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     记者从南京农业大学获悉,该大学作物遗传与种质创新国家重点实验室教授杨东雷,在高产基因资源库中寻找具有抗病功能的基因,通过诱导型地表达抗病基因使水稻达到了既高产又高抗的育种目标。日前该成果在线发表在国际期刊《自然—植物》上。

    中国科学院院士李家洋在2010年,首先发现水稻理想株型基因ipa1,适度上调ipa1后可以减少水稻的无效分蘖,增加穗的分支,增强秸秆的强度,最终增加单位面积的产量。因此,含有ipa1-1D与ipa1-2D两个功能获得性等位基因的水稻品种得到了大面积推广种植。

    杨东雷团队在筛选高产基因资源库中发现ipa1的表达在白叶枯病原菌侵染时发生改变,暗示他们可能参与抗病过程。

    “我们进而检测了含有ipa1-1D与ipa1-2D的高产水稻品种,但遗憾地发现这些品种在抗病上表现一般。我们超表达了ipa1,发现这些水稻对白叶枯病具有广谱的高抗能力,但这些水稻材料分蘖极度减少、穗子缩短、育性降低,最终造成水稻产量大幅下降。”杨东雷说。

    为了获得高抗与高产的水稻,杨东雷团队利用白叶枯病菌TALE类效应因子诱导表达的OsHEN1的启动子表达ipa1, 获得了他们命名的HIP水稻。

    “在没有病原菌侵染时,类似ipa1-1D与ipa1-2D,HIP水稻微量上调ipa1的表达量,所以HIP水稻表现出少蘖、大穗、茎粗等表型,最终提高了产量。当有白叶枯病侵染时, ipa1被强烈诱导表达,极大增强了抗病性。更重要的是在白叶枯病侵染时,HIP水稻也表现为高产。”杨东雷说。

    来源机构: 中国农业网 | 点击量:44
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    如何建立一种行之有效、简便、快速的经济树种根部稳定转基因系统?北京林业大学创新团队科研人员以多年生木本药食两用豆科植物木豆为材料,通过对发根农杆菌菌株筛选、转基因条件优化、转基因效果验证等,在这一领域的研究取得新进展。生物学一区TOP期刊《植物生物技术杂志》(Plant Biotechnology Journal)(IF:6.305)日前发表了这一成果。该成果为生长周期长的木本植物研究提供了重要的关键技术体系,对林木次生代谢产物代谢调控和育种研究具有重要的科学价值及应用价值。

    该研究已扩展到湖北海棠、亚洲海棠、Gala苹果、红花、决明子、板蓝根、金花葵、秋葵、蓖麻、锦鸡儿及白木香等木本和草本的经济及药用植物中,成功获得多种植物根部转基因系统。据了解,在传统毛状根培养方法的基础上,研究人员对4种发根农杆菌菌株进行检测,考察了不同育苗条件对转基因根诱导率的影响,并利用BIFC、蛋白质免疫印迹和酵母双杂交手段验证了转基因毛状根的基因表达分析功能。

    科研人员介绍说,农杆菌介导法获得植物转基因的方法广泛应用于植物的基因工程,是研究模式植物和作物基因功能和植物遗传修饰的重要方法。但到目前为止,只能在部分模式植物及少数作物中完成稳定的转基因体系,多数还不稳定。木本植物生长周期长,并缺乏快速、高效、稳定的转基因体系,导致木本基础研究严重受阻。建立一种稳定、快速、高效的木本植物转基因体系意义重大。该校林木分子设计育种高精尖创新中心青年研究员孟冬、林学院博士杨清为论文共同第一作者,特聘教授付玉杰为通讯作者。

    来源机构: 中国农业网 | 点击量:49
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    新华社南京4月1日电(记者陈席元、眭黎曦)记者1日从南京农业大学获悉,该校杨东雷实验室利用高产基因IPA1提高了水稻对白叶枯病的抗性,培育出既高产又具高抗病性的水稻新品系。相关研究成果近日发表在国际知名学术期刊《自然·植物》上。

    “植物抵抗病菌是一个消耗能量的过程,所以有强抗病力的作物往往产量不高,而高产的品种又容易染病。”杨东雷教授说,抗病与高产通常是一对矛盾,就像鱼与熊掌不可兼得,同时达到高产和高抗一直是作物育种的一大挑战。为解决这个问题,科研团队尝试在高产基因中寻找抗病基因。

    2010年,中国科学院院士李家洋在国际上首先发现水稻理想株型基因IPA1,作为水稻miRNA156的靶基因,IPA1能够参与调控水稻多个生长发育过程,适度上调IPA1的基因表达可以减少水稻的无效分蘖,增加穗的分支,增强秸秆强度,从而提高单位面积的产量。

    杨东雷团队的研究人员发现,当白叶枯病菌侵染水稻时,miRNA156与IPA1等靶基因的表达水平会发生改变。如果下调miRNA156或者增加IPA1的表达,水稻对白叶枯病的抗性虽然会得到大幅增强,但这些水稻分蘖大量减少,穗子变小,育性降低,产量会大幅下降。

    为了获得高抗与高产兼具的水稻品种,研究人员给水稻安装了一种“报警器”,一旦有白叶枯病菌入侵,IPA1就会增加表达,经过测试,研究团队将最终培育出的水稻命名为HIP。

    后续研究显示,当没有病原菌侵染时,HIP水稻植株的IPA1表达量会微量上调,表现出少蘖、大穗、茎粗等性状,产量得到了提高;当白叶枯病菌侵染时,IPA1就会大量表达,为植株补充“抗体”,增强植株的抗病性。

    “更重要的是,我们发现,在白叶枯病侵染时,HIP水稻仍然能够保持高产。”杨东雷说,该研究发现了miRNA156与IPA1这一对控制水稻生长与抗病的因子,阐明了IPA1抗病的分子机制,研究团队也据此培育出高抗高产的水稻新品系。

    来源:新华社

    来源机构: 基因农业 | 点击量:34
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    主持人:大家好,这里是山西省农村科技函授大学《农村微课堂》,今天我们非常有幸请来了,山西农业大学的史宗勇教授,史老师,您好

    史老师:您好,主持人好。

    主持人:那史老师在上一期节目当中,给大家介绍了转基因技术和农业生产的一个挂钩,那其实在这一期我们想着重来问一下,史老师转基因技术在农业上的应用具体的有哪些呢?

