第一篇第二十八章基因工程在农业及环保中的应用 (1)

    基因工程技术人世以来，许多以前连想都不敢想的事情变成了现实，在人类的生活中，

    无论是工业、农业，还是医学、环境等方面，基因工程技术都给人类带来了光明的前景。在

    这里，将主要介绍它在农业及环境保护中的应用。

     基因工程与农业

    人的生存离不开食品。人口的不断增长，所需的食品量就必定不断增加，因此，食品

    短缺问题是摆在人类面前的一个重要问题。国外一个由5名诺贝尔奖金获得者和10位世界著

    名科学家组成的“未来行动委员会”预测：到2015年，世界人口可能增长到80亿，在今后的

    十几年中，要满足人类对食品的需求，包括粮食、畜产品、水产品等在内的食品生产，必须

    比现在要有成倍的增加。

    人类为了生存，早就对农业进行过“革命”。在欧洲有人认为，到目前为止，农业已进行过

    两次革

    命：第一次是18世纪60年代，在农业生产中以畜力代替人力；第二次是20世纪50～70年代，

    以机械代替畜力，同时伴随灌溉、化肥、农药、除草剂、人工授精及杂交育种等新技术的应

    用。而基因工程技术则将引发起第三次农业革命。基因工程在农业上的作用是巨大的，有许

    多问题可以用基因工程的方法去解决。

    除草与防治病虫害

    过去，田间人工锄草是件常规劳作，花费了不少的劳力。后来，人们为了从繁重的锄草劳动

    中解放出来，发明了一种强力化学除草剂——草甘膦。试验结果表明，它的确能杀死田间

    大多数杂草，但不幸的是，它也能杀死许多作物(主要是宽叶作物，如棉花)。研究表明，它

    之所以能杀死这些植物，是因为它能阻断这些植物中的一种酶的形成，而这种酶正是这些植

    物合成各芳香族氨基酸所必需的。因此，由于这种酶的缺乏，就导致了各芳香族氨基酸的缺

    乏，也最终导致了不能合成生命所必需的蛋白质(这些蛋白质需要各芳香族氨基酸为原料)而

    使这些植物死亡。基于上述认识，研究者通过基因工程方法，成功地把对草甘膦具有抗性的

    基因转移到作物染色体上，使其产生的酶能消除草甘膦对作物的破坏作用，如不再阻断各芳

    香族氨基酸合成时所需要的那种酶。所以，现在种上这种抗草甘膦的转基因作物，待田间杂

    草出现时，喷上草甘膦就可方便地消除杂草，而作物仍安然无恙。由于人类本来就不能合成

    这些芳香族氨基酸，建造其蛋白质时必须从食物中获得，所以除草剂对人类无害。

    在过去的作物生产中，防治病虫害也是件常规的劳作，要花费不少的劳力和财力。转基

    因植物也能抵御虫害侵袭。有一种番茄毛虫，由于食番茄叶而使番茄受到毁灭性损害。研究

    发现，土壤杆菌中有一基因编码一种酶，能把昆虫(其中包括番茄毛虫)的一种胃酶转化成有

    毒物质，可导致昆虫瘫痪死亡。研究者已分离出这种基因，并转移至番茄染色体上而成为转

    基因番茄。试验表明，把这种转基因番茄与普通番茄种植在一起并施放番茄毛虫时，结果转

    基因番茄枝叶繁茂和硕果累累，而普通番茄却被毛虫吃得片叶不留。许多植物害虫(如地老

    虎)还专门毁坏植物的根。为了避免这一危害，研究者也已把上述土壤杆菌的那一基因转移

    至与根群居的细菌中。昆虫在吃植物根的同时，也吃了与其生活在一起的转基因细菌。同样

