论基因工程技术对绿色食品产业的影响，本文主要内容关键词为：绿色食品论文,工程技术论文,基因论文,产业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
基因工程技术的核心是DNA重组技术。DNA重组技术产生于20世纪70年代初，自其诞生时起，世界各地的科学工作者就致力于应用此项技术改良生物体。但由于当时缺乏有效的基因转化手段，外源基因很难被插入到宿主基因组中，因而这一高新技术的应用曾一度受到限制。20世纪80年代初，随着各种将外源基因导入宿主染色体中的介导技术的发现，使得外源基因整合、固定到宿主细胞染色体中成为可能。因此科学工作者可以针对动、植物和微生物的性状进行定向修饰改良，开辟了利用现代生物技术进行品种改良的新途径，涌现出一大批基因修饰的动、植物及微生物，并迅速地应用于生产实践，在世界范围内形成了一个年产值超过上千亿美元的高技术产业，极大地推动了包括农业和食品工业在内的许多产业朝着高技术方向发展。
近年来，基因工程技术在农作物品种改良方面的应用取得了丰硕的成果，并产生了深远的社会影响。利用基因工程技术可以提高植物的抗病、抗虫性，大大减少农作物种植过程中的农药使用量，利用基因工程技术可以在不经过复杂加工处理的情况下，提高食品的营养价值、去除食品中有害的化学成份、减少加工污染。因此，大力发展基因工程技术在农业与食品工业中的应用，必将有力地促进绿色食品产业的发展。
1 基因工程技术的基本原理
目前对基因工程尚无统一的公认定义，但一般认为基因工程技术是指将外源的核酸分子（目的基因）导入到原来没有这类基因的宿主生物体内，并能持续稳定地繁殖，从而使宿主生物产生新的性状。近代分子生物学在理论上的三大发现和技术上的三大发明对基因工程技术的诞生起到了决定性的作用。
1.1 基因工程技术的三大理论基础
20世纪40～60年代，分子生物学上的三大理论发现为基因工程技术奠定了理论基础。一是20世纪40年代Avery 等人通过肺炎球菌的转化试验证明了生物的遗传物质是DNA，而且证明了通过DNA可以把一个细菌的性状转移给另一个细菌。这一发现被誉为现代生物科学的开端，也是基因工程技术的理论先导。二是20世纪50年代Watson和Crick发现了DNA分子的双螺旋结构及DNA半保留复制机理。三是20世纪60 年代关于遗传信息中心法则的确立，即生物体中遗传信息是按DNA→RNA→蛋白质的方向进行传递的。
Avery等人关于DNA是遗传物质的发现和遗传信息中心法则的阐述，表明决定生物体具有不同性状的关键物质——蛋白质分子的产生是由生物体中所含有的DNA所决定的，因此可以通过对DNA分子的修饰改造改变生物的性状。根据DNA半保留复制的机理，对DNA分子的修饰改造可以通过DNA的复制进行传递。因此， 上述三大理论发现为基因工程技术的诞生奠定了理论基础。
1.2 基因工程技术的三大技术基础
20世纪40～60年代的三大理论发现，虽然从理论上确立了基因工程的可能性，但在进行基因工程技术操作时，科学家还面临着三个基本技术问题：一是如何从生物体庞大的双链DNA 分子中将所需要的基因片段切割下来；二是如何将所切割下来的DNA片段进行繁殖扩增； 三是如何将所获得的基因片段重新进行连接。20世纪70年代，由Smith、Khorana和Cohen等人发现的核酸限制性内切酶、DNA连接酶和可以作为基因工程载体的细菌质粒的发现，从技术上解决了上述三个问题，因而被认为是使基因工程从理论走向实践的三大关键性的技术发明。
2 基因工程技术对绿色食品产业的影响
2.1 利用基因工程技术减少农药使用量
农作物在生长过程中容易受到致病菌及害虫的影响，因此在作物种植过程中往往需要使用大量的农药控制病虫害，这是造成食物中农药残留及环境污染的主要原因。如何减少农药的使用量是绿色食品生产中的一项关键技术。采用繁衍害虫天敌、诱杀或生物防治的方法虽然可以部分替代合成农药，但是最直接有效的方法是利用基因工程技术使作物获得抗病、虫的能力。目前已采用基因工程技术将各种抗病、虫基因转移到包括大豆、玉米、水稻等多种重要农作物中，利用转基因植物自身的能力抵抗外界病、虫的危害，从而达到减少农药使用的目的。1996年以来，仅北美地区由于采用转基因抗病、虫作物已使农用化学品的使用量减少了450万t。与普通的大豆相比，种植转Bt杀虫蛋白基因的大豆可以使杀虫剂的用量减少80％。据统计，1996～1998年之间，全球种植的转基因抗虫作物不但使产量提高了10％，而且减少了250亿元的杀虫剂使用量。由此可见，利用基因工程技术增强农作物品种对病、虫害的抵抗能力，可以大大降低作物种植过程中农药的使用量，从而减少食物中的农药残留，并且能够产生良好的生态效益和经济效益，将是发展绿色食品的一个有效手段。