    史老师:这个刚才我们说过的,在医药领域转基因的应用技术,是转基因技术发展的第一个浪潮,在农业领域的应用是转基因技术,快速发展的第二个浪潮,当前转基因技术的主要应用,是在农业新品种的培育,那么在农业新品种培育过程中间,到目前为止,它可以分成三个基本阶段,第一个阶段它主要培育的就是,抗虫的,抗病的,抗害的,也就是抗逆的这样一些转基因品种,在第二个阶段它培育的新品种,主要就是培育一些品质改良的转基因品种,比如说增加品种内的赖氨酸的含量,氨基酸的含量,去除一些过敏的基因等等,这样一类的转基因品种的培育,这个是第二个阶段,第三个阶段是一些生物反应体的培育,比如说我们国家转基因奶牛,它就有这样的培育,它把人母乳内部的乳铁蛋白基因转移到奶牛体内,使得牛奶中含有了母乳相同的蛋白质,从而满足母乳不足喂养小孩的这样一个困难,在2008年以来 我们国实施,转基因生物新品种培育重大专项,我们国家的科研人员克隆了1000多个重要的基因,获得了1000多项专利,取得了抗虫棉、抗虫玉米、耐除草剂大豆等一批重大成果,那么在这个情况之下,在世界范围内来看,我们国家仅此于美国,已经抢占了一定的转基因研发的制高点,我国自主基因 自主技术,自主品种的研发能力显著提升。

    主持人:那刚才史老师也提到了,转基因技术运用到农业生产上,使我们的这个产品研发能力,有了显著的提升,那么在这一项技术的使用当中,有哪些具体的优势呢?

    史老师:那么转基因技术在农业生产上的应用,具有非常明显的优势 ,首先第一个它可以提高粮食的产量,解决粮食安全问题, 那么我们大家知道 ,2016年我国总人口13.8亿,粮食总产量是61624万吨,人均粮食占有是477公斤,人均占有量高于世界的平均水平,可以说温饱问题已经基本解决,但是现在面临的主要问题是,发展食物的多样化生产,调节食物结构,提高人民的生活质量中国粮食供需平衡的水平,还有待进一步的提高供需偏紧的状况还将,在一定时间内存在,转基因作物可以增加,作物对恶劣生长环境的适应性,诸如干旱,高盐分土壤,极端温度等一些生长环境,从而增加宜耕土地面积,提高作物的产量,从而有效的解决,粮食短缺问题,特别是在解决,食用动物口粮短缺问题上,发挥重大的作用,第二个因素就是转基因作物的使用,可以减少农药的应用,避免环境污染,在我国农药的使用量,每年保持在30万吨左右,这个30万吨它是折百量,农药残留成为食品安全的重要因素,那么抗虫转基因作物的使用,提高了作物对病虫的抗性,减少了农药的使用量,第三个就是增加食物的营养,提升食物品质 刚才我们也提到了,它可以提高食物蛋白质的含量,改善油脂的品质,在这些方面发挥其作用,第四个就是节省生产成本,提升生产效率,增加农民的收入,有统计显示从1996年到2015年,转基因作物商业化种植20年以来,全球转基因作物累计种植面积达到20亿公顷,农民收超过了1500亿美元。

    主持人:好的,那通过刚才史老师的介绍,我们发现了转基因技术,在我们农业方面,不仅仅可以抗虫,可以抗害,还能让我们的生物,可以在非常严峻的条件下生长起来,所以说转基因技术,在我们面对它的时候,还是要理性客观的去看待。那在节目的最后我们还要,再一次感谢来自山西农业大学的史宗勇老师,那今天的节目到这里就结束了,我们下一期再会。

    来源:指尖上的科普

    来源机构: 基因农业 | 点击量:27
  • 摘要:

    近日,中国农业科学院植物保护研究所周焕斌课题组、周雪平课题组和四川大学生命科学学院林宏辉课题组合作开发了一系列基于Cas9-NG的各种水稻基因组定点编辑工具,并成功用于水稻单基因敲除、多基因敲除、单碱基编辑(碱基对G·C和A·T的互换)以及靶基因转录激活调控。相关研究成果在线发表于《分子植物》(Molecular Plant)。

    来源于化脓链球菌的Cas9核酸酶现已广泛应用于水稻基因组编辑,有效促进了水稻功能基因组学研究和分子育种进程。Cas9在进行基因编辑的过程中需要识别靶DNA序列3’端的保守PAM(前间区序列邻近继续)序列。由于Cas9主要识别NGG PAM序列,这极大限制了基因组范围内的靶DNA序列的选择,尤其是对于特定位点核苷酸进行单碱基编辑时,往往造成无合适PAM可用。扩展PAM识别序列,将有利于扩展水稻基因组编辑应用范围。

    为此,该团队选用Cas9突变体xCas9和Cas9-NG对水稻基因组编辑技术进行了优化和扩展。研究发现,Cas9-NG编辑效果优于xCas9蛋白,并且将识别PAM序列由NGG简化为NG,此外还能识别NAC、NTG、NTT和NCG等PAM序列。

    Cas9-NG在水稻上的成功应用,在一定程度上突破PAM识别序列的限制,将水稻基因组中的可编辑位点增加了8倍,众多之前无法进行碱基编辑的位点如今可进行操作,大大扩展了编辑范围。

    周焕斌指出,该成果对于水稻基因功能解析和分子精准育种具有重要促进作用,加速实现水稻缺陷型基因的修饰矫正,有利于缩短水稻育种进程和延长现有优良品种的应用周期。

    该研究得到了基金委自然科学基金、国家重点研发计划项目和中国农科院创新工程的资助。

    相关论文链接:DOI:10.1016/j.molp.2019.03.010

    来源机构: 科学网 | 点击量:30
  • 摘要:

    基因农业网按:3月29日,science杂志发表评论谈新植物育种技术,标题为《新植物育种技术助力保障粮食安全》(New plant breeding technologies for food security),作者来自比利时列日大学、巴基斯坦费萨拉巴德国家生物技术与基因工程研究所、德国哥廷根大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学和位于菲律宾的国际水稻研究所。文章呼吁欧盟正确对待基因组编辑技术,放松监管,为其国际发展扫除障碍。