    ，由于这种转基因细菌产生的酶，能使昆虫的一种胃酶转化成有毒物质，而导致

    昆虫死亡。由于哺乳动物中没有昆虫中的那种胃酶，所以人吃这种转基因番茄时，不会产生

    有害物质，从而对人体无害。

    此外，培育抗寒、抗旱、抗盐碱的新品种，使荒芜的沙漠长出绿油油的牧草，使未开垦的不

    毛之地长出丰硕的粮食。将叶绿体中的高光效基因转移到另一种品种中，以增加光合效率从

    而大幅度增加粮食产量，达到为世界提供更多粮食的目的。还可以用基因工程技术改善粮食

    中的蛋白质含量，如把大豆的蛋白基因转移到水稻中，把玉米醇溶蛋白基因转移到向日葵里

    ，在玉米中加入赖氨酸密码子，用基因工程技术选种、育种，用基因工程菌使农作物免遭冻

    害……诸如此类，不胜枚举。

    生物固氮

    要提高农作物的产量，除了选育优良品种外还要有足够的肥料，这个问题也需要基因工程来

    帮忙。

    我们知道世界人口1999年已达到60亿，21世纪中期将突破100亿大关，而耕地面积却不断减

    少。在今后几十年内要满足世界人口对食品的需要，粮食、畜产品和水产资源等食品的生产

    ，至少需要翻一番。

    20世纪70年代末生物工程(新生物技术)的问世，使人们看到了解决食品短缺问题的希望。

    利用细胞工程，通过细胞和组织培养技术进行快速繁殖(也叫试管苗)；通过基因转移技术等

    培育出抗寒、抗旱、抗盐碱、抗病的新品种，以提高农作物产量和降低生产费用。目前，

    利用生物工程，无论在农田作物、蔬菜、果木等的优良品种的选育上，还是在海洋资源的开

    发上，都有很多成功的实例。

    我们知道，豆科植物不施肥或少施肥也能丰收，这是什么原因呢？这是由于豆科植物能固定

    空气中游离的氮。于是科学家们就通过基因工程把豆科植物的固氮基因转移到其他作物根际

    周围的细菌体内，使它们也能固定氮素，供农作物生长。科学家们更进一步的研究，是通过

    基因工程技术把豆科作物的固氮基因直接转移到禾本科(诸如稻、麦)的根上，使之能直接固

    氮，这样，禾本科作物和豆科作物一样也能固定空气中的氮素，从而达到不施氮肥或少施氮

    肥也能丰收的目的。

    巨型家畜的产生

    基因工程技术对发展畜牧生产也提供了广阔的前景。在基因工程技术的生产情况下，可使奶

    牛的产奶量提高15%～20%，奶羊的产奶量提高8%～12%，猪日增重提高约15%，且瘦肉比例增

    加。在饲料生产上采用基因工程技术，可以使饲料价格大幅度下降。

    此外，人们还在考虑基因转移是否也可以改造多细胞生物的整个个体呢？如果可以的话，

    这就意味着，可以把体形较大动物的生长素基因转移到较小动物中去，而使后者体重显著增

    加。

    答案是肯定的，巨型小鼠的产生就是一例。其产生过程如下：

    (1)假孕小鼠和受精卵的准备。选择自然发情的正常雌小鼠2只：一只与事先扎好输精管的不

    育雄鼠交配，造成假孕，使这只雌鼠成为假孕小鼠；另一只与正常雄小鼠交配14～16小时

    后，剖腹从输卵管中取出受精卵。

    (2)显微注射。把目的基因(大鼠生长素基因)用显微注射器注入受精卵。

    (3)将注射有目的基因的受精卵移植至假孕小鼠中，以发育成个体。

