轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展的意義

李曉玲，于衍男，孫金海

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東青島 266109）

轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展的意義

李曉玲1，于衍男，孫金海*

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東青島 266109）

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的飛速發(fā)展不僅為基因表達(dá)、調(diào)控和遺傳研究提供了一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)體系，更為生物定向改良和分子育種提供了一種較佳的方法，使其成為基因工程和育種的最有效途徑。該文簡(jiǎn)要闡述了轉(zhuǎn)基因技術(shù)的進(jìn)展，并從動(dòng)物基因工程育種、生物反應(yīng)器、異種器官移植、人類疾病模型及環(huán)保型轉(zhuǎn)基因動(dòng)物等方面闡述了轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展的意義，最后闡述了轉(zhuǎn)基因技術(shù)的展望。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)；動(dòng)物基因工程育種；人類疾病模型

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是指利用分子生物學(xué)技術(shù)，將某些生物的基因轉(zhuǎn)移到其他生物體中，使受體生物在原有遺傳特性基礎(chǔ)上增加新的功能特性，培育新的品種，生產(chǎn)新的產(chǎn)品。轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到農(nóng)學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、畜牧獸醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是指通過(guò)基因工程技術(shù)構(gòu)建重組基因表達(dá)載體，并將重組基因轉(zhuǎn)入動(dòng)物受精卵或體細(xì)胞，從而獲得的一類染色體基因組中整合有外源基因，并且能夠穩(wěn)定遺傳給后代的動(dòng)物。培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物新品種可以改良畜禽生產(chǎn)性狀，改善畜禽產(chǎn)品成分，提高動(dòng)物抗病性，而且轉(zhuǎn)基因動(dòng)物已經(jīng)成為探討基因調(diào)控機(jī)理、致癌基因作用和免疫系統(tǒng)反應(yīng)的有力工具，可用于制作人類疾病模型或進(jìn)行器官移植等。

1　研究進(jìn)展

轉(zhuǎn)基因技術(shù)開始于20世紀(jì)80年代。世界上首例轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是由美國(guó)人Gordon在1980年用顯微注射法制備的轉(zhuǎn)基因小鼠。隨后，Palmiter等將大鼠的生長(zhǎng)激素（GH）基因?qū)氲叫∈笫芫阎蝎@得了轉(zhuǎn)基因“超級(jí)鼠”。隨之轉(zhuǎn)基因兔、轉(zhuǎn)基因羊、轉(zhuǎn)基因牛、轉(zhuǎn)基因豬等動(dòng)物都相繼問(wèn)世。Hammer等于1985年獲得了世界上第1頭轉(zhuǎn)基因豬。1997年，舉世轟動(dòng)的“多莉”（Dolly）克隆羊［1］的誕生使轉(zhuǎn)基因克隆成為現(xiàn)實(shí)，促進(jìn)了轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的進(jìn)一步研究。2002年，Lai等［2］將綠色熒光蛋白（EGFP）基因轉(zhuǎn)入胎兒成纖維細(xì)胞中，并通過(guò)體細(xì)胞核移植的方法，成功獲得了EGFP轉(zhuǎn)基因豬。2009年，Ramsoondar等［3］通過(guò) RNAi 技術(shù)的方法，獲得了敲除豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）的轉(zhuǎn)基因豬，消除了在異種器官移植時(shí)（PERV）感染人的危險(xiǎn)。2010年出現(xiàn)的鋅指核酸酶（ZFNs）等革命性新型基因組修飾不僅降低了哺乳動(dòng)物基因敲除、基因修飾的難度，更是將動(dòng)物轉(zhuǎn)基因技術(shù)由傳統(tǒng)的隨機(jī)整合推向了高度精確的基因組定向整合［4］。2015年11月16日，美國(guó)FDA（食品藥品管理局）發(fā)布公告確定轉(zhuǎn)生長(zhǎng)激素基因三文魚與非轉(zhuǎn)基因三文魚一樣可以食用，這一公告的頒布將促進(jìn)其他轉(zhuǎn)基因商品的產(chǎn)業(yè)化［5］。生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的方法有很多，常用的有顯微注射法、精子載體法、逆轉(zhuǎn)錄病毒載體法、體細(xì)胞克隆法、胚胎干細(xì)胞介導(dǎo)法等，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)中有著不同程度的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，轉(zhuǎn)基因技術(shù)已由過(guò)去的老一代轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展成為今天的新一代轉(zhuǎn)基因技術(shù)，不再是植入外來(lái)基因，而是關(guān)閉或抑制某種會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題的基因，目前主要有基因沉默技術(shù)和基因刪除技術(shù)［6］。