    (基因农业网panda翻译)一个没有饥饿的世界可能吗?当然,但前提是粮食生产可持续地增长和分配,消除极端贫困。在全世界范围内,贫困和营养不良的人群大多数生活在发展中国家的农村地区,他们依靠农业获得食物、收入和工作。国际统计数据显示,低农业生产率与高营养不良率之间存在明显关联。全球研究还表明,只有小农户的收入增加,才能迅速减少极端贫困。因此,农业生产力的持续提高是社会经济发展的核心。在本文中,我们将论证,通过慎重部署和科学知情的监管,基因组编辑等新植物育种技术(NPBT)能够为全球粮食安全做出重大贡献。

    在过去,通过杂交和自交策略进行的常规植物育种在提高农业生产力方面发挥了重要作用。此外,小农户采用转基因(GM)作物可以提高产量、减少农药使用、减少贫困、改良营养状况。尽管如此,到目前为止,只有少数发展中国家和新兴经济体——如中国、印度、巴基斯坦、孟加拉国和南非——采用了转基因作物。尽管30年的研究表明转基因作物的风险并不比传统作物高,但非洲和亚洲的许多国家对推广应用转基因作物仍然犹豫不决,这主要是因为被错误灌输的风险意识和对失去欧洲这一重要出口市场的担忧。

    此时NPBT已经问世。这些技术可以减轻与转基因作物相关的担忧。例如,基因组编辑的最新进展可以让我们通过改变植物内源基因对作物进行性状改良,而无需跨物种的基因转移。尤其是,CRISPR-Cas已成为编辑作物基因组的最重要系统之一,在主要谷物(如水稻、小麦和玉米)及其他粮食安全作物(如香蕉和木薯)中的应用迅速增加。由于成本低廉,基因组编辑也可用于改良孤生作物,如当地的水果、蔬菜和主粮作物,它们可以在当地居民的健康饮食中发挥重要作用。转基因作物中使用了外源DNA,这是其受到严格调控的主要原因。因此,不含有外源DNA的基因组编辑作物有可能会降低监管程序的成本,从而加快创新、增加种子产业的竞争,并使发展中国家的农民也能够负担得起更优质的作物种子。由于缺乏应对转基因作物的技术、监管和沟通能力,已经限制了转基因作物在当地的公众接受度和采用率。科学和社会政治发展并不总是一个协同并进的,无论是在发达国家还是在发展中国家都是如此。因此,必须采取新的努力和战略,以促进采用基因组编辑作物和其他有可能促进可持续发展的NPBT技术。鉴于过去的教训,该战略应建立在透明的沟通、对研究人员和创新体系中的其他利益相关者进行培训,以及高效、智能的监管法规。

    公-私合作伙伴关系被认为是促进和应用NPBT技术的一种方式。在较为先进的发展中国家,这种伙伴关系的前景尤为光明,这些国家仍然是大量贫困人口的家园,但已经具备的一定经济实力,可以与私有农业公司商议互惠互利的合作项目。这些较先进的发展中国家所产出的植物产品和种子也可以在本区域内交付给邻近的欠发达国家,而后者获得NPBT的机会有限或者必须支付高很多的价格。现有的政府间无国界水稻种子创新项目是朝这个方向迈出的重要一步,该项目在一些南亚和东南亚国家之间支持种子分享。

    通过与亚洲和非洲区域发展和合作机构,如东南亚国家联盟(ASEAN)或非洲发展新伙伴关系(NEPAD)合作的公司,可以将这种政府间的创新项目提升到一个新的水平。机遇就在先前公私伙伴关系成功的案例之中,例如孟加拉国转基因抗虫茄子的研发和商业化。最近,孟加拉国农业部长公开声明支持生物技术和对另外三种转基因作物进行的田间测试,该举措使孟加拉国成为通过现代技术解决饥饿和营养不良问题的全球典范。另一个例子是非洲节水玉米(WEMA)项目,该项目正在开发耐旱品种,旨在通过非洲种子公司向小农户免费提供这些品种。应该制定一项关于粮食作物优先特性的协调发展计划,包括孤生作物,这将有助于更广泛地展示新型育种技术对发展中国家粮食安全的巨大潜力。

    植物育种家的工具箱正以令人兴奋的方式扩展。快速世代推进(RGA)和单粒传代法使作物生命周期尽可能缩短,以用于育种、选择和固定有用基因的研究。这种方法已经在几种谷物作物的改良做出了贡献,建立在绿色革命的特征——较慢且不太准确的系谱选择方法的基础上。与此同时,基因组选择也变得越来越流行,它利用基因分型和归纳法的策略来预测群体中表型特征不明显的植物的价值。最近出现的CRISPR-Cas系统也可以部分突破当前育种方法的局限性,该系统提供了一套有效的应用程序和分子工具,以用户定义的方式精准且高效地改造基因组。CRISPR-Cas9介导的基因敲除被广泛应用于作物改良的各种应用中,例如高产水稻、抗病高筋小麦和增香番茄。其他可能的模式包括精准的DNA序列编辑、基因替换、多个性状同时增强(性状叠加),以及启动子和调控元件工程来改变基因表达模式。此外,CRISPR全基因组筛选可以用来识别以前未知的有价值的作物性状。不过,CRISPR技术在提高数量性状(包括耐旱性和耐盐性)方面的效用,仍需在几种作物中进一步测试。我们预计,CRISPR-Cas技术与现代育种方法相结合,将在未来的作物改良计划中发挥重要作用,但其他用于基因组预测和选择的技术也将继续发挥重要作用。

    未来5年内可能会出现几个基因组编辑的有趣应用。例如,多个粮食安全作物可以迅速受益于新的基因组编辑技术,以解决主要的病虫害问题,减少对化学杀虫剂的需求,并使植物更能适应极端气候的压力。公共或公共-私营部门在作物品种的开发方面的成功可以作为一个明确的例子以建立信任,并显示在当地采用基因组编辑技术为地方谋利的能力。目前,通过越来越多的高质量作物基因组以及作物和植物多样性小组的等位基因比较,改良的目标基因更容易确定了。私营部门正在逐渐认识到公共数据库的这种多样性,这有助于促进互利的公私伙伴关系。由政府资助的国际农业研究咨询小组(CGIAR)的任务是管理大多数主要的粮食安全作物,并联合区域组织从事未来的粮食安全研究。大多数CGIAR中心支持作物特异性基因库,这些基因库可以与区域和国家研究所合作,评估基因组编辑的改进。CGIAR之前为发展中国家提供植物遗传物质的努力使育种家开发新的作物品种变得更加容易。鉴于CGIAR中心在不同的当地环境中都有存在,它们可以作为一个中立的协调者,协调一个用于开发和测试基因编辑作物的田间研究设施网络。

