转基因“黄金大米”:发展与挑战

2016-12-31 16:35 | 作者: 王玉光 蔡金阳 马彩云 胡瑞法 | 标签: 黄金大米

科学家们本希望通过“黄金大米”帮助贫困人口应对维生素A缺乏,然而,在绿色和平等组织的干预下,不仅使公众对这一产品的商业化陷入了严重的争议,更干扰了该项技术的研发与商业化进程。对此本文基于美国Web of Science数据库核心集所收录的全部论文的检索,对“黄金大米”的研发历史、科学效果、社会效益和未来挑战进行了追踪,以厘清有关“黄金大米”的研究进展及其相应的科学证据。

一、文章论据来源

本文采用文献分析的方法研究科学界关于“黄金大米”的相关研究成果。共检索得到53篇与转基因“黄金大米”相关的文献。其中最早的文献是Burkhardt等1997年在《植物学报》发表的文献,,作者报告了将水仙花(Narcissus pseudonarcissus)的八氢番茄红素合成酶 (phytoene synthase,PSY)等基因成功在水稻胚乳表达,这是“黄金大米”研发过程的一个重大突破,是维生素A生物合成的关键一步。

所发表的53篇文献中, “黄金大米”的发明者Beyer教授和 Potrykus教授发文最多,分别为10篇和7篇;机构发文情况中处于前三位的分别是德国弗莱堡大学(11篇)、菲律宾国际水稻所(9篇)和瑞士苏黎世理工学院(8篇)。美国是发表“黄金大米”研究文献最多的国家,共发表了28篇,占全部文献数的52.8%。紧随其后处于第二位和第三位的分别是德国和印度,其发表的文献数分别是20篇和14篇。来自中国的学者发表了6篇文献,位于第六位。

这53篇文献内容涉及“黄金大米”从基础研究到应用研究的各个方面。其中实验室研发文献19篇,占全部研究文献的35.8%。此外还有营养和健康实验文献3篇、生态实验文献1篇、社会福利效益评估文献5篇、管理政策与态度文献13篇、综述4篇,以及其他方面的研究文献8篇。

二、为什么要发明“黄金大米”


维生素A缺乏是一种严重的营养不良,会导致夜盲症等诸多健康问题。在亚洲和非洲的贫困地区,由于无法获取足够的肉类和蔬菜,主粮大米不含维生素A,从而导致这些地区贫困人口的维生素A严重缺乏,甚至威胁到人的生命。据世界卫生组织估计,全世界有1.2亿~2.5亿人缺乏维生素A,每年有1百万~2百万儿童因维生素A缺乏失去生命。

由于胡萝卜素可以在人体内转换成维生素A,为此,科学家们希望利用基因工程将胡萝卜素转化酶系统转入到大米胚乳中从而得到了富含β-胡萝卜素的大米,可以借此补充贫困地区人们的营养不良以防止和减少维生素A缺乏症。瑞士苏黎世理工学院的农业育种专家Ingo Potrykus教授和德国弗赖堡大学的分子生物学专家Peter Beyer教授是这个设想的发起者。经过近8年的不懈努力,他们终于将水仙花的两个基因以及细菌的一个基因成功转入水稻种子,从而得到胡萝卜素含量高于传统大米的新大米。由于这种转基因大米较传统大米呈现金黄色,所以一般被称为“黄金大米”(Golden Rice)。第一代“黄金大米”诞生于2000年,又经过5年的不断改进,科学家发明了胡萝卜素含量更高且更为有效的第二代“黄金大米”。