    (4)转基因动物的鉴定。同窝鼠中，巨型小鼠为转基因小鼠。转基因小鼠间交配，产生的

    仍是巨型小鼠，说明这些小鼠在遗传上是稳定的，可一代一代地传递下去。

    转基因小鼠试验的成功，使人们不禁设想，以此类推，如果把体形较大动物的生长素基

    因转移到较小的经济动物中去，也应使后者的体重显著增加。例如，把大象的生长素基因转

    入到猪中，就可能使猪长得像象那样大；把人的生长素基因转入到鱼中，就可能使鱼长得像

    人那样大；把鲸的生长素基因转入牛羊等家畜中，也可能长得硕大无比。

    如果有一天人们不喂鸡也能吃到没有蛋壳的鸡蛋，你也千万不要奇怪，因为有了基因工程，

    什么都有了可能。

     白色污染的克星

    在我们周围环境的垃圾中，废纸木材都会自然腐烂，破铜烂铁也会被氧化、锈蚀，都会较快

    地进入自然的物质大循环中。惟有那些被称为“白色污染”的塑料，由于它们极难分解而

    成为自然环境的“癌症”。

    现代遗传科学和基因工程技术的发展，科学家已查清具有分解塑料能力的蛋白酶的遗传

    密码，并把具有这种分解能力的基因转入细菌内，得到了具有分解塑料能力的细菌。

    科学家还发现，有些细菌在缺氧或缺氮条件下，会分泌出一种大分子聚合物以作为其食物的

    补充，而这种聚合物正是天然塑料。显然，这种细菌必有分解塑料的基因。把这种细菌直接

    放入“白色污染”地区，并给予缺氧条件，细菌就可把塑料分解。或者，把这种细菌分解塑

    料的基因移植到另一种繁殖更快的菌体内，其分解塑料的能力便会大为增强。

    救死扶伤的生力军——

    基因工程在医学上的应用

    众所周知，人类的健康受到各种疾病的威胁，每当人们找到一种治疗疾病的方法时，就会使

    人类的平均寿命有所增加。例如，自从人类发现了牛痘，控制了天花后，就使人类的平均

    寿命增加了10年。又如人类发现了青霉素，用它来对付各种细菌，这又使人类的平均寿命增

    加10年。如今基因工程也加入了这一队伍，担当起救死扶伤的重担，那么它是如何发挥作用

    的呢？

     能制造药品的细菌工厂

    多年来，人们被一些传染性的病毒病(如乙型肝炎)、癌症、艾滋病以及遗传病所困扰，科学

    家们一直想利用人体天然存在的蛋白去治疗这些疑难病。例如，现在使用从人

    的血液中提取白蛋白来预防和治疗疑难病，用从人体白细胞提取的干扰素治疗癌症等。可这

    些提取的蛋白含量极低，难以大量生产，价格十分昂贵。

     基因工程的出现使得人们的梦想的以实现。

    1977年美国加州希望医学中心的科学家第一次使大肠杆菌产生了人脑中的一种激素——生长

    激素释放抑制素，这个成就引起了世界范围的震动。那么，这个实验是怎么进行的呢？博耶

    等人认为，可以用化学合成法人工合成这种激素的基因，这样可以避免从人类基因库

    里分离这种基因的复杂工作。博耶等人首先把大肠杆菌染色体中的启动子分离出来。什么叫

    启动子呢？启动子好似电灯的开关，只有打开开关电灯才能亮起来，而在生物体内，只有细

    胞核里染色体上的启动子启动时基因才能产生蛋白质。他们把分离得到的启动子连接到人工

    第一篇第二十八章基因工程在农业及环保中的应用 (2)