    全球对转基因作物的反对态度解释了为什么目前这些作物的应用仍然有限。欧洲的态度和政策方针在其中起到了特别重要的作用。考虑到非洲和亚洲国家与欧洲的长期贸易关系,他们理所当然地担心转基因作物的采用可能会导致失去向欧洲出口的机会,因为欧洲现在对转基因生物的反对已经根深蒂固。基因组编辑可以代表利用现代生物技术潜力促进粮食安全的新机会。然而,最近欧洲法院以对待转基因作物同样的方式管理基因编辑作物的裁决令人失望,并可能扼杀国际上在应用基因编辑技术改进作物方面取得的进展。尽管如此,美国和日本关于放松对基因编辑作物的规定的裁决预计将为一种新的范式奠定基础,这种范式可能会带来更有效的国际监管机制。转基因作物超过30年的应用经验表明,监管程序影响公众的态度,而欧洲公众的消极态度对发展中国家公众的认知和政策产生重大影响。在欧盟对基因组编辑作物放松监管才可能会向需要农业技术的发展中国家释放积极的信号。

    实现全球粮食安全将需要一个基于过去经验教训的框架:创新至关重要,因此促进创新的环境也至关重要。为了充分利用NPBT的潜力,需要采取多管齐下的办法,考虑到技术开发、传播、采用和社会接受的所有组成部分(见图)。NPBT不应该被误解为万灵药。还需要许多其他技术和方法,包括改进售后管理、市场基础设施和社会服务。不过,基因组编辑被认为是对抗饥饿和贫困的有力补充。国际社会应抓住这一机遇,建立有益的监管框架和支持机制。

    原始文献:

    http://science.sciencemag.org/content/363/6434/1390

    来源:基因农业网

    来源机构: 基因农业 | 点击量:24
  • 摘要:

    3月29日获悉,由中国科学院华南植物园吴国江、李美茹等科研人员完成的“一种快速获得大量转基因佛甲草新品种的分子育种方法”获得国家发明专利授权(专利号:ZL 201510518685.3)。

    该发明以无菌苗的叶片、叶柄、茎为转化受体,根据育种目的的需要构建目标基因的植物表达载体,通过根癌农杆菌介导方法将目标基因导入佛甲草基因组,通过芽器官发生途径分化形成再生植株;在转化芽诱导、转化芽伸长及生根时添加筛选标记基因的相应的抗生素筛选转化体,通过Southern杂交、GUS染色证明所获得的抗性株均为转化株。该发明方法9周即可获得大量的转目标基因的佛甲草新品种,可满足目前佛甲草优良株系培育、种质资源创新研究的迫切需要。该发明在佛甲草可持续发展中具有显著的生态、经济和社会效益意义。

    来源机构: 中国科学院 | 点击量:26
  • 摘要:

    基因农业网按:尽管美国的基因工程作物飞速发展,但其基因工程动物却踌躇不前,究其本质,是美国将基因工程动物纳入了食药监管,是作物药物来监管的。这也是美国转基因三文鱼姗姗来迟数十年的根本原因。这种政策的后果便是,监管混乱,企业研发资金匮乏,转基因动物项目逃离美国。对此,加州大学戴维斯分校动物科学专业Alison L. Van Eenennaam博士在自然杂志合作期刊npj Science of Food上撰文作了论述。基因农业网在此翻译介绍此文。

    (翻译:panda)通常认为,日常食物中的DNA是安全可食用的,并且,它也是任何生物体来源食材中必然含有的常规成分。当我们将同一物种中任意两个健康个体的基因组序列进行比较时,往往都能观察到大量天然发生的DNA变异。正因为存在这些DNA变异,育种家们才有可能从中选择出具有特定理想性状的个体,并通过杂交选育等方法得到食源动物和植物的新品种。对于这类新品种,法规机构并不会在其商业化上市之前进行任何安全性评价。而今,由于基因编辑工具的发展,育种家们能够对动植物进行精准的DNA编辑,向农业育种项目中引入有用的遗传位点变异。美国农业部(USDA)宣称,该机构不会对有可能通过常规育种手段实现的基因编辑作物进行额外的上市前监管。

    不过,美国食品与药品管理局(FDA)已经提议,针对所有利用现代分子技术(包括基因编辑技术在内)有目的地改变了基因组的食源动物,依据新型动物药物法规进行强制性的上市前安全评价。这一提议与美国在生物技术上的政策方针相悖,此前,美国对于生物技术产品的评价指导原则是,法规监管的触发条件应当是存在不合理的风险,而不是某个生物被某种特定过程或技术改变了的事实。育种家的意图与产品风险之间并无直接相关性。非常有必要协调统一与食源生物的基因编辑相关的法规要求,以让植物和动物的育种家们能够获得基因编辑这类强大的工具,将有用的可持续性状引入美国农业育种计划中,比如抗病性、气候适应性和其他食品质量相关的属性。

    有一些牛长角,而另一些则没有(图1),一种名为Granny Smith的苹果与普通的红苹果Red Delicious从外观上看差异很大,这些都是基因组DNA序列发生了天然变异的结果。从技术角度看,这些变异被称为等位基因差异,是由于突变而导致的DNA序列的变化或变异。事实上,即使是同一物种中的任意两个健康个体之间,其基因组中都存在数以百万计的天然DNA变异。这也就是像“23andMe”这样公司的基因测试能够分辨家属和谱系的理论基础:与不相干的人群相比,我们与亲缘关系近的人之间共同拥有更多独特的等位基因或突变位点。

    图1 通过基因编辑得到的无角牛的后代,旁边是长着角的对照牛。牛有不同的花色、有些长角有些不长角,这都是它们体内基因组中DNA序列发生了天然变异而造成的。这些DNA序列的变异也可以通过基因编辑的方法实现,比如这只黑色的牛(#1)从她的父亲那里遗传了编辑过的POLLED DNA序列变体(PC 等位基因),因此,遗传编码决定了她天生就不长角。图片由加州大学伯克利分校的Alison Van Eenennaam提供。

