一株转基因植物的诞生

2014-5-10

设想，你要把一台机器，从生产厂里运输到需要这台机器的工厂里，并让它顺利工作，要通过几个步骤呢？

首先呢，我们要先把这台机器生产出来，然后打包，装到汽车上并运输到目的工厂内，安装机器，最后经过一系列调试，才能让工厂使用这台新机器进行新产品的生产。

和这一过程相似，生产转基因植物，也需要上面一系列步骤。在一个典型的转基因植物生产过程中，这些步骤分别称为目的基因克隆、载体构建、转化、重组，以及筛选。

1 基因克隆。
巧妇难为无米之炊，要生产转基因植物，那么必须得有这个需要被转的基因。这些基因的来源可是五花八门的，现在最广泛使用的BT蛋白基因和抗草甘膦基因，就来自于两种细菌。不过，托沃森和克里克的福，我们知道所有的细胞生物都共用一类遗传物质：DNA。因此，细菌来源的基因，也可以在植物中起作用。

通过序列比对和分析，并加上如今丰富的基因组数据库，我们可以很容易的找到和确定目标基因的序列。然后，利用最常用的PCR手段，就能将我们所需的基因片段，从原来的生物基因组中克隆出来。

2 载体构建。
不过，光把基因这一段DNA克隆出来还不够，我们要把它包装一番。为什么要包装呢？因为大家都知道，DNA分子是长线状的，但是线状的DNA分子末端比较容易发生降解。因此，我们把这一段目的基因，通过酶连接到一个特定质粒分子上，构成一个插入目的片段的新的质粒分子。这样做有几个好处，一来，质粒是环状的，没有游离的末端，因此可以稳定线状的DNA分子，二来，质粒可以在大肠杆菌内随着大肠杆菌的分裂而复制，从而可以方便的大量获得含有目的基因的质粒分子。第三，质粒上还具有一些元件，可以让目的片段更加容易的进入植物体内和表达。那么，为什么就能让进入植物体内变得容易呢？来看第三点：

3 转化。
这一步，我们要请出一个重要的运输员：农杆菌。农杆菌是一类土壤细菌。在它“从良”之前，它经常会侵染植物，让侵染部位细胞大量分裂，形成小疙瘩，我们称为“冠瘿”。科学家们发现，农杆菌之所以会让植物产生冠瘿，是因为农杆菌能把它自身含有的一段DNA插入植物的基因组中。这段DNA上有编码植物生长素合成所需的酶，以及合成细菌喜欢“吃”的化合物的酶。于是，科学家们利用生物工程手段改造了农杆菌这一区段DNA，保留了农杆菌将自身片段插入植物能力，但是去除了合成生长素和营养物质的基因，并且还加入了一些“装载位点”，方便我们“装货”。

这段被改造的DNA，其实就是我们上面说到的特定的质粒分子。等目的基因被包装好之后，就会把它转入农杆菌体内，然后，携带有包装好目的片段的农杆菌，就可以去侵染植物了。
由于植物具有厚厚的细胞壁，因此，人们一般选择较为幼嫩的部位来让农杆菌侵染，对于玉米，多使用花粉管来侵染，而对于大豆，则采用茎尖分生区来侵染。在侵染后，农杆菌这个勤劳的运输员，就将携带（但不止含有）目的基因的DNA片段转入植物体内，并整合到植物基因组上，来完成“运输”和“安装”过程。

4 筛选
不过，光让农杆菌跑了一趟并不是万事大吉了。我们还要解决一下几个问题：农杆菌有没有把货运到？功能正常吗？有的时候，我们还想更进一步知道这个“机器”安装在“流水线上”的那个部位？这，就需要筛选了。

检测“有没有把货送到”，这个在生物学上称作转化子筛选。通常，在那个特定的质粒上，还存在另一个基因，这个基因就是为了检测“货”有没有真正送到的。当DNA片段插入植物基因组后，这个基因能够产生一定的信号，告诉人们“货已到位”。这个基因就是报告基因。通常使用的报告基因是一个编码能够分解抗生素的基因。当这个基因进入植物基因组后，植物组织就不再害怕培养基中添加的抗生素了，这样，能在培养基上存活的，就都是“货已到位”的植物组织了。这一方法十分便捷，因此在科研中很常用，第一代转基因作物也大多采取这一策略。

不过，对抗抗生素毕竟会引起一些人对于抗生素抗性泛滥的担忧。虽然转基因植物对抗生素的抗性很难传播（毕竟编码的是一个蛋白，而编码它的DNA和它本身很容易在环境中和人体消化道中被破坏），但是为了打消人们的忧虑，科学家们还研发了“非抗生素筛选体系”。例如，pmi筛选体系，就不用抗性基因而是使用一种磷酸甘露糖异构酶基因作为报告基因。这种名字很拗口的酶的存在，可以让植物利用培养基中通常不能被利用的甘露糖作为碳的来源，这样，“货没有到位”的植物细胞就会一直处于饥饿状态，而DNA片段成功插入的植物组织则“白白胖胖”，很容易区分。此外，还能通过一些手段在抗生素筛选完成后，把抗性基因切掉。常用的Cre/Loxp系统，就能在筛选完成后准确的将抗性基因切除，从而也能生产出没有抗性基因的转基因植物。当然，随着大规模测序技术的发展，我们也可以不用报告基因，而是直接依靠测序判断目标基因是否插入，这就更没有值得担心的了（除了...小钱钱以外）。

在确定DNA片段已经插入植物基因组后，我们就可以将这些植物组织进行组织培养，由于植物细胞具有全能性，我们就能获得完整的携带有目的基因的植株了。从定义上讲，这些植物都已经可以算作“转基因植物”了。但是，事情还没有完全结束，这些“转基因植物”还需要通过一个十分重要，但也经常被外行人忽略的检测，那就是判断目的基因是否正常表达。由于目的基因的性质十分多样，因此，检测的手段也是多样的。例如，通过热不对称交错PCR，我们可以确定目标基因在植物基因组上插入的位置、通过Real-time PCR以及western杂交检测目标基因表达水平、甚至通过转录组和代谢组学技术分析植物基因组规模的表达以及产物变化的情况等等。但对于要生产目标是商业化种植的转基因植物来说，原则就是，目标基因所具有的性状一定要产生；同时，尽量不产生其他非目标的性状；如果出现非目标性状，那么也必须是无害的。通过以上检验最终获得的成品，才是一株真正意义上的转基因植物了。