139.

  [5] Mehrabi R, Bahkali AH, Abd-Elsalam KA, Moslem M, Ben M'BarekS, Gohari AM, Jashni MK, Stergiopoulos I, Kema GHJ, de Wit PJGM (2011). Horizontal gene and chromosome transfer in plant pathogenic fungi affecting host range. FEMS Microbiology Reviews, 35 (3): 542~554.

  [6] Anderson MT, Seifert HS (2011). Opportunity and means: horizontal gene transfer from the human host to a bacterial pathogen. Mbio, 2 (1): e00005~e00011.

  [7] Kim G, LeBlanc ML, Wafula EK, dePamphilis CW, Westwood JH (2014). Genomic-scale exchange of mRNA between a parasitic plant and its hosts. Science, 345 (6198): 808.

  [8] Stegemann S, Keuthe M, Greiner S, Bock R (2012). Horizontal transfer of chloroplast genomes between plant species. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109 (7): 2434~2438.

  [9] Kidwell MG(1994).The evolutionary history of P family of transposable elements. Heredity, 85:339~346.

[ 责编:张梦凡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 白玉兰戏剧绽放百年弄堂

  • “爱宠行”服务护航萌宠旅途

独家策划

推荐阅读
我们并不缺成果、人才与产业雄心,真正要补上的,是那批能将成果带过“最后一公里”的人
2026-04-10 14:38
春风送暖,踏青正当时,但接连不断的喷嚏、鼻痒、眼痒等过敏症状,却让不少人的春日心情打了折扣。
2026-04-10 10:30
“四月不减肥,五月徒伤悲。”春暖花开,网上晒运动、轻食的人多了起来。不少人把减重当作迎接春天的第一件事,尤其对很多女性而言,拥有理想身材的第一步就是减重。
2026-04-10 10:28
9日,国家卫生健康委、中央社会工作部、中央政法委等25部门联合印发《健全社会心理服务体系和危机干预机制实施方案》,部署5方面18项主要任务,明确到2030年基本健全覆盖全人群、全生命周期的社会心理服务体系和危机干预机制。
2026-04-10 09:56
新华社北京4月9日电第十四届全国人民代表大会第四次会议通过了《中华人民共和国生态环境法典》,法典单行本已由人民出版社出版,即日起在全国新华书店发行。
2026-04-10 09:56
就说春耕:老把式一手扶犁,一手扬鞭,汗水顺着脊背往下淌……  再看今朝:铁牛代替了水牛,无人机施肥撒药,手机指挥收割浇水,早已不再是新闻。相信随着越来越多的新技术、新方法走进田野,干农业会越来越安逸,农业这碗饭会越来越有嚼头。
2026-04-10 09:56
人工智能时代,我们如何更好就业创业?如何推动人工智能与就业创业深度融合?第四期光明智库民生论坛,我们邀请专家共同探讨人工智能时代的就业创业这一新课题。
2026-04-09 10:28
2026年的智能驾驶行业,正经历一场意味深长的路线分化。
2026-04-09 10:24
在贵州,无人机的身影成为山地农业的新风景,展现出通用航空业赋能山地农业高质量发展的广阔前景。
2026-04-09 10:12
碳排放看不见、摸不着,却关乎每一场国际气候谈判、每一笔碳关税账单。
2026-04-09 10:09
人工智能在延伸人类能力的同时,也深刻改变着就业创业形态和劳动力市场结构。我们既拥抱着技术进步带来的无限可能,也要理性审视挑战、主动适应变革。
2026-04-09 10:08
构建“科研—科普—科创”融合闭环,让科普全程嵌入新质生产力培育链条,方能破解成果转化低效、创新协同不足等突出问题。
2026-04-09 10:02
从实验室到田间地头,辽宁省农科院为科研院所、高校、种业企业等单位提供种质资源共享服务,打通种质资源转化的“最后一公里”,让良种真正走进千家万户。
2026-04-09 09:50
北京大学先进制造与机器人学院刘珂课题组与杨林课题组合作,从折纸艺术中获得灵感,成功实现了无需外部输入的电子器件智能温度控制,相关指标刷新世界纪录。
2026-04-09 09:47
最近,中国海洋大学教授、青岛海洋生物医药研究院首席科学家于广利远赴智利,只为一株南极褐藻。2014年,青岛海洋生物医药研究院正式运行,BG136成为其孵化的第一个海洋新药项目。
2026-04-08 09:51
4月7日,贵州省贵阳市,北京积水潭医院贵州医院医生在指导患者进行脑机接口康复训练。信息多跑路、群众少跑腿的背后,是西青区紧密型医共体数据互通共享,让信息实时对接、问题协同处置。
2026-04-08 09:49
绿色获得感,源自对优美生态最直观的感受,是看得见、摸得着的民生福祉。绿色获得感,源自生态与产业共促,让绿水青山成为富民兴业的金山银山。绿色获得感,源自城乡融合发展,让良好生态空间全民共享。
2026-04-08 09:44
2月5日,自然资源部组织的中国第42次南极考察队在东南极麒麟冰下湖区域,成功完成我国首次南极冰层热水钻探试验,突破国际极地热水钻探2540米的最深纪录,标志着我国具备在90%以上的南极冰盖和全部北极冰盖开展钻探研究的能力。
2026-04-08 09:43
当前,我国已进入中度老龄化阶段,失能、失智、高龄老年人逐年增多,养老服务需求呈现专业化、多样化、个性化特征。
2026-04-08 09:41
黄色的花在春天更早绽放,是植物经历数亿年的自然进化形成的一系列生存策略。
2026-04-07 10:29
加载更多