    为更好地理解这一点,“1000公牛基因组计划”中对2703头牛的全基因组序列数据进行的一项研究显示,不同品种的牛之间存在着8650多万个位点的差异(变异)。这些变异包括250万个DNA碱基对的插入和删除,以及8400万单个核苷酸的变异,即,构成DNA的四种核苷(A、C、G、T)由其中的一种改变为另一种。这些突变中有一小部分是由于对重要的农艺学特性具有有益影响而被育种家选择出来。迄今为止,并未发现这些自然发生的变异会对牛奶或牛肉产品的消费者产生不良影响。事实上,就基因组DNA序列而言,我们每一餐所吃的食物在基因上都与上一餐的食物不同。从食品安全的角度来看,基因变异本身并不构成独特的危害。DNA是所有未经加工的食物都含有的一种天然成分,而这种天然成分每个食源物种(包括植物和动物)的每个个体中都是各不相同的。

    个体间DNA的变异(“基因型”)导致了外观可见的差异,也就是我们常说的“表现型”。良种选育的每一个候选个体(可能被选择用于育种的个体)的可观察特征,都是由其基因型与环境的相互作用而共同产生的,在常规的表型评估中被记录下来。而所谓的“off-type”则是偏离了预期特征的个体,被识别出来后不再继续用于育种目的。育种家只选择最有活力、最有生产潜力和最健康的个体作为下一代的亲本。用一位动物遗传学家的话说,“千百年来,动物育种家已经进行了大规模的基于表型选择的诱变筛选活动。”

    对于通过传统育种方法得到的动植物品种,虽然会在生产力、繁殖效率、对疾病的反应和质量特性等变化方面进行例行评估,但不会对其在分子水平上是否存在非预期效应进行例行评估。在传统育种得到的新品种商业化之前,监管机构并不会对其进行健康和环境安全的评估。选择出产量更高、适应性更强的动植物品种是提高产量、同时降低单位面积耕地上粮食生产环境足迹的一个非常重要的组成部分。自1960年以来,全球牲畜的生产力提高了20-30%,这在很大程度上是人工选择而带来的遗传改良结果。

    自上世纪30年代以来,传统的植物育种项目一直在利用甲烷磺酸乙酯或快中子辐照等致突变化学物质,诱导整个基因组中随机位点上的DNA序列突变或改变,试图产生新的性状变异。这种做法增加了可用于育种项目的遗传变异。在世界各地的植物育种项目中,广泛应用的诱导突变技术已经在数以百计的作物类型种产生了数千个作物新品种。突变品种数据库(https://mvd.iaea.org/)中收录了来自70多个国家的214个不同植物品种的3200多个突变品种。对于这些品种,并没有独特的监管指南或跟踪要求,而且似乎没有任何记录表明这些突变品种由于意外或非预期的不利事件而退出市场。

    大多数农作物天然地含有过敏原、毒素或其他抗营养物质。在2004年的报告中,美国国家研究委员会(the National Research Council)指出了一些与传统植物育种有关的罕见安全问题,如猕猴桃中的过敏原、土豆中的高水平的茄氨酸。图2所示为不同个体之间存在的生物变异的大小,以及由于测序平台、错误和基于文献估计的生物信息学分析时可能发生的技术变异的来源。

    图2 不同个体之间存在的生物变异大小的可视化表示,以及由于测序平台、错误和生物信息学分析中存在差异而可能发生的技术变异来源。由于植物育种家经常在环境释放前使用自交的方法来培育品种,同一个植物品种的个体之间的变异往往比同一个杂交牛品种的个体之间的变异要小得多。序列变异的量化和检测对测序结果和生物信息学分析中的差异非常敏感。

    基因编辑是一种可以将有用的基因变异引入育种项目的技术。它涉及到使专用的酶(位点特异性核酸酶,如CRISPR-Cas9)来切割特定序列的DNA,从而在目标位置引入DNA链的断裂。利用细胞内天然存在的可用于修复这种断裂的DNA修复机制,可以引入核苷酸缺失或插入,或是将一个核苷酸替换成另一个核苷酸之类的遗传变异。基因编辑为引入有针对性的基因变异开辟了新的机会,并培育出那些不需要的性状被精确剔除或消除、而需要的性状被精确引入基因组的品种和品系。这种改变产生的表型将完全取决于所编辑的目标基因。例如,植物育种家已经使用这些工具来提高可持续性特征,包括抗病性、抗旱性和耐盐性,以及产品的质量性状。

    2018年3月,美国农业部(USDA)宣布,只要不具有植物有害生物的特性,或者不是利用植物有害生物开发的作物,在投入商业生产之前,该机构无意就这类有可能通过传统育种得到的基因编辑植物对人类健康和环境安全进行评估。根据这项决议,只要是可能通过传统杂交而产生的基因缺失、单碱基对替换和来自近缘植物的核苷酸序列的插入(转移)都不在美国农业部的监管范围之内。

    2017年初,美国食品和药物管理局(FDA)发布了最新的《行业指南第187号》草案,题为《对有目的改变基因组DNA动物的监管》。该指南旨在规范所有使用现代分子技术(包括用于开发兽药的基因编辑技术)有目的地改变基因组的食源动物的管理。自2009年以来,FDA一直采用这种方法来监管转基因改良动物。遗憾的是,由于这种严苛的监管方法,没有任何基于重组DNA(rDNA)的技术在食源动物育种项目中得以应用。截至2019年3月,美国市场上没有出现任何一例利用rDNA技术生产的具有改良基因型的动物来源食品。

    要了解目前这种尴尬的情况是如何产生的,需要一些背景知识。记录利用基因工程技术得到的转基因食源动物的第一篇论文发表于1985年。1986年,白宫科技政策办公室(OSTP)发布了“生物技术协调监管框架”,文件中称,该框架“试图将需要一定程度联邦审查的生物体与那些不需要审查的区分开”。这一理念遵循了传统的监管方式。例如,在农业领域,植物、动物和微生物新品种的引进长期以来一直是惯例,只有一些非本地的或具有致病性的植物、动物和微生物才需要监管部门的批准。该文件进一步阐明,监管审查应限于有意形成包含来自不同属的遗传物质的“属间组合生物体”,即后来被称为“转基因”的生物体。

