統計與出版品

    友善列印 將另開新視窗

104年8月(第278期)

站內搜尋

同源基因改造(Cisgenesis)作物的介紹


文 / 農業試驗所 陳涵葳‧杜元凱‧曾廣瑜‧曾清山

一、前言

  基因改造生物(genetically modified organism, GMO)是指利用農桿菌、基因槍、電穿孔等方式將目標基因導入受體生物中,使能表現高產、抗病、耐逆境等目標性狀;又可依導入基因之來源,分為異源基因轉殖(transgenesis)與同源基因轉殖(cisgenesis)。 異源基因轉殖所導入的目標基因片段是來自不同物種的功能性基因,例如將蘇力菌(Bacillus thuringiensis)的 Cry 基因導入棉花,而育成抗蟲棉花品種 BXN ™,但由於異源基因改造作物含有異源物種的基因片段,如來自細菌的載體 DNA 片段、篩選用的抗抗生素基因片段或抗除草劑基因片段,以及調控基因表現之啟動子(promoter)及轉錄終止子(terminator)等基因片段,這些異源基因是否擴展轉殖受體之遺傳基因庫 (gene pool),又異源基因導入是否會產生毒性或形成新的過敏原,引起生態環境、糧食安全等諸多爭議。同源基因轉殖最早在 2000 年時由 Jochemsen 及 Schouten 所提出,是指利用受體物種之基因進行轉殖,轉殖所使用的 T-DNA 序列包含 T-DNA border 、目標基因之 promoter 、編碼區(coding region)及 terminator ,目標基因可去除或保留內含子(intron),但上述 3 者之方向不可更替,且皆必須源自於轉殖作物本身 (如表)。 006 年 Schouten 進一步定義同源基改作物轉殖所用序列只能來自於受體物 種本身或可與受體物種雜交之近緣種,且目標基因須保留編碼區內 intron 部分。2012 年歐洲食品安全局( European Food Safety Authority, EFSA)對同源基改作物之定義與 Schouten (2006)相似,但不能具有任何的外來片段,若個體具有 T-DNA border,則稱為帶有 T-DNA border 的同源基改作物(cisgenesis with T-DNA borders)。不同於異源基因轉殖,同源基因轉殖所使用的同源基因(cisgene)早已存在於受體物種或其近緣野生種中,並不會造成遺傳基因庫的改變,與傳統育種手段導入目標基因的方式相比,並無額外風險,並可加速育種腳步,提高優良等為基因的利用效率。

表 傳統育種、異源基因轉殖與同源基因轉殖之異同  

圖 傳統育種、異源基因轉殖與同源基因轉殖之異同

二、同源基改作物之特點

  同源基改作物與異源基改作物或慣行雜交育種相比,有下列特點:

  1. 無報導基因或其他物種之異源基因:目前已開發多種 DNA 編輯方法(gene editing techniques)可移除轉殖過程中所使用的報導基因與載體骨架,如利用 Cre-loxP 、 recLBD-Rs 或 FLP-FRT 等定點重組技術,或應用鋅指核酸酶(zinc-finger nucleases, ZFNs)、類轉錄活化因子酶(transcription ac tivator-like effector nucleases, TALEN)對 DNA 序列之辨識能力,以及 CRISRP (clustered regulatory interspaced short palindromic repeats)/Cas9 (CRISRP-associated protein 9) DNA 剪輯系統等,剔除報導基因與載體骨架序列。因此,2012 年 EFSA 之評估報告指出,同源基改作物之安全疑慮與傳統雜交育種相同(EFAS Panel on Genetically Modified Organisms, 2012)。
  2. 縮短育種時間:栽培種作物經長期選拔後,族群遺傳歧異度降低,常需藉由與野生 種雜交才能導入抗病蟲等目標性狀,若遭遇雜交不親合、遺傳拖迆(genetic drag),或是作物幼年期過長、雄不稔等情況,則會增加育種困難度,而同源基因轉殖除可避免上述情況發生外,還有一次導入一個優良目標性狀,維持受體作物原本栽培特性,減少新品種遺傳特性檢定工作等優點。
  3. 消費者接受度較高:2010 年歐洲民意測驗機構 Eurobarometer 公布歐洲民眾對同源及異源基改抗病蘋果的看法,結果顯示 53% 受訪者認為同源基改蘋果是安全的, 63% 受訪者認為該蘋果對環境危害風險不高,另有 55% 受訪者支持同源基改蘋果,較異源基因轉殖的 33% 支持率高出不少(Gaskell et al., 2011)。