    合成的生长激素释放抑制素基因上，而后再把这个基因和大肠杆菌的质粒连接在一起成为一

    个重组质粒。这个充当拖车的质粒携带着人工合成的生长激素释放抑制素基因进入大肠杆菌

    。当启动子在大肠杆菌中被开动时，生长激素释放抑制素基因也被大肠杆菌当作是自己的一

    个基因而充分地表达功能。于是在大肠杆菌细胞内就产生出了人脑生长激素释放抑制素。这

    种大肠杆菌和原来的大肠杆菌不一样了，因为它带上了能产生生长激素释放抑制素的基因，

    所以叫做工程菌。把这种工程菌放进发酵微生物的发酵罐里，这种工程菌就不断地大量繁殖

    ，这些工程菌的代谢产物里就产生出了许多治疗疾病的人生长激素释放抑制素(图1-17)。这

    些经过改造的大肠杆菌(还可以用枯草杆菌和酵母菌等)产生的工程菌，不正是一座能生产贵

    重药品的活的细菌工厂吗？

    用这种活的细菌工厂生产的抑制素价格从原来的每克5万美元下降到每克300美元甚至更

    。而且这种方法生产的产品比较纯，给人注射后不会出现过敏反应，也就是说不会因为用药

    给人体带来副作用。

    除抑制素外，激素、淋巴因子、神经多肽、调节蛋白、酶类、凝血因子等人体活性多肽

    及某些疫苗对疾病的诊断、治疗和预防有着极其重要的作用，然而因材料来源困难、工艺复

    杂，使之造价高昂，许多患者对此望而止步。

    基因工程的问世，可以说是给这些患者带来了福音。许多昂贵药品的造价成百甚至上千倍地

    下降，从而不再是可望而不可求了。除前文所述抑制素外，下面我们再举一些实例以见一斑

    。

    干扰素是人及动物产生的一种蛋白质，具有调节免疫功能及抗肿瘤作用。用病毒或抗原

    作诱发剂，刺激白细胞或淋巴细胞产生干扰素的方法，数量极少，用于临床试验困难极大。

    用基因工程的方法，可以从1升发酵液中得到600微克干扰素，相当于从1000升血液细胞中获

    得的量，而且成本也便宜得多。如用普通方法制备1毫克干扰素需花费上万元，而用细菌生

    产仅需几美分。这其中的差别简直是天渊之别。目前，干扰素已大量用于临床。

    基因工程技术在制药工业中的应用相当广泛且硕果累累，这里所据的例子仅是管中窥豹。相

    信基因工程技术将为医药领域提供更多更新的产品，使许多疾病的用药问题随之迎刃而解。

     分子听诊器——基因诊断

    在英国历史上，维多利亚女王是统治时间最长的君主。有“欧洲的祖母”的称号，不幸的是

    ，“欧洲的祖母”是一种遗传病——血友病致病基因的携带者。血友病是一种因

    先天缺乏某种凝血因子而引起的遗传性出血性疾病。这各病的可怕在于患者都有出血倾向，

    而且出血后血液极不容易凝固。患者的这一情况从婴幼儿时逐渐加重。一点轻微的乃至不易

    觉察的损伤，对别的孩子来说算不了什么，但在血友病患者的身上却可引起大片的出血，

    并可进一步导致严重出血乃至死亡。

    除了血友病之外，还有一种医学上称为“镰状细胞贫血病”的遗传病。这种病人的红细胞在

    显微镜下观察，像一把又长又弯的镰刀。患有镰状细胞贫血病的病人完全不能进行激烈运动

    ，而且长期遭受慢性贫血的折磨，也无药物治疗。镰状细胞贫血常见于黑人，发病在幼年时

    期，是一种致命的疾病。

    诸如此类的遗传病还有很多，据目前所知，只有少数几种常见的遗传性疾病可以根据患

    者的体表特征进行诊断外，其他的诊断起来十分复杂。

    怎样才能早期诊断这些疾病呢？为此，科学家付出了艰辛的努力，终于找到了基因诊断

    的方法。假定某种致病基因有一特定的基因片断。人们为了要找到这一致病基因，就要用人

    工方法先合成一单链DNA片段，其碱基序列正好与这一致病基因特有的片段中的一条链互补

    。为了方便地识别，还要给这一单链DNA片段打上标记：如果用放射性元素标记，就可用

    放射性自显影识别；如果用荧光标记，就可用荧光显微镜识别，等等。这种带有标记的特

    定的单链DNA片段就叫基因探针。

    如果一患者的疾病是由这一致病基因引起的，那么，其DNA经裂解成单链(如通过加热)