    在2009年FDA发布的《行业指南第187号》中名为“对包含可遗传重组DNA构造的遗传改良动物的监管法规”一文中,FDA宣布其有意依据“联邦食品,药品和化妆品法案(FD&C法案)”中有关动物新药的相关规定,对所有含有可遗传重组DNA的遗传改良动物进行监管,包括含有遗传改良成分动物的整个家族后代。在上述法案中,动物新药被定义为“一种旨在影响……动物身体结构或任何功能的物品(食品除外)”。FDA澄清说,他们认为转基因动物体内的重组DNA构造就是药物,而不是转基因动物本身。虽然FDA的监管评估看起来是基于产品(转基因动物)的属性,但实际上,用于产生基因变化的方法(即rDNA与其他育种方法的差别)才是这类严格监管的触发器。换句话说,FDA的监管是基于生产转基因动物的过程,而不是基于这种动物或其来源食品(牛奶、肉类或鸡蛋)的特定特征。

    这种做法已经背离了OSTP在1992年的政策声明中所阐述的方法,1992年的声明中指出:“在法规所限定的自由裁量权范围内实施监督应以引入物所造成的危险为基础,而不应以某一生物体已被某一特定程序或技术所改变这一事实为依据”。此外,该声明还澄清说,“只有在引入物所造成的风险是不合理的情况下,即通过额外监督所减少的风险的价值超出了由此产生的成本时,才会行使监督权。”

    为获得监管机构批准而付出的高昂成本和无法预期的时间,限制了公共部门科学家和小型公司开发转基因动物改良品种的积极性。尽管在过去近35年中对多种转基因作物品种进行了研究和批准,目前仍无一例转基因食源动物成功进入美国消费者市场。转基因三文鱼是唯一依照《食品与药品法》中有关动物新药条款获得食品批准的转基因动物。这种名为AquAdvantage的转基因三文鱼多年来一直游走在监管框架边缘,导致其累计研发和监管成本高达数千万美元。尽管其饲料转化率更高,也能够更有效地地利用膳食中的蛋白质,在2015年11月终于获得FDA的法规批准时,距离最初1989年科学研究人员在加拿大首次得到这个品种祖先已经过去了四分之一个世纪,现在,该公司正尽量避免在美国进口和销售其产品。这是由于美国政府在2017财年预算中的一项由Alaskan Senator Lisa Murkowski提出的条款,指示FDA禁止出售这种转基因的三文鱼,直到开发出一种程序来告知消费者,他们所购买的三文鱼正是遗传改良或生物工程产品。

    2017年FDA就基因编辑动物的监管起草了一份指南,建议将所有通过基因编辑而引入的动物基因组改变同样作为动物新药进行监管,进一步将该类产品推入深渊。这包括许多与常规育种中可能发生的类似核苷酸的插入、取代或删除。转基因重组DNA结构的存在不再是触发FDA对产品上市前强制性监管的驱动力,任何“有目的改变的基因组DNA”在动物体内的存在成为了引发监管的触发器。从公共安全的角度来看,这没有任何意义,因为有目的的更改与产品本身是否具有风险没有任何关系。如果要求经过基因编辑的动物遵守与转基因动物相同的监管标准,那么有能力负担这种监管成本的公司可能会胜出。

    缺失、突变,以及天然发生的一个等位基因转换成同一物种(cisgenic)中另一个等位基因,这些都可能通过传统育种手段实现,对这类变化实施强制性上市前监管与OSTP政策、美国国家科学院、工程院和医学院在2016报告中的建议背道而驰,后者推荐“由产品而非过程”监管触发的方法,即USDA对基因编辑植物的监管方法。FDA的做法同样也与世界上许多国家的其他管理机构所作的决定不一致,这对全球贸易产生了影响。

    最后的最后,有目的改变基因组的食源动物是用来产生食物的,如果他们所产生的食物通过口服途径被食用时并不具有生物学活性,对这些有意进行基因组改变的动物当成药物来监管就毫无意义。将一种DNA序列的变体当成一种“药物”来监管,可能会让消费者感到迷惑和恐慌,他们可能会由此想当然地认为自己所吃的食物中含有生物活性物质。DNA的改变不是药物,而是任何生物体独特的遗传密码特征的一部分。DNA通过其在细胞内的自然功能,控制生物体如何生长,并表现出其独特的形态和功能。表型最终将由生物体的基因组DNA序列和其所在环境的相互作用来决定。我们不对食物中数以百万计的天然基因变异进行监管,因为通常来说DNA是安全的,无论序列如何,这类物质都是我们每顿饭中从任意有机体中获得的食物常规成分。

    这件事为什么很重要?

    鉴于目前美国尚无一例转基因食源动物产品上市,动物育种家或许是最清楚监管僵局对潜在有价值的育种技术的应用造成的可怕影响的群体。这将表明FDA的监管方法无法满足该应用目的,因为似乎没有一个可行的路径让安全产品进入市场。此外,以往对基因间重组DNA作为一种新型动物药物而关注于其潜在效应的做法并不适用于不产生任何重组DNA的基因编辑技术。转基因动物的例子包括抗病动物、具有改进的质量性状和/或减少常见过敏原的产品,以及减少环境足迹影响的生产动物。获得监管部门批准的高昂成本,限制了公共部门科学家和小型企业开发转基因动物改良品种的积极性。该技术在动物育种项目中应用的延迟或禁止,与放弃基因改良方面的实际机会成本有关。

    基因编辑的出现为我们重新思考现代生物技术产品的监管方法提供了一个机会,许多作者认为,监管审查的触发因素应该是新产品的潜在危害/风险(如果有的话)与由此带来的好处之间的利弊权衡。研究人员已经在一系列有益的基因编辑食品动物应用项目中作出了努力,用以解决重要的人畜共患病和增加动物福利,如去角和阉割。公共资金对食用动物基因组测序项目的重大投资已带来了深入的理解,而基因编辑在将这些知识转化为有用的实践方面具有巨大的潜力。这类技术在食源动物中最知名的应用包括抗病动物,如带有删除基因的猪,可抵御毁灭性的猪繁殖与呼吸综合征(PRRS)病毒,以及携带一种自然产生的POLLED等位基因的牛,它们不长角,因此幸免于痛苦的物理去角手术。这两个例子都有利于动物的健康和福利,而这类性状的改善往往会得到公众的好评。

