你吃的番木瓜,也许是科学家呕心沥血,用转基因技术挽救回来的

你吃的番木瓜,也许是科学家呕心沥血,用转基因技术挽救回来的
2020年05月26日 22:00 果壳

太长不看

1. 番木瓜环斑病毒自1945年被首次发现后,肆虐全球几十年,番木瓜家族近乎“灭门”。

2. 转基因番木瓜“华农1号”可以高效抗击番木瓜环斑病毒,获得了转基因生物安全证书后,开始进入市场。

3. 现番木瓜市场上90%以上都是转基因品种。

过去的2019~2020冬季,大家都因新冠病毒宅在家里,可是你们知道吗,刚刚过去的冬天是自1961年以来,我国冬季气温历史同期的第五高哦[1],是稳稳妥妥的暖冬。随暖冬而来的危害可不少,比如海平面上升、森林火灾、呼吸道疾病上升,以及蚜虫(腻虫)虫害。

不要小看蚜虫,它是对农作物最具破坏性的害虫之一,不光吸食植株的汁液,还能通过其口器传播几十种植物病毒,导致作物产量下降,甚至绝产,从而引起不可估量的经济损失,外加吃货的精神损失。

受吃货们喜爱的番木瓜家族,就差点因为蚜虫传播的番木瓜环斑病毒惨遭灭门,幸好科学家们及时研究出办法,为吃货们挽救了一条“果命”。

故事到底如何峰回路转的呢?让我们一起来看看。

番木瓜的病因

事情要从1945年的美国夏威夷群岛说起,这一年,当地的果农发现果园中的番木瓜树好像生病了,叶片的颜色不均匀,形状像鸡爪子,果实上还出现水渍状圆斑,树长得也没以前高了。时间一天天地过着,这种症状不见好转反而更加严重,叶片开始大量掉落,最严重的整棵树都死了,当地番木瓜产业几近被摧毁。果农们几经搬迁,非但没能解决问题,反而把这种病带去了更多地方。

发病症状 | 华南农业大学植物病毒研究室番木瓜团队提供

随着坏消息慢慢传开,科学家们开始研究番木瓜集体发病的原因,经过研究发现,罪魁祸首竟然是一种新型病毒,1949年美国科学家Jensen将这种新型病毒命名为Papaya ringspot virus[2](PRVS,番木瓜环斑病毒)

番木瓜环斑病毒为何肆虐?

传染病最严重的问题在于它强大的传染力。番木瓜环斑病毒(PRSV)主要是通过蚜虫(主要是棉蚜和桃蚜)取食番木瓜进行传播,别看蚜虫只不过芝麻大小,但它的传毒效率可是极高的。蚜虫只要在病株上停留2分钟即可携带病毒,取食健康果实5分钟就可将病毒传入[3]。除了这种昆虫“即食即传”的快速传播方式外,病毒还可通过果树嫁接、植株表面的伤口进行传播。很快,一株树上的病毒就能传播得很远。

那么如何降低这种病毒的传染力呢?一般可以从三个环节入手:传染源(番木瓜环斑病毒)、传播途径(主要是蚜虫)和易感体(番木瓜本身)。棘手的是,跟许多病毒一样,针对PRSV没有特效药,无法通过喷洒农药来彻底消灭传染源。切断传播途径也不是易事,蚜虫的繁殖极快,一年可以繁殖二三十代。如果长时间喷洒杀虫剂,蚜虫会产生耐药性,它繁殖快,变异率也高,一旦蚜虫变异,将更难防治。

这一系列操作下来,传染源和传播途径都很难控制,那么能否解决易感体,也就是番木瓜自身的易感问题呢?从田间调查和杂交培育的成果上来看,自然界中的番木瓜都不具有天然的PRSV优良抗性