2　對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展的意義

動(dòng)物轉(zhuǎn)基因技術(shù)已有近30年的研究歷史，作為一項(xiàng)生物高新技術(shù)，其在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益。

2.1動(dòng)物基因工程育種

動(dòng)物基因工程育種是將外源基因通過(guò)體外重組后導(dǎo)入到動(dòng)物基因組中，組成一個(gè)新的基因，使其在動(dòng)物體內(nèi)整合、表達(dá)，培育出新的遺傳特性的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。這可以避開物種間雜交不育的生殖隔離，在較短時(shí)期內(nèi)培育出常規(guī)方法很難育成的動(dòng)物新品種，這樣會(huì)加快動(dòng)物改良進(jìn)程，使選擇效率提高，極具有研究?jī)r(jià)值。對(duì)于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物育種而言，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1.1生產(chǎn)性能改良

轉(zhuǎn)基因技術(shù)通過(guò)改造動(dòng)物基因組，使畜禽的經(jīng)濟(jì)性狀得到極大改良，生長(zhǎng)速度加快，飼料利用率提高等。Hammer等是把人的生長(zhǎng)激素融合基因（MT/hGH）注入到豬受精卵內(nèi)，然后將受精卵移植到發(fā)情母豬體內(nèi)，獲得了世界上第1頭轉(zhuǎn)基因豬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因豬與同窩非轉(zhuǎn)基因豬相比較而言生長(zhǎng)速度和飼料利用率都顯著提高。類胰島素樣生長(zhǎng)因子1（IGF1）也可以加快豬的生長(zhǎng)速度。1989年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部首次獲得IGF1的轉(zhuǎn)基因豬。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用極大地促進(jìn)了畜禽的生長(zhǎng)性能，轉(zhuǎn)基因育種是實(shí)現(xiàn)豬產(chǎn)肉量快速增長(zhǎng)的重要途徑。

2.1.2肉質(zhì)品質(zhì)改善

隨著畜牧業(yè)的發(fā)展逐漸滿足了肉量的需求，人們逐漸增加對(duì)肉質(zhì)品質(zhì)的追求，追求更好的肉質(zhì)口感，減少動(dòng)物體內(nèi)脂肪，增加肌內(nèi)脂肪含量等。由于動(dòng)物體內(nèi)含有大量的飽和脂肪酸，飽和脂肪酸攝入過(guò)多會(huì)引起高血脂、高膽固醇等疾病，而不飽和脂肪酸可以促進(jìn)大腦發(fā)育，降低疾病的風(fēng)險(xiǎn)。2002年，谷明教授等［7］通過(guò)試驗(yàn)把菠菜中的FAD12基因植入到豬的受精卵中，成功培育出較普通豬而言不飽和脂肪酸含量高20%的轉(zhuǎn)基因豬。研究還發(fā)現(xiàn)，Myostatin基因敲除的小鼠比野生型小鼠具有明顯多的骨骼肌，并且著名的雙肌牛也是由于Myostatin基因的個(gè)別堿基突變，導(dǎo)致Myostatin基因的自然敲除造成的。