    在这两个例子中,都不涉及到遗传物质的转基因DNA重组,然而在2017年草案FDA的指导下,这两个例子在商业化释放之前均须遵循FD&C法案中有关新型动物药物的相关要求,受到强制性的监管审查。在其中的一个例子中,DNA的缺失(基因删除)是一种可通过动物繁殖传给所有后代的“药物”。在另一个例子中,所谓“药物”是源自于另一个品种中自然产生的一段212个碱基对的DNA序列,我们经常从那种牛来源的食物中吃下这种“药物”,而它却不需要受到额外监管。同样一段序列,在经过基因编辑操作后被引入另一个奶牛的基因组中(这种操作完全可能通过自然变异产生),却需要受到严格的监管(图1)。监管程度应与潜在风险相匹配,意味着不具有风险或是低风险的产品应该受到最少的监管,而那些构成高风险的产品则应该经受全面的监管审查。此外,监管应该是公平的,这意味着无论生产过程如何,具有相同风险水平的产品都应该受到同等的审查。

    Genus PLC是一家大型育种公司,已经宣布将耐受PRRS的基因删除猪将由FDA监管审查。鉴于这种抗病性状对全球养猪业的重要性,以及像Genus这样的大公司所拥有的资源,这或许是一个合理的决定。然而,学术研究人员和小公司所面临的情况则完全不同。FDA指南草案建议需要对多个世代进行基因型和表型持久性研究,在可行的情况下,包括至少两代(最好更多)的遗传数据,并建议来自非连续世代(例如F1和F3)的至少两个采样点。此外,指南草案建议,所有过剩的调查动物及其生物制品应通过焚烧、掩埋或堆肥处理。对大型食源动物(如牛)的多代研究需要数年时间,而且超出了大多数学术实验室的能力范围,尤其是如果研究动物必须在试验结束后被焚烧而不是用于食品销售的话。虽然这些要求在表达药物蛋白(即真正的药物)的改良动物中可能具有一定的意义,但在食品中发生的DNA缺失或天然存在的等位基因的背景下,这类做法几乎没有任何意义。有哪些理由能够认为,一小段DNA的缺失会是一种药物呢?

    指南草案中阐述的另一项要求是“对有目的更改、任何非预期更改(例如偏离目标的更改、意外插入、替换或删除)的位置进行全面描述”,并进一步建议研究人员对是否存在编码或调控区域的意外中断进行评估。考虑到数以百万计的任意两个个体之间存在的自然的基因变异,以及观察到的减数分裂中发生的意外插入、替换或删除,目前尚不清楚以何种方式满足这一要求,同时区分非目的的改变和自发的插入、替换、删除以及其他非预期的自然产生的改变,如图2所示。全基因组测序数据的分析和注释在所研究群体中的个体之间也可能不一致,使得从监管的角度进行标准化管理变得十分困难。与此同时,用传统育种方法生产的动物则不要求在分子水平上对非预期效应进行例行评估。

    可预期,如此沉重的监管负担与高风险产品有关。然而,实际上很难提出一个与同样可以通过传统育种技术得到的动物有关的独特危害(伤害),更不用说风险(伤害的可能性)了,对其进行监管仅仅是因为它们携带有目的改变的基因组是通过基因编辑技术引入的。该指导草案将食品安全风险分为两大类,第一类是要求检查食品消费“主体所表达的产品”是否有任何直接毒性,包括过敏性。虽然这种风险可能与转基因的表达产物有关,但这对那些同样能够通过传统育种技术培育出来的动物来说,这种评估仍然没有什么意义。从监管的角度来看,对通过传统育种技术培育的动物不要求进行这类研究,令这一要求显得格外不公平,特别是考虑到传统动物育种从历史上一直具有较低的食品安全风险。

    第二类所谓的食品安全风险要求进行研究,以确定与动物生理学上是否存在任何具有生物学相关的变化而产生的间接毒性,并确定有意改变基因组的动物的可食用部位的组成是否不同于传统产品。如此高水平的监管审查要求可能是为了缓解公众的恐惧或安抚那些持反对意见者。然而,对那些有可能通过使用传统育种而得到的产品而言,不成比例的监管负担可能会阻止基因编辑技术在美国食源动物育种计划中的应用,并导致纯粹出于躲避上市前监管的障碍而最终选择低效的育种流程来引入有用的遗传变异。

    应该强调的是,现有的育种计划已经对候选品种进行了彻底的表型选择,以寻找可能存在于重要选择目标之间那些非期望或负相关的表型。例如,一家大型育种公司从表现型上对肉鸡候选品种进行56个性状的评估,其中超过50%的性状是衡量健康的指标。这些特征包括骨骼和腿部畸形、心脏和肺功能的多种生理指标,以及特定的死亡原因。就像植物育种一样,“off-type”不会进行继续作为亲本保留在育种产线上。在繁殖金字塔的谱系层次上,有活力且健康个体的选择压力非常大,在这个金字塔中,每一个成功被选出的候选个体都有可能产生数百万后代。

    最后,FDA提出的监管方法与动物育种计划在结构上不相匹配。许多品系和/或品种,以及由此产生的多个“祖先”动物可能需要进行编辑以具备完全相同的特征。例如,在肉鸡行业中,大多数初级育种家在多个不同的育种品系间选择杂交,以满足不同行业的需求。就乳制品行业而言,需要向有角的品种(如荷斯坦和泽西)中引入POLLED的无角等位基因。并且,为了防止基因近亲繁殖和多样性的丧失,常常需要向许多优良的人工授精公牛品种中引入同样的改变。

    FDA的指导草案建议,每一项新型动物药物的申请通常只涵盖来自单一变更事件的动物。如果每一个编辑动物在上市前都需要经历一个多世代的强制性监管评估,那么,所提议的美国对基因编辑动物的监管原则就与遗传改良计划的现实之间产生根本的脱节,遗传改良计划中未来的父母本都会从后一代中选出,因为那些动物在遗传表现上往往会优于他们的父母。

    基因编辑食源动物的应用正转移到那些对基因编辑动物具有更宽容态度、有着基于新产品特性触发监管机制的国家,这种现象并非偶然。阿根廷是第一个公布其对基因编辑生物体的监管方法细则的国家。他们计划以相同的方式来监管植物和动物,监管的触发因素将是植物或动物产品是否含有“新的遗传物质组合(即属间转基因)”。图3中所示为那些根据阿根廷法律会被视为“GMO”的情况和那些无论育种过程中是否使用现代生物技术或重组DNA技术均不会触发额外的监管的情况。加拿大是唯一允许转基因动物商业化销售的国家,2016年批准AquAdvantage三文鱼上市,加拿大有一个由产品的新颖性触发、基于产品的监管体系,无论获得植物或动物终产品过程中使用了何种育种技术。

