基因工程的研究进展
摘要 20世纪70 年代以来，基因工程技术在世界范围内蓬勃兴起，并在很多领域得到广泛应用。该文介绍了基因工程的原理以及基因工程在植物、动物和食品方面的应用，并对未来的发展进行展望。
关键词 基因工程；研究进展；原理；应用
中图分类号 Q78 文献标识码 A 文章编号1007-5739（2012）10-0045-02
20世纪70 年代以来，基因工程技术在世界范围内蓬勃兴起，至今已在多个学科领域得到广泛应用。基因工程是一项能够较好地服务于人类社会的工程技术，该技术通过改变生物的遗传组成，增加生物的遗传多样性，由此赋予新型转基因生物的表型特征[1]。目前，以基因重组和克隆技术为代表的生物技术正以日新月异的速度迅猛发展。
1 基因工程原理
基因工程（genetic engineering）以分子遗传学为理论基础、以分子生物学和微生物学的现代方法为手段进行的研究，又称为DNA重组或分子克隆。通过体外重组，基因工程将不同来源的基因导入受体细胞，在体细胞内实现基因的复制、转录、翻译。这种技术是按照人们的意愿将某一生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割，然后与载体DNA分子连接起来，一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中[2-3]。对于受体细胞而言，与载体相连的DNA分子就属于外源物质也称为重组体。重组体导入到受体细胞之后就可以进行正常的复制和表达，从而获得新物种。一般来说，载体的选择对能否成功进入受体细胞并且复制和表达起着很重要的作用，载体进入受体细胞应该以不影响受体细胞正常生长为基本原则。这种技术克服了远缘杂交的不亲和性障碍，为改造生物提供了有效的手段。
2 基因工程的应用
2.1 植物基因工程技术在中草药研发中的应用
2.1.1 提高药用植物的有效成分含量。目前，学者在铁皮石斛上应用了基因工程技术，以提高其有效成分的含量。由于人工合成成本很高，若能够通过基因工程技术提高石斛碱的含量，会产生巨大的经济效益。魏小勇等[4]以铁皮石斛种胚原球茎为研究材料，定向诱导后获得稳定的石斛碱突变体，分析突变体的表达效果，并以mRNA为模板反转录产生cDNA，构建铁皮石斛差减cDNA文库，获得差异表达mRNA反义基因。通过构建相应载体转化石斛，来分析转基因石斛中石斛碱的变化，通过筛选反义基因来确定石斛碱功能基因。将类似铁皮石斛的稀缺植物上应用基因工程技术，可为中草药的研发奠定基础[5]。
2.1.2 提高药用植物的抗病性和抗逆性。一般对药用植物都是采用大规模的种植，由此才能满足市场需求。应用植物基因工程技术可解决栽培过程中的病害问题。如种植培养出的抗病毒、抗虫害品种，可增强植物对病害的抵抗能力，不仅能降低植物病害的发生，还能减少由于使用农药而带来的污染[6]。Pilon-Smit et al[7]将SacB基因导入烟草，提高了转基因烟草的耐旱抗寒特性。我国学者也开展了植物基因工程技术的研究和应用，并取得了显著的成果。贺 红等[8]以枳壳实生苗上胚轴为研究材料，为获得转柑桔衰退病病毒外壳蛋白基因的植株，其采用了遗传转化技术。有学者还利用Ti 转化系统获得了多种抗病毒的植物，如抗黄瓜花叶病毒（CMV）的番茄和抗甜菜坏死黄脉病毒（BNYV）的甜菜等[9]。
2.2 基因工程在植物性食品脱敏中的应用
基因工程可以将目的基因导入受体细胞，也可以改变内源基因，只要找到需要删除的基因即可。过敏反应具有反应迅速的特点，过敏原种类也很多。因此，防止发生过敏反应也很困难。基因工程可以直接作用于过敏源头，即改变内源基因使编码的蛋白质失去致敏性。也可以通过基因工程方法处理食品及其原料可降低其致敏性，从而降低过敏病人的不良反应。反义技术可消除植物中内源基因，使致敏基因沉默，从而降低植物性食品致敏性[10]。
2.3 转基因技术在哺乳动物遗传育种领域的应用
随着分子生物技术的发展，人们可以根据意愿改良动物品种，结合基因技术原理的应用，由此实现重要的经济价值。在畜牧业生产上，主要是用于遗传改良，加速动物育种。转基因可以定向培育并保存物种的优良性状，并能加快其积累和保存的步伐。在大量的转基因动物中选出符合人们预想的转基因动物，利用优良动物品种的体细胞作核供体克隆动物，用于大量生产转基因动物。将转基因技术应用于家畜上，在动物体内转入结合特异抗原抗体基因，可生产出具有抗多种疾病性能的动物[1]。转基因技术的科技含量较高，但在实验室内也能实现动物育种。在动物杂种优势利用方面，转基因技术可加速动物育种的进程，增强选育种畜性状的稳定性，降低育种的时限并提高效率[11]。
2.4 基因工程在食品工业中的应用[12-14]
2.4.1 糖类的改良。淀粉是一种多糖，通过对酶的调控可控制其含量水平，ADPP葡萄糖焦磷酸酶、淀粉合成酶和分枝酶是高等植物的淀粉合成酶。将淀粉系土壤大肠杆菌的基因转移到马铃薯上，可增加马铃薯的淀粉含量[12]。这种基因可表达ADP-葡萄糖焦磷酸化酶，使马铃薯淀粉含量增加近20%[15]。目前，利用植物基因工程技术改善食品的风味已取得重大的进展。Monsanto公司开发出转基因马铃薯，新型马铃薯产品的淀粉含量较传统品种平均提高了20%～30%，油炸后的产品具有更好的构质和风味，并且油味和吸油量都较少[16]。
