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生技概論 第十章 基因改良食品及植物基因轉殖 - Coggle Diagram
生技概論 第十章 基因改良食品及植物基因轉殖
10-3 基因改造食品實例
(10941036A&10941044A)
四、抗環境
例如可讓植物耐乾旱，如蕃茄轉殖AVP1基因後，根系的發展較佳，因而抗旱，也因此長得較好一般田間的蕃茄若5天沒有水，就會造成植株永久的損害，但AVP1轉殖的蕃茄可以撐到13天，而且施水之後立刻可以復原。這項技術可以應用到其他的作物，有助於改善農業糧食的生產，特別是水資源不足的情況越來越嚴重，更應克服各種環境因素，有效利用現有耕地。
五、控 熟
阻礙乙烯的合成可控制果實的後熟過程，以提早或延後成熟時間，或是改變開花時期等，以錯開盛產期，充分調節供需。例如在基因轉殖的甜瓜中，利用病毒的酵素分解乙烯合成過程中的重要成分，或是在蕃茄中直接降低乙烯合成過程中的中間產物的生成，均可延緩果實成熟。
六、增加營養成分
例如含維生素A的黃金米，由於米粒本身不會製造葉綠素及胡蘿蔔素，因此呈白色，營養成分中不含鐵及維生素A前驅物，且成分中的phytate反而讓鐵在腸道中的吸收變差。瑞士的稻米研究單位將水稻改良成富含鐵及維生素A前驅物的β胡蘿蔔素。
三、抗 病
讓植物自行產生抗病能力的方式，針對不同的植物病害，常用的方式如下：1. 反義RNA：最常利用的是以基因轉殖方式讓植物作出病毒的反義RNA，以阻止病毒蛋白質的形成。2. 病毒交互作用：以基因轉殖方式讓植物作出病毒的外鞘蛋白，佔住病毒感染的路徑，藉此阻止病毒之感染，例如木瓜的輪點病毒、黃瓜的鑲嵌病毒等。
七、產生醫療用途的蛋白質
以植物作為生物反應器，量產轉殖的基因產物，另外也可以藉由植物產生病源的抗原，讓人類在食用後即產生抗體的食用疫苗(edible vaccine)。如以馬鈴薯產生的B型肝炎疫苗，但由於人體對於以腸道吸收方式的食物抗原常產生耐受性(tolerance)，為了避免接受疫苗者無法產生抗體，因此目前只核准其作為追加劑，不能用作第一劑注射之用。
二、抗 蟲
如玉米的根蟲病，過去只能用輪作及殺蟲劑對抗，經由基因轉殖蘇力菌（Bacillus thuringiensis，簡稱Bt）的毒素基因，即可抗蟲。而不同種的蘇力菌中已發現很多不同的毒素可以對付各種害蟲，如cry1Ab基因，以及2003年上市的第二代毒素基因cry3Bb1、cry1Fa2，使Bt毒素成為廣泛應用的一種生物農藥。抗蟲作物佔有17%的基因改良作物面積。
八、加工品改良
改變加工原料作物的性質或成分，以利加工生產過程或增加產品風味等。1994年最早在美國上市的蕃茄，即是利用轉殖反向DNA抑制軟化酵素基因表現的方式讓蕃茄的果實較為可口，同時以其製成之蕃茄醬也因加工產生的殘渣量降低，有效降低成本。
一、抗除草劑
最有名的是“Roundup Ready”品種，可以不受“Roundup”除草劑的影響，直接噴灑除草劑仍能正常生長，目前有玉米、棉花及大豆產品。現今市面上的基因改良大豆絕大部分均是抗除草劑的。而種植的基因改良作物中有75%是抗除草劑的品種。臺灣在2008年已核准種植大豆第二代的產品。
九、改變成分
基因轉殖的油菜改變種子油脂成分，其中增加大量的lauric acid及mystric acid，以替代來自椰子油及棕櫚油的來源，供糕餅烘焙或油炸之用。另外也有增加oleic acid的油菜及大豆品種，這是花生油及橄欖油的主要成分之一，是單一不飽和脂肪酸，可改善高不飽和脂肪酸(linoleic acid, linolenic acid)在高溫不穩定的缺點。
作物能改造的性狀大致有下列數種：
10-4 基因改造食品的安全性 (10941018A)
產生的重組蛋白質是否對人體有害
有90%對食物過敏的人不外乎是對牛奶、小麥、核果、豆類、蛋及海鮮等。
基因在原來生物和植物體中表現出來的蛋白質可能會有不同的修飾，不一定能具有一樣的功能，卻有可能影響其他基因的表現。
(1) 過敏原常常耐熱。
(3) 有些過敏原具有特定的胺基酸序列，可以辨識。
