黃金大米究竟轉了幾個基因？

作者：薛宇

來源：科學網

上來先問個學術問題，如題：黃金大米究竟轉了幾個基因？我覺得這個問題絕大多數的朋友應該是肯定會答錯的，因為我看了一個多月的資料，最後還是搞錯了，後來和朋友們反覆討論了很多次才搞清楚答案。咱不是搞轉基因的，所以個人以為這類問題事實上應該有專家出來給大家科普，巴特，這方面的科普不怎麼多，所以兄弟我很鬱悶，只好自己來講了。很抱歉，我認為我講的內容是準確的，如果有誤，還請不吝指教。

講正事兒。話說上一篇省略的部分是：「例如就轉基因的科普來講，草甘膦不是除蟲劑而是除草劑，Bt基因不是單個基因而是一類基因的總稱，2000年開發的第一代的黃金大米（Golden Rice）里總共轉進去三個基因，分別是從黃水仙花中獲得的八氫番茄紅素合成酶（phytoene synthase, psy）、從噬夏孢歐文菌中獲得的八氫番茄紅素去飽和酶或β-胡蘿蔔素去飽和酶（phytoene desaturase, crtI），以及從黃水仙花中獲得的番茄紅素β-環化酶（lycopene β-cyclase, lcy）。其中前兩個基因是功能基因用來產生類胡蘿蔔素（主要是β-胡蘿蔔素），第三個基因則用來確定轉基因成功與否因此不是必須的。由於水仙花的八氫番茄紅素合成酶效率不高，因此2005年改良後的第二代黃金大米，是從玉米里獲得相應的psy基因，這樣可以將產生類胡蘿蔔素的效率從1.6微克/克大米最高提升到37微克/克大米，平均值約是25微克β-胡蘿蔔素/克大米，如果每天攝入72克黃金大米，則β-胡蘿蔔素攝入總量為1800微克，考慮到β-胡蘿蔔素攝入量與維生素A的生成量之比為12:1，因此可以計算得到攝入72克黃金大米可產生150微克的維生素A，正好達到美國每日推薦膳食供給量（RDA）對1-3歲兒童要求的維生素A攝取量的一半。另外，截止到2015年，全世界共有28個國家種植轉基因作物，耕地面積1.797億公頃（179.7萬平方公里），超過全世界可耕種土地的10%，相當於英國陸地面積的七倍。我國新疆維吾爾自治區總面積約166萬平方公里，因此轉基因耕種面積比新疆大。美國、巴西、阿根廷、印度和加拿大是轉基因作物種植面積排名前五的國家，其中美國的種植面積是70.9萬平方公里，而東北三省的總面積約為80萬平方公里，因此比東三省小一些。美國是世界上種植商業化轉基因作物種類最多的國家，總共有十種轉基因作物，包括蘋果、大豆、紫花苜蓿、番木瓜、土豆、南瓜、芥花（就是油菜）、甜菜、棉花和玉米。中國轉基因作物的種植面積全世界排第六位，為3.7萬平方公里，比海南省的3.54萬平方公里稍高。中國已經批准的商業化轉基因作物只有三種，分別是白楊、棉花和番木瓜。所以萬變不離其宗，無論科普怎麼做，基本的科學事實是要力求準確的。」

本來上面這一段是寫在《科普這口鍋，科學家不背誰背?》里的，媒體朋友拿到初稿之後，跟我討論了半天國內科普的現狀，完了很有技巧的來一句：我最討厭那些寫科普夾帶私貨的。我。。。思考了一秒鐘之後，我老老實實的承認錯誤：要不您把這段刪掉得了。所以就刪掉了。

話說這一段我寫的不嚴謹，其中斜體並且下劃線標出的內容，應該是錯誤的內容。這裡主要參考兩篇科普性文章，一篇是劉學武老師轉載的、網友jrry86原創的《盤點那些轉基因作物之黃金大米篇》，另外一篇是知乎上《黃金大米到底轉入了幾個基因？》一文Jing Chen網友的回答，答案是對的。咱參考原始文獻，總結一下Jing Chen網友的主要結論，算是狗尾續貂。

黃金大米的研發在文獻里有兩代：

1. Ye X, et al., Engineering the provitamin A (beta-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm. Science, 2000, 287(5451):303-5. （第一代黃金大米）

2. Paine JA, et al., Improving the nutritional value of Golden Rice through increased pro-vitamin A content. Nat Biotechnol, 2005, 23(4):482-7. （第二代黃金大米）