三、“黄金大米”将解决数千万贫困人口的维生素A缺乏问题


“黄金大米”最初源自两位科学家Ingo Potrykus和Peter Beyer的一个人道计划。针对部分发展中国家贫困人群维生素A缺乏的现状,1992年他们决定合作将胡萝卜素转化酶从其他作物转入到水稻中。在洛克菲勒基金会、瑞士政府和欧盟等机构的资助下,经过7年多的尝试,他们终于成功实现这一构想,将水仙花的八氢番茄红素合成酶等基因成功转入水稻种子,这就是第一代“黄金大米”[5]。然而,由于其胡萝卜素含量仅为1.6μg/g,一个婴儿每天需要食用约3公斤才能满足体内对维生素A的要求,因而不具有推广价值,“只是一个概念上的产品”[16]。为此,经过科学家的不断努力,5年后先正达的科学家们终于发现用玉米的八氢番茄红素合成酶代替原来来自水仙花的八氢番茄红素合成酶可以大大提高胡萝卜素含量,这种“黄金大米”胡萝卜素含量高达37μg/g,是第一代“黄金大米”的23倍,这就是第二代“黄金大米”
。一个儿童每天只需要食用大约150g这种大米就可以基本满足人体对维生素A的需求,从而使“黄金大米”从“概念产品”走向具有应用价值的产品。

四、“黄金大米”是安全有效的

“黄金大米”自诞生之日起,科学家们便开始了其安全性研究。国际水稻研究所首先对“黄金大米”的安全性进行了评价研究。结果表明其遗传结构符合法规评价要求,基因表达试验显示,与亲本材料相比无非预期改变;β-果胡萝卜素与其他食物中的β-萝胡萝卜素成分与功能相同,仅有微量碳转化成了类胡萝卜素,未发现其它营养成分有显著改变;转基因蛋白质没有致毒作用;通过生物信息学分析与检索,已排除过敏的可能性;模拟胃液中的高消化率进一步证明没有致敏可能;而且正常食用“黄金大米”不会导致胡萝卜素摄入过量。

由于没有动物模型能模拟人类吸收和转化β-胡萝卜素过程,动物模型对人体试验来说并没有太多帮助,因而在“黄金大米”的营养效果研究中,人体实验就显得尤为重要。Tang等学者曾于2009年和2012年发表两篇文献,其中2009年的文献通过5名健康成年志愿者人体实验证明了“黄金大米”中的β-胡萝卜素可以在人体内有效转换成维生素A,2012年的文献则进一步表明“黄金大米”中β-金胡萝卜素和纯β-萝胡萝卜素油胶囊提供给儿童的维生素A一样有效,效果优于菠菜;一个6~8岁儿童食用50g“黄金大米”可获得中国国家推荐维生素A需求量的60%。在这两次人体实验中均未发现不良现象。这也说明“黄金大米”在食品安全方面是安全的,在营养吸收方面也是有效的。然而需要指出的是,Tang 等学者2012年的这篇文献在研究过程由于涉及科研伦理等复杂的因素于2015年被撤稿。这也提醒科研人员进行科学研究时一定要遵从相关伦理和道德,一定要充分尊重和保障参与者的知情权。

除此之外,Li等学者也研究了“黄金大米”的生态安全影响。其2014年发表的论文通过田间试验,比较了“黄金大米”和普通大米整个种植过程对土壤酶性和根际细菌群落的影响,结果表明二者并无显著的差异,即“黄金大米”对土壤酶活性和根际小细菌群落的影响与传统大米无显著差异。

五、“黄金大米”商业化将给人类带来巨大福利

除了自然科学学者的研究外,经济学家对“黄金大米”的健康效益和社会经济福利方面也做了较为详细的模拟研究(表 1)。研究表明,即使在第一代“黄金大米”商业化的情景下,虽然不能完全解决维生素A缺乏问题,但作为其他营养元素干预措施的一种补充而非替代,其商业化将给菲律宾带来每年16百万~88百万美元的健康收益,其研发投资回报率更高达66%~133%。



而在第二代“黄金大米”商业化的情景下,其效果则得到显著的改进,能减少一半以上的维生素A缺乏病。从健康收益和花费成本看,有关印度研究的结果表明,“黄金大米”每年可防止40万儿童死亡。而在过去的10年内,因为延迟批转“黄金大米”,印度每年付出的感知成本至少为1.99亿美元,十年来至少140万人失去了生命。

六、“黄金大米”商业化仍任重而道远


尽管第二代“黄金大米”已经诞生10余年,可是迄今为止仍没有一个国家批准其商业化。这其中除了各国的法律法规和政策因素外,其政治上和技术上的障碍等仍是限制其商业化的最重要因素[26],“黄金大米”的商业化仍任重而道远。