2.2 利用基因工程技术减少化学肥料施用量
植物生长过程中需要从土壤中吸取养分，为了满足植物生长的需要、提高产量，在植物的种植过程中，往往施用大量的化学肥料。其中提供氮素营养的化学肥料（如尿素、硫酸铵等）是使用最为广泛的一种。而在绿色食品的生产过程中提倡少使用或不使用包括氮肥在内的化学合成肥料。那么能否找到一种既不使用化学肥料又能使农作物获得高产的技术呢？基因工程技术给我们带来了希望。
很早之前人们就已发现，有许多细菌可以固定空气中的氮气，其中有一些可以和植物共生，这些细菌利用植物光合作用所固定的碳，向植物提供能被吸收利用的氮元素，因此可以在不施用化学氮肥的情况下，满足植物生长对氮元素的营养需求，这些能将空气中氮气（N[,2] ）固定转化为氨的细菌被称为固氮菌。自然状态下，只有大豆等少数几种经济作物能与固氮菌共生形成根瘤。现代生物技术的发展使人们燃起了把固氮微生物制成生物肥料的希望。目前科学工作者正在对固氮酶及固氮酶基因进行深入的研究，并利用DNA 重组技术对固氮酶基因进行修饰改造，一方面提高固氮菌的固氮能力，另一方面扩大能与固氮菌共生的作物种类。随着基因工程技术的进展和对固氮菌分子生物学机理研究的不断深入，将会有越来越多的农作物通过固氮菌的作用直接利用空气中的氮气，从而减少化学肥料的使用量。
2.3 利用基因工程技术提高食品营养价值
利用基因工程技术可以在不经过复杂加工处理的情况下，改善食物中的组成成份，提高食物的营养价值，减少食品的加工污染和生产成本，是绿色食品的发展方向之一。
（1）改善食物中的碳水化合物组成
基因工程技术已被成功地应用于食物中多种碳水化合物组分的修饰改造。例如，果聚糖是一类有利于人体健康的碳水化合物，是多个葡萄糖分子通过β—糖苷键连接而成。由于人体中不含有能分解果聚糖的酶，因此不能消化吸收果聚糖，但果聚糖进入结肠后可以成为肠胃菌的营养物质。据报导，人体食用含果聚糖的食物，可以选择性地促进双岐杆菌的生长，减少与肿瘤发生有关的物质产生，此外短链的果聚糖可以作为一种低热量的甜味成分。因此，果聚糖是一类有益于人类健康的可溶性碳水化合物。普通食物中果聚糖的含量一般较低，只有在菊芋等少数几种植物中的含量很高。目前，科学工作者已将果聚糖合成中的关键酶（1－SST）及相关的基因分离出来，并且已利用基因工程技术将1－SST基因转移到甜菜等食物中，提高食物中果聚糖的含量。
此外，基因工程技术已被成功地应用于改变食物中直链淀粉和支链淀粉的含量，利用基因工程技术开发出来的无直链淀粉的马铃薯已在欧洲等地广泛种植。
（2）改善食物中蛋白质的组成
近年来，利用基因工程技术改善动物性食品和植物性食品中蛋白质成分的研究取得了长足的发展。植物性食物中的谷类和豆类是人体蛋白质的重要来源。谷类种子中含10％～15％的蛋白质，豆类种子中的蛋白质含量则高达30％左右，但谷类蛋白质中因缺少赖氨酸而使其营养价值降低，而豆类蛋白中则因缺少蛋氨酸而影响其营养价值。通过对不同种类食物的合理搭配，可以弥补谷类和豆类蛋白质的营养缺陷，但是利用基因工程技术直接增加谷类蛋白质中的赖氨酸和豆类蛋白质中的蛋氨酸，无疑是提高植物性蛋白质营养价值的最有效的方法。目前，通常采用两种途径来改善植物性蛋白质中氨基酸的比例，一是利用基因工程技术改变食物中各种蛋白质的生物合成途径，从而使谷物和豆类的贮存性蛋白质中的赖氨酸和蛋氨酸的数量增加；第二种方法是将来自于其他生物体中的编码高含量赖氨酸和蛋氨酸的外源基因转入谷类或豆类食物中，利用外源基因的表达合成高含量赖氨酸和蛋氨酸的蛋白质，平衡谷类和豆类食物中的氨基酸比例。
（3）利用基因工程技术改善食物中油脂的组成