2.4.2 改善发酵食品风味。发酵食品具有工业经济效益，其品质将直接影响效益。但是在该领域不能广泛地应用传统的微生物，否则不能达到定向改造微生物性状的目的。因此，选择的微生物将决定发酵食品风味。随着分子生物学的兴起，在分子水平上可利用DNA 重组、RNA 干扰及基因敲除等基因工程技术来构建所需的基因工程菌株[17]。
例如，在啤酒和酱油的生产工艺中可利用转基因技术改善产品的风味。在酿造酱油的过程中，氨基酸的生成量对整体风味起决定性的作用，参与该反应的羧肽酶和碱性蛋白酶的基因已克隆并成功转化到菌株中，羧肽酶的活力可大幅提高13倍，碱性蛋白酶的活力可提高5倍，从而提高氨基酸的生成量[18]。为满足不同食品的需要，在酱油的酿造工艺中可使用工程菌株，由此降低酱油的色度和口味。啤酒中含有一种叫双乙酰的物质，双乙酰是啤酒酵母细胞产生的α-乙酰乳酸经非酶促的氧化脱羧反应自发产生的，当双乙酰含量超过风味阈值（0.02~0.10 mg/L）时，就会大大降低啤酒的口感，产生馊酸味，进而影响经济效益。为改善啤酒的风味，可采用α-乙酰乳酸脱羧酶去除双乙酰。研究表明，利用转基因技术将编码α-乙酰乳酸脱羧酶的基因克隆到啤酒酵母中进行表达[15]，可以有效降低啤酒中的双乙酰含量。基于基因工程原理，还可将转基因技术应用于制取其他产品[19]。
3 展望
目前，基因工程技术已渗透到人类生产生活的各个领域，其以巨大的生命力发挥重大的影响，一些实验室技术和成果不断地得到应用，也将使地球的生物圈变得更加丰富多彩[20]。如今基因工程技术在给人类带来利益的同时，对于疾病的治疗方面也有了巨大突破。尽管基因工程技术给人类带来了巨大的利益和便利，但同时也应该思考转基因食品的安全性问题，这是对基因工程未来发展的最大挑战[21-22]。
4 参考文献
[1] 黄雅琼，邓彦飞，邓海莹，等.基因工程在转基因动物领域的应用现状及展望[J].广西生物农业科学，2008，27（4）：488-491.
[2] 郑铁松，何国庆.基因工程技术在食品品质改良中的应用[J].食品工业科技，2000，21（4）：70-72.
[3] 黄雅琼.猪体细胞核移植相关技术研究[D].南宁：广西大学，2008.
[4] 魏小勇，方花.石斛属药用植物生物工程研究[J].中医药通报，2004，3（6）：45-47．
[5] 蒋安，罗艺，李成君，等.基因工程技术在中草药研究中的应用[J].兽药与饲料添加剂，2009，14（1）：26-28.
[6] 莫雪梅.分子生物学在中药研究中的应用现状探讨[J].现代食品与药品杂志，2006，16（2）：75-77.
[7] PILON-SMITS E A H，EBAKAMP M J M，PAUL M J，et al.Improved performance of transgenic fructan-accumulating tobacco under drought stress [J].Plant Physiology，1995，107（1）：125-130.
[8] 贺红，韩美丽，李耿光.农杆菌介导转化法构建转CTV-cp的枳壳植株[J].中国中药杂志，2001，26（1）：21-23．
[9] 芦宁超，张冰冰.生物技术在果树上应用研究现状及发展方向[J].吉林农业科学，2008，33（2）：38-42.
[10] 史晓磊.基因工程在降低植物性食品致敏性中应用[J].粮食与油脂，2009（9）：4-6.
[11] 沈宝明，谭新球，谭周进，等.影响工程菌株目的基因表达的因素[J].生物技术通报，2010（3）：6-12.
[12] 吴建平.简明基因工程与应用[M].北京：科学出版社，2005：191-196.
[13] 邵引刚，李峰，孙辉，等.海藻糖的应用及基因工程研究[J].安徽农业科学，2008，36（3）：857-859.
[14] 曾柏全，邓子牛，熊兴耀，等.宽皮柑橘资源评价·利用与研究进展[J].安徽农业科学，2007，35（35）：11462-11464.
[15] 周建光，曹海涛，杨梅.基因工程技术的研究及其在临床的应用[J].医疗装备，2010，23（7）：27-28.
[16] 李欣.基因工程技术在食品中的应用[J].中国食物与营养，2005（8）：22-24.
[17] 陈慧.基因工程技术在食品营养品质、风味改良中的应用[J].畜牧与饲料科学，2010，31（4）：27-28.
[18] 李书国，陈辉，庄玉亭.基因工程在食品工业中的应用[J].粮食与油脂，2001，（2）：7-9.
[19] 李胜杰.基因工程在食品工业中的应用[J].安徽农学通报，2008，14（15）：69-70.
[20] 谢秋林.基因工程在体育运动中应用的新进展[J].军事体育进修学院学报，2009（2）：116-118.
[21] 胡忠，李庆云.药用植物基因工程的研究进展[J].热带亚热带植物学报，2002，10（4）：371-380.
[22] 王洁，王小平，张边.植物抗非生物胁迫机制及其基因工程研究进展[J].江苏农业科学，2011，10（5）：371-380.