三、同源基改作物案例

  1. 抗黑星病蘋果: 蘋果品種改良方法不外乎是雜交選育、突變篩選,以及基因轉殖;為了控制由 Venturai inaequalis 所引起的黑星病,最早在 1914 年便開始將抗病的多花海棠(Malus floribunda 821)與蘋果栽培品種進行雜交,試圖導入 Vf 抗病基因,但是蘋果幼年期長達 4-10 年,需要多次回交才能改善因 genetic drag 所造成的小果、品質低劣情況,歷經 85 年後才有‘ Santana ’、‘ Topaz ’與‘ Florina ’等抗病品種出現。2011 年 Vanblaere 等將 M. floribunda 821 之 HcrVf2 抗病基因全長,構築於帶有 recLBD-Rs 重組系統的 pMF1 載體中,以農桿菌轉殖法轉入 M. domestica‘Gala ,擬轉殖株經卡納霉素正向篩選後,再培養於含有 dexamethasone 的培養基中活化 recLBD 重組酶,recLBD 重組酶可辨識 Rs 重組序列,將 Rs 重組序列內之 DNA 進行切除與黏合,以移除報導基因及 recLBD 基因片段,擬轉殖株最後再經 5- 氟胞嘧啶 (5-fluorocytosine, 5-FC)負向篩選後,可得到只具有 HcrVf2 抗病基因全長的同源基改蘋果。黑星病接種試驗結果顯示,同源基改‘ Gala ’蘋果病徵較未轉殖的對照組輕微,且在葉片子上病源 DNA 比例也較低(Vanblarere et al., 2014);2014 年 Jänsch 等人針對兩者外表型、分子與生化特性進行比較,結果顯示同源基改‘ Gala ’蘋果外觀性狀與未轉殖相同,並以 qRT-PCR 檢測蘋果過敏源基因家族 Mal d1 Mal d2 Mal d3 Mal d4 之表現,同源基改‘ Gala ’蘋果除了 Mal d1.03A Mal d4.01 表現稍有提升,Mal d1.10 表現量降低外,其餘均與未轉殖對照組相同,由於 Mal d 基因家族多具抗病蛋白相關功能,其基因表現變化可能是 HcrVf2 表現提升所造成,此外,利用蛋白質二維電泳分析也顯示同源基改‘ Gala ’蘋果與未轉殖對造組,兩者蛋白質體表現差異不顯著(Jänsch et al., 2014)。因此,以同源基因轉殖方式所育成之抗黑星病蘋果,除具有抗病能力外,外表型、分生特性均與未轉殖對照品系相似,且無遺傳拖迆等問題,消費者支持度也較異源基改蘋果高。
  2. 提高植酸分解酵素之大麥:大麥(Hordeum vulgare)成熟穀粒中植酸分解酵素(phytase)含量低,Dai 等人分析野生種與栽培種大麥 phytase 活性,顯示自然情況下其活性上限為 1300 FTU/kg,很難以雜交育種的方式再行提升,但為了增加單胃型動物(monogastric animals)對於穀類飼料中植酸(phytic acid)的利用率,並減少未分解的植酸隨畜禽排泄物造成的環境問題, 2012 年時 Holme 等人將選殖‘ Golden Promise ’品種大麥之 phytase 基因 HvPAPhy_a ,全長包含上游 2180 bp 之 promoter 、2266 bp 之 coding region (內含 3 個 intron),以及 762 bp 的 terminator;利用共轉型(co-transformation)法,將報導基因與目標 基因分別放在兩種載體,再以單一農桿菌轉殖回‘ Golden Promise ’大麥中,轉殖系子代報導基因與目標基因會發生分離,再經 PCR 篩選出無報導基因與載體骨架片段的子代,即取得帶有額外 HvPAPhy_a 基因之大麥同源轉殖系,分析轉殖種子內 phytase 活性,結果顯示含有額外 1 拷貝 HvPAPhy_a 之轉殖種子活性為 2200 FTU/kg,若將高 phytase 活性之轉殖系進行雜交,子代 phytase 活性最高可達 6000 FTR/kg,較添加微生物製劑更為有效。
  3. 抗晚疫病馬鈴薯:由於具能抵禦晚疫病 R 基因的野生品種馬鈴薯染色體倍數與四倍體的栽培品種不同,研究人員利用了超過 50 年的時間才成功以傳統育種法將抵禦晚疫病 R 基因雜交至栽培品種中,且雜交時的親本也相當複雜(Haverkort et al., 2009; Helmo et al., 2013)。但僅具單一 R 基因馬鈴薯對晚疫病的抵禦能力很容易受到破壞(Jo et al., 2014),2014 年 Jo 等以基因堆疊(gene stacking)的方式,將 2 種具抵禦晚疫病的 R 基因,源自於 Solanum stoloniferum Rpi-sto1 S. venturii Rpi-vnt1.1,同時轉殖入易受晚疫病感染品種 Atlantic 及 Bintje ,及具部份抗性 Potae9 的馬鈴薯中。藉由不含抗生素的培養基誘使外植體(explant)發根及抽莖,並以 PCR 篩選出沒有報導基因以及載體骨架,且具有 R 基因的個體。研究人員以離葉接種法(Detach leaf assays)測試同源基改馬鈴薯對不同 Phytophthora infestans 菌株之抗性,結果顯示具有多個 R gene 的同源基改馬鈴薯,較僅具單一 R gene 馬鈴薯能抵抗更多不同的 P. infestans 菌株。利用基因堆疊且不含報導基因的方式所研發出的同源基改馬鈴薯, 對於晚疫病具有更廣泛的抵抗能力,並可藉此減少化學藥劑的使用。