植物油脂是主要的食用油。近年来，对植物种子中油脂生物合成途径有了较深入的了解，而且一些在植物油脂代谢中比较重要的基因已被克隆，为利用基因工程技术改善油脂中的组分提供了便利。
目前，利用基因工程技术改善植物油脂品质的研究主要有以下几个方向：一是提高单不饱和脂肪酸的含量。由于油脂中多不饱和脂肪酸的熔点及热稳定性较低，因此加热时容易分解。工业上为提高油脂的熔点及热稳定性，常用氢化的方法，但氢化时容易产生对人体健康不利的饱和脂肪酸。单不饱和脂肪酸，如油酸，既对人体健康有利，又具有较高的热稳定性。目前已利用基因工程技术成功地开发出了高油酸含量的转基因大豆，其油酸含量由原来的25％增加到85％。另外一个重要研究方向是利用基因工程技术提高植物油脂中长链不饱和脂肪酸的含量。长链不饱和脂肪酸，如DHA和EPA在人体中具有特殊的生理功能，某些鱼油中DHA和EPA的含量较高，但是由于全球鱼产量的逐渐减少，EPA和DHA的来源日渐枯竭。因此，利用基因工程技术通过植物体生产含有较高DHA、EPA等长链不饱和脂肪酸的食用油脂具有诱人的前景。 最近Michaelson和Napier等分别从酵母菌中分离到一类与EPA、DHA及花生四烯酸等长链不饱和脂肪酸生物合成有关的酶，进一步研究可望克隆到编码此类酶的基因，并利用基因工程技术将此类基因导入植物体中，从而提高植物油脂中DHA等长链不饱和脂肪酸的含量。
3 基因工程技术在降低食物中有害成分方面的应用
天然食物中含有多种对食品品质产生不利影响的化学成分，如大豆中的蛋白酶抑制剂、大米等食物中的过敏原蛋白以及能引起番茄等果蔬食品变软腐烂的水解酶等。利用传统的食品加工方法，如加热、酶解或化学修饰的方法也可以去除食物中的有害成分，但是这些加工必然会增加食品的生产成本，而且会影响食品中的其他营养成分，也容易造成加工污染。随着对这些化学物质研究的深入，有越来越多的与这些化学物质生成有关的基因被分离出来，这为采用基因工程技术降低或去除天然食物中的这些影响食品品质的有害成分打下了基础。
利用基因工程技术降低或去除食物中有害化学成分的基本策略与通过基因工程技术增加食品中某一营养成分的策略有所不同。用基因工程技术增加食物中某一营养成分的基本方法是向食物中导入编码这一成分的基因或导入与这一成分生物合成有关的关键酶基因，使其获得合成所需营养成分的能力。例如通过向植物中导入与长链不饱和脂肪酸合成有关的△5去饱和酶基因，可以使植物获得合成DHA和EPA的能力， 提高植物油脂中的DHA和EPA含量。而利用基因工程技术降低或去除食物中某一化学成分时，则常采用反义核酸（anti－senseRNA）技术抑制食物中原有的与所需去除的化学成分合成有关的基因表达。例如通过对大米中一种能引起过敏反应的蛋白质的研究，分离出编码该过敏原蛋白的mRNA，并建立相应的cDNA文库，测定了该基因的碱基序列。然后利用基因工程技术将连接上起动子和终止子的与过敏原蛋白基因碱基互补的反义基因导入食物中，由于反义基因能产生与正常过敏蛋白基因mRNA互补的RNA链，并与正常过敏蛋白基因mRNA结合形成双链RNA，阻止该基因mRNA翻译成相应的蛋白质，从而达到降低和去除该过敏原蛋白的目的。为了让生物体内产生反义RNA， 可将正常的过敏原蛋白基因经反向接入后导入食物中。目前，反义核酸技术已被广泛应用于去除食物中各种不利的化学成分。世界上首例被批准商业化应用的基因工程食品——转基因延熟番茄FLAVR－SAVR[TM]，就是应用了反义核酸技术。
4 结束语
基因工程技术是一门诞生不久的新兴技术，正如其它一些新技术的产生过程一样，由于人们一开始对新技术的了解程度不够，由此而产生的疑虑和争论是可以理解的。更何况基因工程技术研究的产品与人类健康息息相关。虽然现在对基因工程技术仍有许多争论，但目前科学界已基本上达成共识，即基因工程本身是一门中性技术，只要能正确地使用该项技术就可以造福于人类。目前，包括我国政府在内的各国政府对基因工程技术在农业和食品工业中的应用都制定了相关的管理条例，因此，只要严格地遵照国家的有关条例，基因工程食品就不会存在安全性方面的问题。我们注意到目前有些媒体将基因工程食品排斥在绿色食品之外，笔者认为这种说法缺乏科学依据。事实上恰恰相反，只要合理地使用，基因工程技术将是发展绿色食品产业的有效手段。