2.1.3提高抗病性

疾病一直是畜禽養(yǎng)殖的大敵，嚴(yán)重威脅畜牧業(yè)的發(fā)展，不僅影響畜禽產(chǎn)品的生產(chǎn)，而且降低了產(chǎn)業(yè)投入的積極性，然而轉(zhuǎn)基因動(dòng)物在抗病方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。培育抗病力強(qiáng)的新品種，從遺傳本質(zhì)上提高畜禽對(duì)病原的抵抗力，減少抗生素的使用，對(duì)促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展及人類健康和環(huán)境保護(hù)等方面都具有重要的研究意義。Berm等將小鼠抗流感基因轉(zhuǎn)入豬體內(nèi)，使轉(zhuǎn)基因豬增強(qiáng)了對(duì)流感病毒的抵抗能力。王鐵東［8］培育出抗豬瘟病毒的轉(zhuǎn)基因克隆豬。2013年，Sun等［9］利用復(fù)制缺陷重組腺病毒共表達(dá)了豬瘟病毒的Erns和E2 2個(gè)基因，最終成功構(gòu)建出來(lái)可以免受豬瘟病毒入侵的轉(zhuǎn)基因豬。

2.2生物反應(yīng)器

動(dòng)物生物反應(yīng)器是利用轉(zhuǎn)基因活體動(dòng)物，高效表達(dá)某種外源蛋白的器官或組織，進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)功能蛋白質(zhì)的技術(shù)。動(dòng)物生物反應(yīng)器的研究開發(fā)重點(diǎn)是動(dòng)物乳腺反應(yīng)器和動(dòng)物血液反應(yīng)器。即把人體相關(guān)基因整合到動(dòng)物胚胎里，使生出的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物血液中，或長(zhǎng)大后產(chǎn)生的奶汁中，含有人類所需要的不同蛋白質(zhì)。這是當(dāng)前生物技術(shù)的尖端和前沿研究項(xiàng)目。目前世界上多家公司利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生物反應(yīng)器生產(chǎn)醫(yī)用蛋白，如抗凝血酶、紅細(xì)胞生成素等。2001年獲得我國(guó)首例轉(zhuǎn)有人α1-抗胰蛋白酶的轉(zhuǎn)基因豬。1991年美國(guó)DNA公司成功的獲得了能產(chǎn)生大量人血紅蛋白的轉(zhuǎn)基因豬［10］。2002年，鄭新民等［11］用顯微注射法生產(chǎn)出第1批能合成人血清白蛋白的轉(zhuǎn)基因豬。粗略估計(jì)，全球每年對(duì)轉(zhuǎn)基因藥物蛋白的需求超過(guò)250億美元，應(yīng)用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)基因藥物是一種可以獲得巨額經(jīng)濟(jì)效益的新興產(chǎn)業(yè)。

2.3異種器官移植

器官移植面臨著2大問(wèn)題：一是供移植用的器官來(lái)源不足，二是移入的器官容易發(fā)生免疫排斥現(xiàn)象。解決移植短缺的最有效途徑是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改造異種來(lái)源器官的遺傳性狀，使之能適用于人體器官或組織的移植。目前最為理想的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型是豬，由于豬器官的形狀、體積及遺傳物質(zhì)與人類相似，可以作為理想的供源。然而，豬的基因組有表達(dá)α-1，3-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶（Gal）會(huì)引起超級(jí)性排斥反應(yīng)。有研究員利用同源重組技術(shù)獲得了世界上第1頭雙敲除 α-1，3-Gal（GGTA1）基因的轉(zhuǎn)基因克隆豬，開啟了利用體細(xì)胞基因打靶技術(shù)生產(chǎn)異種器官移植供體的先例。Bao等［12］使用ZFN敲除了豬α-1，3-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，可以利用豬制備人體的各器官和組織，如此可以為人類不斷地提供異體器官移植的供體器官。