首先,“黄金大米”中下游的技术转化和商业化育种进程远远滞后于上游的基因克隆技术的进步。尽管所克隆的第二代“黄金大米”可以为消费者提供足够的胡萝卜素,然而,其所育成的转化事件(event)及品系2010年以来在菲律宾的五个地区三个种植季的田间试验表明,其产量与传统品种相比不具优势且不够稳定。这也许与“黄金大米”研发过程基因插入点的位置有关,也有可能是相关的欧洲和美国的水稻品种不适合在菲律宾这样的热带地区种植[26]。未来“黄金大米”需要在确保提供足够的胡萝卜素条件下,选育出具有良好遗传特性的新型转化事件及与传统品种相比具有产量优势的适合不同国家和地区种植的“黄金大米”品种。

需要说明的是,“黄金大米”中下游的开发研究滞后于上游基因克隆等研究的一个重要原因与其研发过程受到了各种干扰有关。由于上游研究多在实验室开展,较少能受到反对人士的干扰;而中下游的研究(尤其是下游的育种研究)则在大田进行,反对人士的干扰破坏可使研究活动受到极大的影响。

其次,由于转基因水稻的商业化迟迟得不到批准,使一些高水平的跨国公司缺乏对该项技术投入的积极性,从而限制了更好更适合产业化的表达良好的新的“黄金大米”转化事件的产生,进而迟滞了适合该技术商业化的新品种的选育与开发进程。

最后,作为一种生物技术产品,“黄金大米”等转基因作物成为很多国家和地区社会争论的热点问题,已经严重撕裂了社会。支持者认为“黄金大米”将有助于解决亿万贫困人口的维生素A缺乏,将造福人类;反对者则担心这些“非自然”的作物会造成健康和环境危害等在内的生物风险,这些反对的声音尤其以一些环保组织为代表。争论的结果,对于公众的认识甚至政府的决策都造成了影响。“当告诉那些维生素A缺乏的儿童家长有一种大米能缓解维生素A缺乏使孩子更健康时他们都很兴奋,但是当进一步说这是一种转基因大米时他们却犹豫了”。因此,帮助公众正确认识“黄金大米”使他们消除疑虑并获得其理解支持在某种程度上比克服“黄金大米”技术障碍更加重要。为此,必须在生物技术和其他方面寻求一定的平衡,通过研发的不断改进提供更好的产品,通过科普让公众减少误解和不必要的疑虑,通过依法严格监管和管理提高政府公信力,从而凝聚全社会共识,减少分歧,趋利避害,最终促进“黄金大米”等转基因作物造福人类。

七、结论

作为一项新技术产品,“黄金大米”可有效解决贫困地区居民的维生素A缺乏问题。该项新技术产品由于是对居民日常生活的主粮-水稻进行改良,在其不增加生产和消费成本的条件下,为其提供了高营养的食品。其与消除贫困、丰富多样的食物和维生素A油胶囊等其他方式相比,通过“黄金大米”消除维生素A缺乏的成本较小,效果也较快,更可持续,是减少贫困的最有效和可持续的措施之一。

研究表明,“黄金大米”不仅是安全有效的,并将为人类健康带来巨大的福利。虽然在社会巨大的反对声浪下,迄今为止关于“黄金大米”的食品安全、人体健康和营养效果的研究仍较少,但已有的食品安全性及营养性方面的研究均未发现其安全性方面存在任何问题。更重要的是,其潜在的为人类所带来的巨大健康和经济福利是现有的其他技术无法替代的。而这一技术商业化进程的推迟所造成的后果是每年数百万贫困儿童因为缺乏维生素A而丧失生命。

需要说明的是,尽管20多年来“黄金大米”的研发已经取得了巨大的成就,但是由于个别环保组织的破坏所造成中下游研发滞后于上游研发和社会反对声音过大的问题,“黄金大米”的商业化仍任重道远。除了采取措施消除公众疑虑、凝聚公众对转基因安全性的共识上创造更好的社会环境外,更重要的是,应加强“黄金大米”中下游技术的研发与技术储备,尤其是“黄金大米”新品种的选育,使其具备更优良的性状早日商业化,从而造福人类社会。

来源:《中国生物工程杂志》

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