第一代黃金大米有兩種設計方案，單轉pB19hpc質粒（下圖A），或共轉入pZPsC和pZLcyH兩個質粒（下圖B）。在pB19hpc質粒里，包括水仙花的八氫番茄紅素合成酶psy，噬夏孢歐文菌的八氫番茄紅素去飽和酶或β-胡蘿蔔素去飽和酶crtI，以及兩個用來篩選的基因，即對潮黴素有抗性的潮黴素磷酸轉移酶aphIV，以及對卡那黴素有抗性的新黴素磷酸轉移酶npt II（下圖A），所以第一個版本里轉入大米中的基因總數是4個。

在共轉入的pZPsC和pZLcyH質粒中，除了上述的psy, crtI和aphIV三個基因之外，還引入了一個水仙花的番茄紅素β-環化酶lcy，並且沒有npt II（下圖B），這樣第二個版本里轉入大米的基因總數也是4個。這兩個版本的黃金大米都可以產生β-胡蘿蔔素，並且表型類似（水稻種子都呈黃色），並且第二版本產生的類胡蘿蔔素的種類變化比較大，而第一個版本產生的類胡蘿蔔素主要是β-胡蘿蔔素。當然無論哪個版本，轉入黃金大米的基因數都是4個。

第二代黃金大米是轉入單個質粒，有一個測試版（下圖A）和正式版（下圖B）。什麼叫測試版？因為第一，psy基因很多植物都有包括大米；第二，即使在同一個植物如玉米，psy也不是單個基因，有很多旁系同源（Paralog），比如擬南芥里至少有PSY1, PSY2和PSY3三個基因，水稻至少有PSY1和PSY3兩個基因。所以作者先要測試哪種psy基因產生類胡蘿蔔素的效率更高。因此，在測試版里，每種質粒需要轉入3個基因，分別是噬夏孢歐文菌crtI再接上豌豆的加氧酶RUBISCO的葉綠體轉運肽的SSUcrtI基因，用來做篩選的抗潮黴素的hpt標記基因，以及分別來自水稻、玉米、胡椒、西紅柿和水仙的psy基因（下圖A）。比較搞笑的是，用大米自己的psy基因獲得的類胡蘿蔔素（18微克/克大米）貌似比轉玉米的psy更有效率（14微克/克大米），所以我也是看的一頭霧水，不明白為什麼不直接轉大米自己的psy基因得了。

總之經過測試、比較之後，正式版二代黃金大米共轉入3個基因，包括玉米來源的psy基因，SSUcrtI，以及用來做篩選、並且安全無害的大腸桿菌甘露糖-6-磷酸異構酶基因pmi（下圖B）。這樣不管是測試版，還是正式版，二代黃金大米都是轉入3個基因。

因此，黃金大米總共的轉基因數量= 第一代轉基因數量的均值+第二代的均值 = 3+4 = 7。所以黃金大米轉進去7個基因，這個說法沒有問題。當然也有朋友抗議，認為拿來做篩選用的標記基因不算數，只有功能基因算數，因此第一代轉了3個，第二代轉了2個，加起來應該是5個。這個說法沒有道理，這是因為第一，一代黃金大米事實上lcy基因是個添頭，psy + crtI這倆基因就夠用了，所以怎麼數也應該是4個功能基因；第二，有證據表明大家關注黃金大米的安全性，主要就是看標記基因是不是安全，例如2005年4月與二代黃金大米同期刊發的NBT社論，以「重新捯飭的黃金大米」為題，上來就講，先正達在過去四年里將一種未經批准、含有氨苄青黴素抗性標記的轉基因玉米錯誤的擴散，這件事兒上個月被揪出來結果搞得一地雞毛（「The revelation last month that Syngenta has mistakenly distributed an unapproved variety of GM corn containing an ampicillin resistance marker over the past four years reveals a monumental foul up」），所以至少老外還是很關注安全性的問題，因此忽略掉標記基因不嚴謹。

總結，第一，黃金大米總共轉了7個基因，這個說法沒有問題。第二，與朋友討論過，二代黃金大米從技術上來講，沒有安全性的隱患，總共就轉了仨基因，玉米的psy，歐文菌的SSUcrtI，以及大腸桿菌的pmi，所以這也是眾多諾獎得主力挺黃金大米的原因。第三，那為啥黃金大米在我國會被抵製成這樣？千言萬語化成一句老話：不怕XX一樣的對手，就怕XX一樣的隊友。關於這個問題講的比較全面的，可以看網友jrry86的《盤點那些轉基因作物之黃金大米篇》。第四，不管是美國科學院那份407頁的報告，還是英國皇家學會的簡要科普，都認為沒有證據表明轉基因不安全，也沒有證據表明吃轉基因食品會有危險，當然，監督是必需的。

最後，我得感謝jrry86網友，大家就轉基因個數討論了很久，在此期間我也是受益良多，學習了不少東西。另外，借用海林兄的觀點作為本篇的總結：我們既要有支持的人，也要有反對的人，這樣我們才能安全的前進。

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