四、結語

  藉由上述同源基因轉殖作物案例說明,可知同源與異源基因轉殖作物的異同,兩者雖同樣以遺傳工程方式將外源基因導入受體作物基因組,但同源基改作物使用本身所有或可交配近緣種基因,且導入基因片段不具報導基因或載體骨架,不會改變受體作物基因庫,與傳統育種方法得到之雜交品種甚為相似,EFSA 亦將同源基改作物之安全疑慮列為與傳統雜交育種相同。但是,各國對於同源基改作物之認定仍待釐清,評估方式與審核規範應與異源基因轉殖作物相同,或是可以稍作放寬,值得吾人進一步探究。

參考文獻

EFSA Panel on Genetically Modified Organisms (GMO). 2012. Scientific opinion addressing the safety assessment of plants developed through cisgenesis and intragensis. EFSA J. 10:2561-2594.

Gaskell, G., A. Allansdottir, N. Allum, P. Castro, Y. Esmer, C. Fischler, J. Jackson, N. Kronberger, J. Hampel, N. Mejlgaard, A. Quintanilha, A. Rammer, G. Revuelta, S. Stares, H. Torgersen and W. Wager. 2011. The 2010 Eurobarometer on the life sciences. Nat. Biotechnol. 29:113-114.

Haverkort, A. J., P. C. Struik, R. G. F. Visser and E. Jacobsen. 2009. Applied biotechnology to combat late blight in potato caused by Phytophthora infestans. Potato Res. 52:249-264.Holme, I. B., G. Dionisio, H. Brinch-Pedersen, T. Wendt, C. K. Madsen, E. Vincze, and P. B. Holm. 2012. Cisgenic barley with improved phytase activity. Plant Biotechnol. J. 10:237-247.

Jänsch, M., R. Paris, F. Amoako-Andoh, W. Keulemans, M. W. Davey, G. Pagliarani, S. Tartarini and A. Patocchi. 2014. A phenotypic, molecular and biochemical characterization of the first cisgenic scab-resistant apple variety ‘Gala’. Plant Mol. Biol. Rep. 32:679-690.

Jo, K. R., C. J. Kim, S. J. Kim, T. Y. Kim, M. Bergervoet, M. A. Jongsma, R. G. F. Visser, E. Jacobsen and J. H. Vossen. 2014. Development of late blight resistant potatoes by cisgene stacking. BMC Biotechnol. 14:50.

Schouten, H. J., F. A. Krens and E. Jacobsen. 2006. Cisgenic plants are similar to traditionally bred plants. EMBO Rep. 7:750-753.

Vanblaere, T., H. Flachowsky, C. Gessler and G. A. L. Broggini. 2014. Molecular characterization of cisgenic lines of apple‘Gala’carrying the Rvi6 scab resistance gene. Plant Biotechnol. J. 12:2-9.

Vanblaere, T., I. Szankowski, J. Schaart, H. Schouten, H. Flachowsky, G. A. L. Broggini and C. Gessler. 2011. The development of a cisgenic apple plant. J. Biotechnol. 154:304-311.

本網站刊載之「農政與農情」其所有內容,包含文字、圖像等皆可轉載使用,惟須註明出處。

回上方 回上一頁
104-08-19:11,658
隱私權及資訊安全政策/網站資料開放宣告/本會位置圖/各縣市動物保護申訴電話/緊急災害聯絡
關閉