(2) 過敏原常常不會被腸道酵素分解。
轉殖基因在食用後的狀況
用來表現轉殖基因的植物病毒啟動子在哺乳類動物體中是沒有功能的，況且DNA經過烹調，進入口腔或消化道就被各種酵素分解成碎片了，再加上胃酸作用，DNA是很難再復原的，即使有小片段的DNA殘存，在自然狀況下，也很難傳遞給腸道細菌。
3.廣義的基因改造食品
利用基因技術在食品的應用，食品產生的方式及來源並不限於轉殖的植物
利用微生物或黴菌生產食品加工的酵素及食品添加物等，例如可以讓菌種表現牛的chmyosin，可加在乳酪製造過程中作為凝結劑；讓酵母菌表現澱粉酶(amylase)，加速澱粉分解，可以改良發酵的過程，產生低卡路里的啤酒等就屬於此類基因食品。
加工食品
如蕃茄醬，讓蕃茄表現polygalacturonidase基因的反義RNA，可以有效阻止讓果實軟化的酵素產生，不但可以增加蕃茄的產量，並降低損傷率，同時果膠的含量也增加許多。
植物的其他衍生物
如來自抗除草劑基因改造作物的麵粉或油脂，已經是部分或純化的成分。
10-6 基因改造作物對生態環境的影響(10941004A)
對其他昆蟲的影響
玉米、馬鈴薯則因近親無法交配而不受影響
但也有人證實基因轉殖植物所產生的抗蟲毒素其實比真正的毒素容易被分解
但需要注意的是更長遠的影響
例如: 新近發現造成蜜蜂大量消失的原因是一種類尼古丁的農藥所造成的，雖然不會使蜜蜂死亡，卻會使蜜蜂幼蟲失去學習能力
近年來全世界的蜜蜂數量銳減，許多作物都無法授粉
害蟲抗毒性的產生
植物具有抗蟲的毒素基因，大量分泌之後，會加速篩選出具有抗毒能力的昆蟲
目前已有報告指出害蟲產生了抗毒性，而發現的抗毒基因都是隱性的
同類近親植物雜交的影響
有一些像具有野草特性的近親能夠和苜蓿、油菜及水稻雜交，後代有可能會得到轉殖基因而容易蔓延生長
如果只是抗除草劑，在野外生長並沒有影響
若得到了抗蟲基因，不僅得到相對的生長優勢，對自然環境的昆蟲也會造成威脅
棉花也有近親，然而這些野生種必須在栽培地附近，且花期又要剛好相符才有可能
大豆則在北美地區是外來種，沒有近親，比較沒有這樣的問題
玉米、馬鈴薯則因近親無法交配而不受影響
同種雜交的影響
植物的栽種和動物的培養是不同的
基因轉殖的動物是侷限在可管制的環境範圍內，不會到處繁衍
作物的栽植不是實驗性質的規模，而是在田間大面積栽種，可能會散佈到其他農地
花粉的污染已經是很普遍的一個現象
有些農民的農田在不知情的狀況下被污染，反而會被種子公司控告侵權
若以栽培天然有機作物的農場被污染，更可能對農民造成很大的損失
對土壤微生物的影響
轉殖基因最有可能因為植物受傷流出DNA傳遞給微生物，雖然機率很低，但並非不可能
可能影響作物生長環境的菌生態改變，特別是土壤及根部
簡介
如同第一次綠色革命時代利用雜交的方式，引進了其他野生品種無數的基因來改良農作物
基因改造作物則是引進一個或數個少數的基因，理論上而言，應該不會有很大的衝擊
在基改作物蔚為風潮之後，隨之而來的各種問題都回歸到自然科學本身
然而根據推測，到了2100年的時候，大概就沒有所謂的野生種作物了
基因改造技術主要是經濟上的考量，認為可改善作物的產量，且在工業革命引進大量機械取代人工之後，再一次的農業改革
除了著重於基因改造作物對人體健康的安全之外，更要加強對環境生態的影響評估
解決之道
目前對於花粉散佈的問題已有解決的方法
利用同源重組的技術將轉殖基因換到葉綠體的基因體中
由於花粉不具有葉綠體，因此不會將此基因到處散佈
而果實的非綠色種子部分也不帶有葉綠體，這一部分是較具發展潛力的
利用不稔性的原理，讓這類作物授粉之後產生的種子無法栽種
農民必須每年再向公司購買新的種子
新一代的作法則是種植不產生花粉的品種，無法自行授粉
需再以另一“回復”品種授粉，即可產生種子，下一代即可正常授粉
10-2 植物的基因轉殖技術(10941050A 10941031A)
定義
將外源基因轉入植物細胞產生基因重組
不包括
雜交
誘變
體外受精
細胞及原生質體融合
體細胞變異
染色體加倍
步驟
1.農桿菌轉殖(Agrobacteria)
載體為Ti載體
改良自農桿菌終能讓植物長瘤的植體
