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Ch10 基因改良食品及植物基因轉殖 - Coggle Diagram

- - - - 造成蜜蜂大量消失的原因是一種類似尼古丁的農藥造成的,
        使蜜蜂幼蟲失去學習能力,大量工蜂無法歸巢
      - 蜜蜂數量銳減,許多作物無法授粉,農作物因此減產
  - - - 有近親
      - 野生種必須栽培在附近
      - 花期剛好符合
    - - 外來種,無近親,較無影響
    - - 已被馴化成農業栽培
      - 一些具有野草性的近親能雜交
      - 只是抗除草劑,在野外無影響
      - 得到抗除草劑基因,對整個生態系有很大的影響
    - - 近親無法交配,無影響
  - - - 侷限在可管制的範圍內,不會到處繁衍
    - - 不是實驗性規模,是大面積栽種
      - 花粉會藉由風力或蟲鳥媒介傳播,
        而形成花粉汙染,是基改作物面臨的一大挑戰
- - - - 對於轉殖基因的蛋白質產物，有下列方式來進行檢測，靈敏度約為每塊組織中含10μg左右，能被偵測出，大約也就是超過1%的含量，如西方墨點實驗、ELISA等，前者較適用於實驗室中檢測，不太適合大規模檢驗之用途。
      - 事實上，有許多的生技公司已開發出各種方便操作的檢驗試紙試劑，供消費者採用。
      - 至於究竟該檢測哪些蛋白質呢？例如抗除草劑的基因轉殖大豆，會帶有農桿菌的EPSPS蛋白質、抗蟲的玉米及帶有CryI毒素的棉花等。
    - - 諸如轉殖基因上的啟動子區域、基因區及其他標記區均可用來作為檢驗的標的。
      - 歐洲的GENESCAN公司發展出的生物晶片－GMO chip是針對歐洲常見的一些基因轉殖作物進行檢測，對象包括基因轉殖的玉米、大豆及水稻中可能出現的一些CaMV啟動子區、Bt毒素基因區等。
      - 直接偵測食品來源中是否帶有轉殖基因，可用的技術如南方墨點實驗、定量PCR及正在發展中的生物晶片。
    - - 目前採用的技術如下，表10-3則為這些方法之比較。
  - - - 例如轉殖基因的來源是何種物種，此基因分子層面的詳細分析、剪接的過程及方式，以及來源的基因為何，而轉殖的基因插入植物基因體何處等。
      - 通常送入的基因是會插入基因體中的任意位置，甚至同時插入數個，可能在同一位置或在不同位置。
      - 目前植物基因轉殖最常利用的方法是基因槍高壓打入基因，此法有可能會造成DNA重新排列的現象，而斷出的小片段DNA可能插到基因體的其他地方，這種變化在檢驗DNA時很難發現。這些小小的變異，都可能對植物或人體健康有影響。
    - - 有些公司選用其他一般醫療用途常用抗生素的抗藥性基因，有可能導致自然界的細菌得到抗藥性，間接對人類的健康有極大影響，而且這類基因並未經過改造，常帶有原本的啟動子，更增加危險機率。
      - 此外，加拿大研究發現極高比例的孕婦血液中有Bt毒素，由新生兒檢測證實可經由胎盤送至胎兒。儘管農藥公司有很多研究報告說明Bt毒素對人體無害，是否有長期及未知的影響，目前無法定論。也由於栽植抗除草劑基改品種，讓除草劑的使用廣泛，在美洲地區的成人血液、尿液及母乳中都可測到除草劑的分子。顯見不僅是食用問題，栽植本身即已造成對環境的影響，這才是更值得深思的問題。
      - 目前大多使用抗生素的抗藥性基因作為篩選標記，特別是nptII基因，產生的蛋白質可分解Neomycin及Kanamycin讓植物產生抗藥性，雖然這兩種抗生素不是人類醫療用途的主要用藥，此基因若沒有在後來的步驟進一步去除，有可能傳給植物體內的其他細菌，因此應嚴格要求將標記基因去除。
- - - - 植物的二次代謝產物為其代謝過程無法再分解的副產物，對其他生物卻常有醫療效果或毒性，由於自組織培養懸浮液中萃取產物較容易，同時研究指出組織培養之產量也較一般植株高，國內相關單位也鼓勵中藥萃取物之研究。如抗癌藥物紫杉醇(Taxol)是紅豆杉之二次代謝產物，其他如人蔘的ginsenosides、黃蓮的 berberine、罌粟的sanguinarine
    - - 以雙倍體植株之花藥培養出單倍體植株，藉此顯現隱性基因之性狀以利篩選，同時再藉組織培養及細胞懸浮得到原生質體，再行細胞融合，即可有雙倍體植株。利用此純系品種再多倍體化，有效縮短篩選時程，以達快速品種改良，如甘藷、玉米、水稻，另一方面，以單倍體進行突變亦較容易篩選
    - - 同樣的植株利用組織培養技術可無限制的大量無性繁殖，以達到量產相同性狀之植株，尤其在觀賞植物繁殖上使用最多，無論生長點及營養器官均成功，如蝴蝶蘭的花梗、腎蕨的氣根。更由於植物生長點無病毒感染，因此可繁殖無病的幼苗
    - - 利用去除細胞壁的原生質體(protoplast)細胞的培養，可進行不同品種的體細胞融合，獲得優良性狀之品種，甚至異種同屬之間的體細胞雜種也能成功，如蕃茄與馬鈴薯之體細胞雜種馬鈴茄(Pomato)。但此法在遺傳性質上不穩定
    - - 植物進行基因轉殖時，新的基因送入植物中後，無論是篩選或繁殖，均需經過植物組織培養的過程，才能得到基因轉殖植物
- - - - 將DNA與金屬粉末相混，再以高壓方式像散彈槍一般快速打入組織中，同時將DNA帶入，如圖10-5。
      - 這項技術的出現讓農作物的基因轉殖有了重大的突破，但此法製造出的轉殖基因較不精準。
    - - 利用植物病毒為載體，放入轉殖基因，植物病毒不會插入植物的基因體，也不會藉種子傳給後代，因此不會有穩定的基因轉殖株建立。
      - 但病毒可以大規模地整株感染，建立植物的生物反應器，並快速產生大量重組蛋白質，如表10-2所列之重組蛋白質。
    - - 將質體送入農桿菌中，再將農桿菌與葉片一起培養，讓葉片感染農桿菌，也將DNA帶入，如圖10-4。
        