于是,PRSV因缺少有效的防治手段,开始全球爆发。20世纪50年代开始传入中国,新型病毒没有天敌,能迅速扎根,疯狂传播,几乎所有的番木瓜种植区都遭其黑手,基本上哪里种植番木瓜,哪里就有番木瓜环斑病毒为害

番木瓜家族几乎被“灭门”。

电子显微镜下番木瓜环斑病毒粒体 | 参考资料[4]

番木瓜的劫后重生

虽然番木瓜本身没有抗病毒基因,但能不能从外界转入一段具有抗病毒能力的基因呢,答案是:可以。

早在20世纪80年代,美国的科学家就开始致力于转基因番木瓜的研究,他们发现转基因番木瓜表现出对番木瓜环斑病毒非常高的抗性。1998年,美国康奈尔大学和夏威夷大学合作研发的两个转基因抗病品系(‘SunUp’和‘Rainbow’)在美国开始进行商业化种植,在抗病效果和商品品质上的表现都很优秀,从此转基因番木瓜走上了美国市场。于2003年和2010年,美国的转基因番木瓜分别进入了加拿大和日本市场[5]

我们是不是也可以种植美国的转基因番木瓜呢?太天真了~这俩品种对我国的病毒株系不具备抗性(因为不同地区的病毒,其优势株系可能不同)

我国台湾早在1996年由中兴大学研究获得了高抗番木瓜环斑病毒的转基因品系。中山大学(2003年)[6]、华中农业大学(2004年)[7]和中国热带农业科学院(1991—2006年)[8]也进行了抗病转基因番木瓜的研究,但这些转基因抗病品系均停留在实验摸索阶段或安全性评价试验阶段,未能投向市场。

啥?都没有成功吗?别急,转机马上就到。

2006年,华南农业大学李华平教授等人研究的转“番木瓜环斑病毒复制酶基因”番木瓜“华农1号”通过国家安全性评价试验。该品种表现出了高抗番木瓜环斑病毒的性状,得到了安委会的批准可以进行商业化生产。从此,高抗番木瓜环斑病毒的转基因番木瓜也出现在了咱们的市场上。

我国饱受病毒折磨的番木瓜可算是得救了。“华农1号”就这么轻松地蹦出来成了拯救者?No~no~no~其实,转基因食品从研发到可以购买食用,过程漫长且艰难。

发病番木瓜植株(左)和“华农1号”植株(右)| 华南农业大学植物病毒研究室番木瓜团队提供

“华农1号”的辛路历程

1991年,李华平教授的老师范怀忠教授终于摸清了在我国华南地区肆虐的病毒的具体株系。经过师徒两代共同的努力,1998年终于成功获得了转基因番木瓜。

试验成功只是完成了革命的第一步,毕竟转基因番木瓜的最终归宿是被人们吃进肚子里,在食品安全上还有千山万水等着科学家去跋涉。为了保证食用安全,任何一种转基因食物,都需要通过我国完善精密的检测系统,进行定性、定量的安全性评价,要保障转基因物种不仅不会危害人类,还不会“打扰”自然界其他物种。

‘华农1号’的研究团队在1998年试验成功后,就开始申报安全性测试。2000年,获准进行‘华农1号’中间试验,即小面积试验种植,主要检测其抗病毒能力和果实毒性等。2001年,获准进行环境释放,即规模较大的试验种植,主要检测转基因番木瓜在自然界中会不会长着长着就变了(如颜色和味道),以及是否对其他动植物有影响,等。2005年获准进行生产性试验,即大规模试验种植,综合评价转基因番木瓜的抗病效果及果实品质。

经历了6年的安全性评价试验,“华农1号”取得结果如下:

  • 生态环境安全性评价[9]

    食用安全性评价[9]

  • 番木瓜无法与其他植物杂交(生殖隔离),因此不会与其他物种交换遗传物质

    转入的外源基因大自然中本来就有,而且这种基因的表达产物对人、畜是无害的

  • 在转基因番木瓜的后代中,转入的外源基因遗传很稳定,不会随意变异。

    由于基因沉默机制,转基因番木瓜果实中基本不存在外源基因了(后文有详情)

