轉基因技術對畜牧業發展的意義

李曉玲，于衍男，孫金海

（青島農業大學動物科技學院，山東青島 266109）

轉基因技術對畜牧業發展的意義

李曉玲1，于衍男，孫金海*

（青島農業大學動物科技學院，山東青島 266109）

轉基因技術的飛速發展不僅為基因表達、調控和遺傳研究提供了一個理想的實驗體系，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。該文簡要闡述了轉基因技術的進展，并從動物基因工程育種、生物反應器、異種器官移植、人類疾病模型及環保型轉基因動物等方面闡述了轉基因技術對畜牧業發展的意義，最后闡述了轉基因技術的展望。

轉基因技術；動物基因工程育種；人類疾病模型

轉基因技術是指利用分子生物學技術，將某些生物的基因轉移到其他生物體中，使受體生物在原有遺傳特性基礎上增加新的功能特性，培育新的品種，生產新的產品。轉基因技術已經逐漸滲透到農學、生物學、醫學、畜牧獸醫學等各個領域。轉基因動物是指通過基因工程技術構建重組基因表達載體，并將重組基因轉入動物受精卵或體細胞，從而獲得的一類染色體基因組中整合有外源基因，并且能夠穩定遺傳給后代的動物。培育轉基因動物新品種可以改良畜禽生產性狀，改善畜禽產品成分，提高動物抗病性，而且轉基因動物已經成為探討基因調控機理、致癌基因作用和免疫系統反應的有力工具，可用于制作人類疾病模型或進行器官移植等。

1　研究進展

轉基因技術開始于20世紀80年代。世界上首例轉基因動物是由美國人Gordon在1980年用顯微注射法制備的轉基因小鼠。隨后，Palmiter等將大鼠的生長激素（GH）基因導入到小鼠受精卵中獲得了轉基因“超級鼠”。隨之轉基因兔、轉基因羊、轉基因牛、轉基因豬等動物都相繼問世。Hammer等于1985年獲得了世界上第1頭轉基因豬。1997年，舉世轟動的“多莉”（Dolly）克隆羊［1］的誕生使轉基因克隆成為現實，促進了轉基因動物的進一步研究。2002年，Lai等［2］將綠色熒光蛋白（EGFP）基因轉入胎兒成纖維細胞中，并通過體細胞核移植的方法，成功獲得了EGFP轉基因豬。2009年，Ramsoondar等［3］通過 RNAi 技術的方法，獲得了敲除豬內源性逆轉錄病毒（PERV）的轉基因豬，消除了在異種器官移植時（PERV）感染人的危險。2010年出現的鋅指核酸酶（ZFNs）等革命性新型基因組修飾不僅降低了哺乳動物基因敲除、基因修飾的難度，更是將動物轉基因技術由傳統的隨機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FDA（食品藥品管理局）發布公告確定轉生長激素基因三文魚與非轉基因三文魚一樣可以食用，這一公告的頒布將促進其他轉基因商品的產業化［5］。生產轉基因動物的方法有很多，常用的有顯微注射法、精子載體法、逆轉錄病毒載體法、體細胞克隆法、胚胎干細胞介導法等，這些方法各有其優缺點，在轉基因動物生產中有著不同程度的應用。進入21世紀，轉基因技術已由過去的老一代轉基因技術發展成為今天的新一代轉基因技術，不再是植入外來基因，而是關閉或抑制某種會產生問題的基因，目前主要有基因沉默技術和基因刪除技術［6］。

2　對畜牧業發展的意義

動物轉基因技術已有近30年的研究歷史，作為一項生物高新技術，其在農牧業、醫藥、環境保護等諸多領域顯示了廣闊的應用前景，帶來了巨大的經濟效益和顯著的社會效益。

2.1動物基因工程育種

動物基因工程育種是將外源基因通過體外重組后導入到動物基因組中，組成一個新的基因，使其在動物體內整合、表達，培育出新的遺傳特性的轉基因動物。這可以避開物種間雜交不育的生殖隔離，在較短時期內培育出常規方法很難育成的動物新品種，這樣會加快動物改良進程，使選擇效率提高，極具有研究價值。對于轉基因動物育種而言，主要體現在以下幾個方面。

2.1.1生產性能改良

轉基因技術通過改造動物基因組，使畜禽的經濟性狀得到極大改良，生長速度加快，飼料利用率提高等。Hammer等是把人的生長激素融合基因（MT/hGH）注入到豬受精卵內，然后將受精卵移植到發情母豬體內，獲得了世界上第1頭轉基因豬，實驗結果表明，轉基因豬與同窩非轉基因豬相比較而言生長速度和飼料利用率都顯著提高。類胰島素樣生長因子1（IGF1）也可以加快豬的生長速度。1989年，美國農業部首次獲得IGF1的轉基因豬。轉基因技術的應用極大地促進了畜禽的生長性能，轉基因育種是實現豬產肉量快速增長的重要途徑。

2.1.2肉質品質改善

隨著畜牧業的發展逐漸滿足了肉量的需求，人們逐漸增加對肉質品質的追求，追求更好的肉質口感，減少動物體內脂肪，增加肌內脂肪含量等。由于動物體內含有大量的飽和脂肪酸，飽和脂肪酸攝入過多會引起高血脂、高膽固醇等疾病，而不飽和脂肪酸可以促進大腦發育，降低疾病的風險。2002年，谷明教授等［7］通過試驗把菠菜中的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%的轉基因豬。研究還發現，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基因的個別堿基突變，導致Myostatin基因的自然敲除造成的。