2.4人類疾病模型

應(yīng)用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物建立人類疾病模型，有助于了解基因的功能及疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，有利于研制新藥、研發(fā)新的治療手段。豬在生理學(xué)、解剖學(xué)、營(yíng)養(yǎng)代謝、染色體結(jié)構(gòu)等多方面與人類的更加接近，豬的內(nèi)臟器官及其功能也與人的器官極為相似，更有利于構(gòu)建人類疾病模型。2010年，Yang等［13］成功獲得6頭亨廷頓舞蹈癥轉(zhuǎn)基因豬，并首次在轉(zhuǎn)基因豬大腦中發(fā)現(xiàn)與人類亨廷頓舞蹈癥患者腦中類似的神經(jīng)細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。2011年，賴良學(xué)等［14］成功敲除了豬內(nèi)源性 PPARγ基因，在世界上首次建立了對(duì)糖尿病和心血管并發(fā)癥的研究有重要應(yīng)用價(jià)值的PPARγ基因敲除豬模型。2013年，紀(jì)元等［15］建立了Lp-PLA2基因的豬成纖維細(xì)胞系，隨后經(jīng)核移植、胚胎移植，最終獲得3 頭Lp-PLA2轉(zhuǎn)基因豬，為研究 Lp-PLA2調(diào)節(jié)動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生和發(fā)展的機(jī)制打下基礎(chǔ)。

2.5環(huán)保型轉(zhuǎn)基因動(dòng)物

近年來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，隨著集約化生產(chǎn)的高度集中，養(yǎng)殖量的增大，各種養(yǎng)殖業(yè)的廢污已成為環(huán)境污染的主要來(lái)源。由于植物中含有豬不能消化的氮、磷，氮、磷成為豬糞尿的主要污染成分，為提高氮、磷的利用率，節(jié)約飼料成本，并減少污染物的排放。2001年，有研究者研制出攜帶有大腸桿菌肌醇六磷酸酶（phytase）基因的“環(huán)保豬”，這種豬在唾液中可以分泌磷消化的phytase基因，使得豬糞中磷的含量降低75%［7］。有研究者［16］培育出共表達(dá)葡聚糖酶、木聚糖酶及植酸酶的轉(zhuǎn)基因豬，這些轉(zhuǎn)基因豬對(duì)飼料蛋白、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率顯著提高，且其排泄物中磷、氮等污染物排放顯著減少。Y. S. Lin等［17］研制出豬胰腺特異啟動(dòng)子控制的轉(zhuǎn)真菌纖維素酶基因豬，該轉(zhuǎn)基因豬有望提高豬對(duì)飼料中纖維素的利用率，減少糞中污染物的排放。

3　展望

轉(zhuǎn)基因動(dòng)物新品種培育成功，可以減少飼料和獸藥的用量，降低糞便和排泄物對(duì)環(huán)境的污染，提高產(chǎn)品售價(jià)，而且降低了傳染病帶來(lái)的毀滅性風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)物轉(zhuǎn)基因技術(shù)給農(nóng)業(yè)帶來(lái)收益的同時(shí)也將產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。眾所周知，轉(zhuǎn)基因技術(shù)引起了全世界的激烈爭(zhēng)論，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物一直面臨諸多爭(zhēng)議，如安全性問(wèn)題、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的福利問(wèn)題等。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展是循序漸進(jìn)的過(guò)程，要達(dá)到完善尚需時(shí)日，還面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。但是毋庸置疑，轉(zhuǎn)基因技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景，轉(zhuǎn)基因技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心，運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、高效的新品種，推動(dòng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究與應(yīng)用，是著眼于未來(lái)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要途徑。隨著新基因和新技術(shù)的層出不窮，這必將為轉(zhuǎn)基因動(dòng)物產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供廣闊的空間。

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2016-04-08）

國(guó)家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項(xiàng)（2014ZX08006-003）

李曉玲（1992-），女，漢，山東臨沂，在讀碩士，主要從事分子遺傳與動(dòng)物育種

孫金海（1959-），男，教授，博士，研究方向：分子遺傳與動(dòng)物育種，Email：sunjinhai00528@sina.com