帶狀表現基因及篩選標記
產生穩定基轉植物
步驟
2.基因槍
方式
1.將DNA與金屬粉末混和
2.高壓方式快速打入組織中
同時帶入DNA
缺點
產生的轉殖基因較不精準
3.植物病毒感染
步驟
1.植物病毒基因為載體
2.放入轉殖基因
病毒不會插入植物基因體，不會藉由種子傳給後代
不會產生不穩定的基因轉殖株
優點
病毒可藉由整株感染
建立生物反應器
快速產生大量重組蛋白質
4.葉綠體基因轉殖
高等植物有自己的基因體plastid
約120~180 kb
量產蛋白質方便
方法為：基因槍、PEG
若質體中複製原(ori)來自細菌
不會插入葉綠體基因
以episomic存在
作用方式
帶有葉綠體基因體的片段，能讓轉殖的基因換至葉綠體基因體相對標的上
5.其他方式
1.阿拉伯芥
將分化的花芽浸泡在農桿菌液中完成基轉
缺點：其他植物不成功
2.Chimeraplasty
使植物基因體中產生位移
精確地破壞某一基因
Example
過敏蛋白質基因去除
1 more item...
送入的基因通常利用抗生素篩選
培養基
含有平衡植物的賀爾蒙
使組織處於未分化狀態
藉由組織培養重新分化
1 more item...
避免細菌DNA有不良影響
於原來質體中設計重組酵素(Cre)之辨認位置(lox)
轉殖作物與重組基因植物交配
可將兩個lox間的DNA移除不必要片段
基改作物必須進行小規模田間實驗
確定性狀及不良影響
Example：抗蟲、抗除草劑、食安及環境影響
10-1 植物組織培養技術 (10941028A)
全能發展性
植物的高分化組織仍具有相當的可塑性，只要經過適宜的培養，即可重新分化，再成為新的植株
微體繁殖
由組織碎片長出一團未分化的細胞團塊，也就是癒傷組織，即可培養出小苗，重新分化成完整的成株
植物的組織培養應用範圍
二、微體繁殖
同樣的植株利用組織培養技術可以無限制的大量無性繁殖，以達到量產相同性狀之植株的目的，尤其是在觀賞植物的繁殖上使用最多，無論是生長點或營養器官均可成功，例如蝴蝶蘭的花梗、腎蕨的氣根等之培養。 更由於植物的生長點組織是無病毒感染的，因此也可以藉此方式來繁殖無病的幼苗。
三、二次代謝產物
利用組織培養技術來生產植物的二次代謝產物已成為近年來相當熱門的研究方向，由於自組織培養懸浮液中萃取產物較容易，同時據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。
一、基因轉殖必要步驟之一
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。
四、單倍體培養
即利用花藥進行組織培養，獲得單倍體植株，藉此顯現隱性基因之性狀以利篩選，可以利用此純系品種再多倍體化，有效縮短篩選時程，以達快速品種改良之目的，如甘藷、玉米、水稻等
五、體細胞雜種的產生
利用去除細胞壁的原生質體細胞的培養，可以進行不同品種的體細胞融合，可以獲得優良性狀之品種，甚至異種同屬之間的體細胞雜種也可以成功，如蕃茄與馬鈴薯之體細胞雜種馬鈴茄
10-5 基因改良食品的檢測(10941053A)
為了要能偵測食品或食品原料是否有含基因改良之作物
按歐盟規定，1%以下的污染是准許存在的
偵測蛋白質：
轉殖基因的蛋白質產物，有下列方式來進行檢測
西方墨點實驗
較適用於實驗室中檢測
ELISA
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
檢測DNA：
直接偵測食品來源中是否帶有轉殖基因
可用的技術
南方墨點實驗
定量PCR
正在發展中的生物晶片
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
可能會造成DNA重新排列的現象
斷出的小片段DNA可能插到基因體的其他地方
抗藥性基因傳遞：
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
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
可能導致自然界的細菌得到抗藥性
