也说说BT那些事

  作者:黄大P
  来源:基因农业网

  Bt是苏云金芽胞杆菌 (Bacillus thuringiensis ) 的简称,它是一种能在土壤中存活、具有杀虫作用的有益细菌。近年来对于Bt有诸多热议,也有不少误传,本文将从科学的角度说说Bt的前世今生,以及有关它的一些知识和趣事。

  1、Bt的发现和应用

  Bt首次发现是在1901年,一位叫石渡繁胤的日本学者从患猝倒病的家蚕中分离出一种细菌,用这种细菌再去感染健康家蚕能使其致死。9年以后,柏林纳(Berliner)在德国苏云金省染病的地中海粉螟中也分离出类似的病原细菌,后人将其正式命名为苏云金芽胞杆菌(基因农业网注:有评论指出,所谓德国苏云金省,即是图林根州(Freistaat Thüringen)。苏云金这个译名大概是译名规范以前产生的,bt菌延用苏云金芽孢杆菌没问题,但是提到bt菌分离自 Thü ringen这个地方,最好还是按照规范称图林根,而且德国叫州不叫省。)。从此以后,世界各地的学者从昆虫病体、土壤、粉尘等基物中都分离到许多形态特征相同的Bt菌株。

  随着Bt生物学特性研究的深入,到了1938年,法国首先尝试通过细菌发酵的手段生产这种对害虫高效却对人类健康和环境无害的细菌,开创了“以菌治虫”的先河。我国科学家自上世纪50年代开始引进和自主分离Bt菌株,研究创新发酵工艺,并开展Bt制剂防治蔬菜、林业、水稻、玉米、棉花等害虫的试验示范。直到现在,Bt依然是我国产量最大、应用最广的活体微生物农药,也是许多绿色和有机食品生产中离不开的生物杀虫剂。

  2、Bt能杀虫却对人安全的奥秘

  上世纪80年代,随着分子生物学研究的发展和深入,Bt杀虫的机理也逐步揭开。Bt生长后期形成芽孢时还会产生一种直径为几微米的“伴胞晶体”,其主要成分是cry和cyt基因编码的杀虫晶体蛋白( insecticidal crystal proteins, 简称ICPs)。在微生物中这种现象十分独特。不同Bt菌株基因种类有别,晶体结构各异,杀虫范围也有不同。例如,cry1、cry2类基因能生成菱形蛋白晶体,它对许多食叶和钻蛀性的鳞翅目害虫有效,而cry3类基因则产生立方形蛋白晶体,只能杀死某些属于鞘翅目的甲虫。此外,不少Bt菌株在营养生长期还能分泌一种由vip基因编码的蛋白,不同vip蛋白之间杀虫范围和毒力也存在一定差异。据统计,2013年全世界分离克隆并经国际命名的cry基因总数已达775个,vip基因总 数达117个,可见Bt有着多么丰富的生物多样性。

  科学家对Bt晶体蛋白的杀虫机制进行了深入的研究,发现害虫吃了Bt菌体之后,其中的晶体蛋白会被虫体肠道中的蛋白酶迅速分解和激活,成为有活性的蛋白毒素,继而特异性地与肠道细胞表面的受体结合,造成“肠穿孔”,使害虫2-3天内迅速死亡。非常有意义的是,包括我们人类在内的哺乳动物消化道内没有Bt蛋白毒素的受体,所以,即便人吃了Bt蛋白也不会中毒,这便是Bt能有效杀虫却对人十分安全的科学道理。此外,一般食物加工过程中温度往往高达95~100℃,高温下Bt蛋白很容易变性失效,人们即便吃了含有Bt蛋白的食物,它也不具备原来的杀虫功能了。

  3、转基因技术让Bt再显身手

  Bt具有突出的优点,但也有两大不足。第一、杀虫蛋白往往只针对特定害虫,杀虫范围比较窄。第二、杀虫蛋白在高温雨水、阳光照射等不利因素影响下容易 分解失效,杀虫作用不够稳定持久。于是科学家便借助于质粒结合转移、DNA重组、定点诱变、蛋白修饰等生物工程手段对天然Bt菌株进行遗传改良。例如,通过某些Cry1基因和Cry3基因的整合,能创建一种既能杀死鳞翅目害虫又能杀死鞘翅目害虫、毒力增强的新型Bt工程菌。国外近年来先后有Condor、Raven、Foil、 MVP、M-Trak等20多种Bt工程菌产品获准登记生产应用。更大的技术突破是在1986年,美国科学家首先将Bt的Cry1Ac基因直接导入棉花,培育出整个生长期能持续产生杀虫蛋白,可有效控制棉铃虫危害的转基因抗虫棉。1996年,抗虫转基因作物开始实现大规模产业化,掀起了一场新的农业技术革命。据国际农业生物技术服务组织(ISAAA)统计,2013年全球包括玉米、棉花、茄子、杨树等多种Bt抗虫转基因植物总种植面积已达到了7000万公顷(折合10.5亿亩)。Bt抗虫作物巨大的应用价值和关阔的市场前景已引起世界各国高度关注,其发展趋势已不可逆转。