  • 转基因番木瓜除了具有抗病毒能力,与非转基因番木瓜在自身特性上没有任何差异

    试验表明,转入的外源基因表达的蛋白质,在人体消化过程中很快就被降解了

  • 转基因番木瓜对种植环境中的其他生物不会产生任何影响

    过敏原试验表明,转入的外源基因不是任何一种已知的过敏原、毒蛋白或抗营养因子

  • 转基因与非转基因番木瓜果实的营养成分无任何差异

  • 番木瓜本身具有的异氰酸苯毒素,在转基因番木瓜体内存在含量无任何差别。

一句话概括,此瓜安全!小伙伴们放心吃!

“华农1号”安全证书及其果实形态 | scau.edu.cn

目前,市场上转基因番木瓜占90%以上。喜欢吃番木瓜的朋友应该都吃过。

由于转基因番木瓜的种植户和销售较为零散,在进行转基因标识上存在困难,所以《农业转基因生物标识管理办法》未将番木瓜列入目录,也因此很多人并不知道自己吃过转基因番木瓜。

知道了仍可以放心吃~在研究团队的长期监测中,未曾发现转基因番木瓜的种植对环境和食品安全性产生不良影响[5]

神奇的外源基因

接下来让我们再深入地了解一下“华农1号”吧,它究竟有什么神力,可以制服肆虐了几十年的病毒。那段叫“番木瓜环斑病毒复制酶基因”的外源基因又是什么呢?

真相只有一个 | 《名侦探柯南》剧照

真相时刻(自带BGM):答案是基因沉默机制

早在1928年科学家就观测到,给植物接种弱毒性病毒,可以使植株获得相关病毒的抗性。听上去是不是有些耳熟?像不像给人类接种牛痘来预防天花?

虽然,植物不像有脊椎动物拥有免疫系统,可以对抗病毒入侵,但是也有属于自己的抗病毒机制,这就是“基因沉默机制”。当弱毒性病毒的遗传物质(RNA)入侵植物细胞之后,植物的“抗病毒”蛋白质会与弱性病毒的RNA结合[11],如果植物体内再遇见相似的病毒RNA,就会诱导对其切割,损毁入侵的RNA,从而达到“免疫效果”。

针对番木瓜环斑病毒(PRSV),“华农1号”的研究团队选择对PRSV最重要的 “番木瓜环斑病毒复制酶基因”下手。病毒繁殖不需要怀胎十月,只需复制自己的遗传物质(RNA)再加一个蛋白质外壳就ok了,这个过程就需要“番木瓜环斑病毒复制酶基因”,没有了这个复制酶,病毒将无法复制遗传物质,更不用说进一步传播了。

研究人员机智地利用了植物的“基因沉默机制”,将“番木瓜环斑病毒复制酶基因”植入,让这段基因在番木瓜体内正常表达。当植株遭受PRSV的入侵,“番木瓜环斑病毒复制酶基因”将会与相似片段结合,并损毁这段基因,导致PRSV无法自我复制,番木瓜因此就对PRSV“免疫”了[12]

了解了机理后,不难发现,其实转基因番木瓜在抗击过病毒之后,其体内转入的那段外源基因就会降解,所以转基因果实和非转基因果实几乎无差异。因此,在食用的过程中,无需有太多顾虑。

至此,番木瓜家族 “灭门”事件已经告一段落了,是科技的进步结束了这场“瘟疫”,拯救了一个家族。我们回望历史长河,会发现科技前进的每一小步,都是经过长期试验和反复验证的结果,经得住考验。科技对生活的改变有时悄无声息,也许需要我们慢慢地思考和适应。

吃货朋友们,还知不知道其他被病毒逼入绝境的食物呢?

作者:韩李菲

编辑:范可鑫 凝音 张馨木

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