    图3 (a)阿根廷(由Whelan和Lema修改)和(b)美国拟议的基因组编辑在食源动物品种中应用的法规流程对比图。改编自Van Eenennaam (2018)

    基因编辑公司Recombinetics宣布与加拿大的牛类遗传学技术供应商Semex合作,利用基因编辑技术,将自然产生的POLLED 等位基因导入他们的优良奶牛品种的遗传背景中。2018年10月,巴西国家技术生物安全委员会(CTNBio)得出结论,根据他们的监管模式,经编辑后携带PC POLLED 等位基因的公牛的精液不会被视为“转基因生物”。同样,阿根廷国家农业生物技术咨询委员会(CONABIA)评估了拟议的基因编辑动物,并判定这些不包含任何外来DNA或新的遗传物质组合的动物不受转基因法规的约束。这些动物包括使用基因编辑改良的鱼(罗非鱼)、牛和马。在缺乏监管框架一致性的情况下,一些国家的育种家将有能力在农业育种计划中使用基因编辑技术,而其他国家的育种者则没有能力,这将导致育种在对这类高效育种工具的可获得性上产生差距,并最终可能导致贸易中断。

    FDA题为“对有目的改变基因组DNA动物的监管”的《行业指南第187号》草案并不能满足既定目标的使用,因为它涉及到那些能够通过传统育种技术得到的食源动物。我们拒绝接受“有目的的基因组DNA改变应当被视为食源动物兽药进行监管”的想法,并认为草案中提议的方法会阻止公共部门研究人员和小公司对这类遗传学方法的使用,比如通过基因编辑解决美国的人畜共患疾病和动物福利问题。我们进一步支持多位科学家在2019年动植物基因组会议上的动议(www.gopetition.com/petitions/harmonize-us-gene-edited-food-regulations.html),即美国监管体系应该协调一致,仅仅基于有目的的基因组改变的事实(无论育种过程中是否使用现代生物技术或重组DNA技术),使那些完全有可能通过传统育种技术开发得到的基因编辑改良动植物无需受到额外的上市前监管要求。

    原始文献:

    www.nature.com/articles/s41538-019-0035-y

    来源:基因农业网

    来源机构: 基因农业 | 点击量:147
  • 摘要:

    据新华社电 浙江大学农学院张天真教授课题组在棉花种子中找到了一个能直接感知环境温度并调控种子萌发的小分子“开关”。研究人员表示,对于种子温度响应机制的发现,将进一步指导人们在低温、干旱、盐碱地精准育种。相关论文于日前发表于《美国科学院院报》。

    正常情况下,棉花种子在吸足水分后24小时开始萌发,一次实验中,研究人员发现,有一组棉花种子萌发的时间量缩减了一半,吸水后12小时就陆续萌发了。提前萌发的棉花种子内,一种小分子热激蛋白“HSP24.7”的含量特别高。

    “这种小分子热激蛋白就像植物的一个温度感受器,蛋白含量升高后,种子内的线粒体产生更多的活性氧,还会促成包裹在胚芽之外的胚乳膜的降解,所以棉花种子即使在低温下也会迅速萌发。如果缺少这个蛋白,即使环境温暖和煦,种子仍会像在低温中一样‘休眠’。”张天真说,通过进一步实验,他们发现这一机制在双子叶植物中普遍适用。

    张天真说,种子萌发是植物生命周期开始的第一步,田里的棉花如果能“统一步调”,而不是各有节奏,就能高效地实现同步采收,这是农作物精准育种的目标之一。(朱涵)

    《中国科学报》 (2019-03-26 第1版 要闻)

    来源机构: 科学网 | 点击量:184
  • 摘要:

    “转基因是基因武器”“转基因是灭绝地球人的生物武器”……25日,微信朋友圈又开始传播这一陈旧谣言。

    “转基因是一项技术,在科学界几十年的严格实验证明,和基因武器是风马牛不相及的。”中国国防大学教授、中国科协科普作家协会成员李大光说。

    转基因与基因武器是两种技术

    有人将转基因与基因武器混为一谈,转基因与基因武器究竟有什么关系?

    转基因技术的原理是人工将供体基因片段导入到受体基因组中,从而达到改造生物性状的目的。基因片段的来源,可以是提取特定生物体基因组中所需要的目的基因,也可以是人工合成指定序列的DNA片段。人工转基因技术就是把一个生物体的基因转移到另一个生物体DNA中的生物技术。

    “而基因武器,是一种理论上使用遗传工程构建的武器。运用先进的基因工程技术对病原细菌或病毒进行改造,增强其致病力、毒力和抗药性,形成杀伤力巨大的病原。”李大光说。

    此外,有人提出一种猜测,基因武器是利用人种生化特征上的差异,使这种致病菌只对特定种族的人们产生致病作用,被称为“种族生物武器”。

    “这种观点是错误的。生物医学界的共识是,人种是无法用基因区分,不可能做出针对某一人种的武器。人种或种族是社会学概念,并没有生物学方法能够区分一个人的种族。一些基因标记只是在不同种族中出现的概率不同,在某种族中出现的概率高,并不代表不会出现在别的种族。”李大光说。

    因此,这种武器就算造出来,也是伤敌一千,自损八百。

    “转基因与基因武器是不同的两种生物技术,切不可混为一谈。”李大光说。

    基因武器仍属于科幻概念

    有人将基因武器与核武器类比,现实中是否有已经研发出来的基因武器?

    “核武器是真实存在的,而且人们在战争中使用过。与核武器不同,迄今为止,基因武器仍是人们假想中的武器,属于科幻概念。我国没有开展过基因武器的研究,也没有证据表明任何国家开展过这方面的研究,更没有在战争中使用过。”李大光说,基因武器的概念,最初来源于国外外星人邪教之中的阴谋论,并被一些人用来反对转基因技术的研究和推广,制造恐慌。

    转基因技术是一种已经广泛应用并安全可控的技术,而处于科幻阶段的基因武器则是大规模杀伤武器。

    “对于转基因问题,我认为,我们要尊重科学,转基因是科学进步的结果,要给予支持和帮助。所谓的美国阴谋论,是一些人的主观臆断,并无根据,这种不尊重科学的思想和行为要不得。”李大光说,应以科学的心态对待转基因的发展,不应因其是新生科技,就持否定态度。

    来源:科技日报

    来源机构: 基因农业 | 点击量:160