2.1.3提高抗病性

疾病一直是畜禽養殖的大敵，嚴重威脅畜牧業的發展，不僅影響畜禽產品的生產，而且降低了產業投入的積極性，然而轉基因動物在抗病方面有明顯的優勢。培育抗病力強的新品種，從遺傳本質上提高畜禽對病原的抵抗力，減少抗生素的使用，對促進養殖業發展及人類健康和環境保護等方面都具有重要的研究意義。Berm等將小鼠抗流感基因轉入豬體內，使轉基因豬增強了對流感病毒的抵抗能力。王鐵東［8］培育出抗豬瘟病毒的轉基因克隆豬。2013年，Sun等［9］利用復制缺陷重組腺病毒共表達了豬瘟病毒的Erns和E2 2個基因，最終成功構建出來可以免受豬瘟病毒入侵的轉基因豬。

2.2生物反應器

動物生物反應器是利用轉基因活體動物，高效表達某種外源蛋白的器官或組織，進行工業化生產功能蛋白質的技術。動物生物反應器的研究開發重點是動物乳腺反應器和動物血液反應器。即把人體相關基因整合到動物胚胎里，使生出的轉基因動物血液中，或長大后產生的奶汁中，含有人類所需要的不同蛋白質。這是當前生物技術的尖端和前沿研究項目。目前世界上多家公司利用轉基因動物生物反應器生產醫用蛋白，如抗凝血酶、紅細胞生成素等。2001年獲得我國首例轉有人α1-抗胰蛋白酶的轉基因豬。1991年美國DNA公司成功的獲得了能產生大量人血紅蛋白的轉基因豬［10］。2002年，鄭新民等［11］用顯微注射法生產出第1批能合成人血清白蛋白的轉基因豬。粗略估計，全球每年對轉基因藥物蛋白的需求超過250億美元，應用轉基因動物生產基因藥物是一種可以獲得巨額經濟效益的新興產業。

2.3異種器官移植

器官移植面臨著2大問題：一是供移植用的器官來源不足，二是移入的器官容易發生免疫排斥現象。解決移植短缺的最有效途徑是利用轉基因技術改造異種來源器官的遺傳性狀，使之能適用于人體器官或組織的移植。目前最為理想的轉基因動物模型是豬，由于豬器官的形狀、體積及遺傳物質與人類相似，可以作為理想的供源。然而，豬的基因組有表達α-1，3-半乳糖苷轉移酶（Gal）會引起超級性排斥反應。有研究員利用同源重組技術獲得了世界上第1頭雙敲除 α-1，3-Gal（GGTA1）基因的轉基因克隆豬，開啟了利用體細胞基因打靶技術生產異種器官移植供體的先例。Bao等［12］使用ZFN敲除了豬α-1，3-半乳糖苷轉移酶基因。利用轉基因技術，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

應用轉基因動物建立人類疾病模型，有助于了解基因的功能及疾病的發生發展過程，有利于研制新藥、研發新的治療手段。豬在生理學、解剖學、營養代謝、染色體結構等多方面與人類的更加接近，豬的內臟器官及其功能也與人的器官極為相似，更有利于構建人類疾病模型。2010年，Yang等［13］成功獲得6頭亨廷頓舞蹈癥轉基因豬，并首次在轉基因豬大腦中發現與人類亨廷頓舞蹈癥患者腦中類似的神經細胞凋亡現象。2011年，賴良學等［14］成功敲除了豬內源性 PPARγ基因，在世界上首次建立了對糖尿病和心血管并發癥的研究有重要應用價值的PPARγ基因敲除豬模型。2013年，紀元等［15］建立了Lp-PLA2基因的豬成纖維細胞系，隨后經核移植、胚胎移植，最終獲得3 頭Lp-PLA2轉基因豬，為研究 Lp-PLA2調節動脈粥樣硬化發生和發展的機制打下基礎。

2.5環保型轉基因動物

近年來，環境污染問題越來越受到關注，隨著集約化生產的高度集中，養殖量的增大，各種養殖業的廢污已成為環境污染的主要來源。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］培育出共表達葡聚糖酶、木聚糖酶及植酸酶的轉基因豬，這些轉基因豬對飼料蛋白、磷等營養物質的利用率顯著提高，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子控制的轉真菌纖維素酶基因豬，該轉基因豬有望提高豬對飼料中纖維素的利用率，減少糞中污染物的排放。

3　展望

轉基因動物新品種培育成功，可以減少飼料和獸藥的用量，降低糞便和排泄物對環境的污染，提高產品售價，而且降低了傳染病帶來的毀滅性風險，動物轉基因技術給農業帶來收益的同時也將產生巨大的社會經濟效益。眾所周知，轉基因技術引起了全世界的激烈爭論，轉基因動物一直面臨諸多爭議，如安全性問題、轉基因動物的福利問題等。轉基因技術的發展是循序漸進的過程，要達到完善尚需時日，還面臨諸多問題和挑戰。但是毋庸置疑，轉基因技術具有巨大的應用前景，轉基因技術是現代生物技術的核心，運用轉基因技術培育高產、優質、多抗、高效的新品種，推動轉基因技術研究與應用，是著眼于未來國際競爭的重要途徑。隨著新基因和新技術的層出不窮，這必將為轉基因動物產業化發展提供廣闊的空間。

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2016-04-08）

國家轉基因生物新品種培育科技重大專項（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物育種

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