        圖10-4　植物利用農桿菌轉殖基因之過程帶有轉殖基因的農桿菌與植物組織一起培養1天之後，即會將基因轉殖入植物中，同時植物也獲得抗藥性狀，可在含抗生素的培養基上長出癒傷組織，先將此成團塊的癒傷組織移至含有促進長芽的培養基中，待其長出莖葉，再移至促進長根的培養基中，如此即可得到具有轉殖基因的小植株。
      - 轉殖的基因可以像一般的基因正常表現，產生穩定的基因轉殖植物。
      - 用於農桿菌(Agrobacteria)轉殖的載體為Ti質體，如圖10-3，是改良自農桿菌中能讓植物長瘤的質體，帶有性狀表現基因及篩選標記。
        
        圖10-3　農桿菌與Ti質體農桿菌轉殖基因需要用到Ti質體，Ti質體上的T區負責讓轉殖基因插入植物的染色體中，而致病區則和細菌的致病性有關。當轉殖基因接入Ti質體中的T區後，即可送入農桿菌。當植物感染此農桿菌時，Ti質體中的T區即會帶著轉殖基因插入植物的染色體中。
      - 雖然一般實驗室使用的作物如菸草、阿拉伯芥等可以感染農桿菌，也有許多田間作物卻無法感染，因為單子葉植物並非其宿主。
      - 近年來，經由載體的改良及轉殖條件之修正，越來越多的單子葉植物可以用農桿菌進行轉殖。
    - - 高等植物的葉綠體有自己的基因體plastid，約120~180 kb，在一個細胞中可以有千萬個葉綠體存在，如果將基因轉殖至葉綠體基因體中，用來量產蛋白質是十分方便而有效率的方式，目前採用的轉殖方法為基因槍或PEG的方式，將質體送入，但若是質體中的複製原(ori)來自細菌，質體是不會插入葉綠體基因體，而一直以episomic的方式存在。
      - 當其帶有葉綠體基因體的片段，即能讓轉殖的基因換至葉綠體基因體相對的標的位置上，如圖10-6。
      - 目前已有以葉綠體大量表現蛋白質的報告發表，在未來，這類質體的發展，將更有利於此技術的應用。
    - - 送入的基因通常利用抗生素進行篩選，挑出帶有轉殖基因的組織。
      - 而培養基主要的營養成分中含有平衡的植物荷爾蒙，能讓組織處在未分化的狀態，再藉由組織培養重新分化成帶有轉殖基因的新植株。
      - Chimeraplasty則是另一種新的方法，在菸草及玉米已成功地讓植物基因體中的某一個位置發生位移變化，精確地破壞某個基因，例如過敏蛋白質基因的去除，而且省去轉染的步驟，適合各種作物，安全性更高，未來可以更有發展。
      - 有時為了避免不必要的細菌DNA片段有不良的影響，會在原來的質體中設計有一對重組酵素(Cre)的辨認位置(lox)，當此轉殖作物與帶有重組酵素的植株交配，就可以將兩個lox位置間的DNA移除不必要的質體片段，如圖10-7。
      - 但目前為止，應用到其他植物都不能成功，這也是阿拉伯芥在植物遺傳研究上十分方便之處。
      - 製作基因改造作物必須要進行小規模的田間實驗，確定性狀，例如抗蟲、抗除草劑等。
      - 阿拉伯芥可以用另外一種真空吸入法，省去組織培養的步驟，作法是將分化中的花芽浸在農桿菌液中，利用抽真空的方式把DNA吸入，將來長出的每顆種子都有可能是轉殖植物，甚至有報告指出連抽真空的步驟都可以省略，而以直接浸泡的方式完成基因轉殖。
      - 此外，還有食用安全性及對環境影響等評估作業，且通過有關單位核准才能真正上市。