  4、Bt转基因食品可以放心食用

  前已提到,Bt的发现已超过百年,作为生物农药广泛应用也超过70年,其安全高效特性已为各国长期和大规模生产应用实践所证实。尽管如此,自从Bt研究进入核酸与蛋白分子水平,特别是抗虫转基因作物问世以后,各国科学家仍对转基因生物安全性,特别是杀虫蛋白的安全性进行了广泛而深入的研究和评价。例如,我国自主培育的Bt汕优63转基因水稻在2009年获得安全证书之前就曾按照国际标准进行了严格的食用和环境安全性评价。食用安全评价内容包括:1、营养学:主要营养成分、微量营养成分分析以及抗营养因子等,以确定其营养成分有无改变。2、毒理学:急性毒性试验、大鼠90天喂养试验、遗传毒性试验、三代繁殖试验、慢性毒性试验,以观察其对实验动物及后代有无不良影响。3、致敏 性:与已知致敏原蛋白氨基酸序列进行同源性比较、体外模拟胃肠道消化稳定性试验,以判断其有无致敏作用。整个试验多次重复,时间长达11年,最后得到了与国际科学界完全一致的科学结论,即Bt抗虫作物与非转基因作物同样安全。例如,国内在小鼠毒性试验中采用了5g/kg体重的cry1A蛋白饲喂剂量设计,这一剂量较稻米中Bt蛋白实际含量2.5mg/kg 提高了2000倍,结果未见动物生长发育受到任何影响 (供试蛋白相当于体重60公斤的成年人每天吃120吨抗虫大米,当然实际不可能做到,但剂量之大可见一斑 )。由此判定,即使人终生能够超量食用抗虫大米也可确保安全,对后代也不会产生不良影响。

  还应指出一个基本的事实:10多年来全世界每年上亿公顷的土地种植Bt抗虫转基因作物,数亿人群都在食用Bt抗虫作物加工的食品,至今并未发现真正有科学证据的安全问题。

  另据美国环境保护署(EPA)发布的公告,确定对转基因作物中的Bt蛋白不设残留量允许指标,即在食品、饲料、饮用水和各种饮料中均无需测定Bt蛋白的含量。而美国食品药品管理局(FDA)过去已将转Bt基因作物视为与非转基因作物实质等同。所以,在美国实际上将含有Bt蛋白的食品看作普通的营养食品,对成人、婴儿、儿童均无任何不良作用,消费者尽可放心食用。

  5、我国Bt研发已进入国际先进行列

  近年我国科学家运用高通量基因组测序等先进技术,在新型Bt基因资源发掘研究中取得了显著成效。据国际Bt基因命名委员会公布的统计资料,全世界近5年新发现了322个cry基因、60个vip基因,其中165个cry基因和37个vip基因均来自中国,占新基因总数的一半以上。例如,对鳞翅目害虫高效的cry1Ah1、 cry1Ie1、cry2Ah1、cry9Ee1,对鞘翅目害虫高效的cry8Ea1、cry8Ga1、cry8Ha1、 cry8Ia1等基因具有自主知识产权、应用价值高,已相继投入抗虫转基因植物或工程菌的研究开发,显示了我国Bt研究自主创新的快速进步和Bt生物产业的发展潜力。

  拥有Bt杀虫基因、转化技术和受体良种等自主知识产权的抗虫棉的研发是我国发展转基因育种技术,打破跨国公司垄断,抢占国际生物技术制高点的成功事例。抗虫棉的成效不仅体现在有效控制了棉铃虫的猖獗危害,挽救了岌岌可危的棉花产业,更重要的是通过参与激烈的国际竞争,成功打造了一个比较完整的、包括基因发掘、遗传转化、安全评价、品种选育、产业开发,直至生产推广应用的转基因育种研发体系。正是依靠这个体系,国产抗虫棉仅用了短短6年就实现了国内市场占有率的逆转,并走出国门在国际市场上占有了一席之地。在此基础上,Bt抗虫水稻和Bt抗虫玉米的研究开发也是我国生物育种领域具有显著优势或特色的创新性成果,一旦实现产业化,将对保障我国农业增产和粮食安全做出巨大贡献。

(XYS20161005)

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