    后，与上述基因探针混合，它们就会根据碱基互补关系结合成双链DNA片段。由于基因探针

    带有标记，很容易找到这一双链DNA片段，从而也就找到了这一致病基因。

    因此，基因诊断是用基因探针来诊断疾病的一种新型诊断技术。用基因探针诊断疾病，

    好比军队工程兵用探雷针(相当于检查某种疾病的基因探针)探测地雷(相当于产生某种疾病

    的致病基因)一样，灵敏度和准确度均佳，又简单快速，为疾病诊断解决了许多难题。

     治病治根——基因疗法

    遗传疾病，每年给患者的家庭造成了沉重的经济和精神负担，对于这样的遗传病，原来并没

    有什么好的治疗方法。但是基因工程的发展，基因治疗为遗传病的治疗提供了诱人的前景。

    1990年，美国在临床治疗上开了基因治疗的先河。

    1990年时，阿珊蒂是一个年仅4岁的小女孩，但是，在过去的4年中，她总是生活在玻璃罩中

    。隔着透明的玻璃罩，她只能用羡慕的目光看着和她一样大的孩子无拘无束地奔跑在蓝天白

    云下，穿行在红花绿草中。但她不能，因为她患有严重的复合免疫缺失症，原因是她继承了

    父母亲各自的一个缺失基因，使她的身体不能产生腺苷脱氨酶，而这种酶是人体免疫系统完

    成正常功能所必需的。阿珊蒂由于缺少这种酶而使免疫系统停止运转，因此极容易受到病菌

    的感染。正因为如此，她就只能采取逃避的办法——生活在玻璃罩里，以隔绝致病菌的侵袭

    。因为，即使是对正常人难以

    致病的细菌，对她来说都可能是致命的。9月14日这一天，4岁的阿珊蒂成为第一位经美国政

    府批准的接受基因疗法的病人。

    为对阿珊蒂进行基因治疗，美国的几位科学家组成了一个专家小组。他们从阿珊蒂的体内取

    出免疫系统的白细胞，把正常复制的缺失基因插入这种收集物内，然后把经过处理的细胞送

    回到阿珊蒂的血液循环系统中。在4个月的时间内，阿珊蒂接受了4次这样的灌注，病情得到

    了根本的改善。终于，阿珊蒂获得了一个普通孩子应该拥有的能自由地奔跑、跳跃的权利，

    她回到了蓝天白云下，回到了自然母亲的怀抱中。现在的阿珊蒂已是一个健康、活泼、热爱

    生活的少女。

     生命科学的登月计划

    人类从古至今都想揭开生命的奥秘，都想了解人体自身，探究人的生、老、病、死、思维、

    记忆等到底是怎么一回事。16世纪，比利时有一位叫维萨里的医生进行尸体解剖，记述了人

    体各个器官的结构，为近代人体解剖学奠定了基础，到了20世纪50年代，沃森和克里克提

    出了脱氧核糖核酸(DNA)双螺旋结构模型，使人体科学从细胞水平进入分子水平，从人体器

    官的解剖进入人体遗传物质——基因组的解剖。

    人类基因组就是人类细胞内全部DNA的总和。人类DNA总长为30亿个碱基对。解剖基因组

    就是要分析测定这30亿个碱基对的排列顺序，进一步破译核苷酸序列中所含的遗传信息，只

    有这样才能认识生物功能，才能解释多种生命现象，才能找到治疗各种疾病的方法。

    1986年3月7日美国科学家杜尔贝科在美国《科学》杂志上发表了一篇文章，题目是《癌

    症研究的转折点——测定人类基因组序列》。他说，癌症研究的成果使我们认识到：

    癌症与其他疾病的发生都与基因有关。所以人们要征服癌症，要治疗疑难病就要在人体内

    定位基因、分离基因、研究基因的功能，这样才能预防、诊断和治疗这些疾病。杜尔贝科认

    为要测定人的全部基因有两种做法。一种是分散地各自寻找自己感兴趣的基因，另一种方法

    是有计划地测定人类的整个基因组序列。杜尔贝科认为测定人类的全部基因序列是任何一个

    实验室都难以承担的，应该成为国家级的项目。

    在杜尔贝科等众多科学家的倡导、策划下，在美国经过整整5年的讨论，才使政府决

    策者、科学家和民众一致认识到：人类所有的疾病，都直接或间接与基因有关，只有把人

    体全部基因搞清楚才能使世界上许多疑难病得到根治。于是美国政府在1986年制定了一

    项规模宏伟的基础研究规划，这就是“人类基因组计划”。计划中决

    定由美国能源部和国立卫生研究院共同出资30亿美元，集中组织力量在15年内完成人类全

    部基因组30亿个碱基对的排列顺序的测定和图谱分析。也就是说要把人体内十万个基因

    所在的位置定下来，把基因分离出来，研究它的功能，认识基因和疾病的关系。这是一项

    十分艰巨的浩大工程。美国基因研究会的科学家雅各布斯把这项工程比喻为在“干草堆中

    寻针一样，但意义重大，这可与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相提并论，共组成

    人类自然科学史上的三大计划”。

    人人都希望自己的下一代更聪明，将来人类可以通过基因技术预先决定后代的各种生理特征

    ，如眼睛的颜色、头发的颜色、身高以及寿命等，未来出生的孩子将在其出生以前就具有

    了对付上百种疾病的抵抗力。一个新生儿出世时，如果法律准许而他的父母又愿意的话，就

    能拿到这个孩子的基因组图。这张图显示这孩子成长过程大概会有多高，是否色盲、秃顶、

    发胖，会有什么致命的遗传病等。

    参与人类基因组计划的各国科学家达成共识：人体基因组图谱是全人类的财产，有关人类基

    因的最基本研究资料，包括DNA测序和基因蓝图等，应该向全世界公开，使基因研究成果免

    费共享，尽快造福人类，实现其最大价值。虽然这些成果真正应用于医疗实践可能还要十几

    年乃至几十年，但可以预料，随着基因研究资料对全球科学家的公开，以及人们对此更深入

    的研究，它必将为全人类带来无可限量的福音。

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