转基因技术对畜牧业发展的意义

李晓玲，于衍男，孙金海

（青岛农业大学动物科技学院，山东青岛 266109）

转基因技术对畜牧业发展的意义

李晓玲1，于衍男，孙金海*

（青岛农业大学动物科技学院，山东青岛 266109）

转基因技术的飞速发展不仅为基因表达、调控和遗传研究提供了一个理想的实验体系，更为生物定向改良和分子育种提供了一种较佳的方法，使其成为基因工程和育种的最有效途径。该文简要阐述了转基因技术的进展，并从动物基因工程育种、生物反应器、异种器官移植、人类疾病模型及环保型转基因动物等方面阐述了转基因技术对畜牧业发展的意义，最后阐述了转基因技术的展望。

转基因技术；动物基因工程育种；人类疾病模型

转基因技术是指利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移到其他生物体中，使受体生物在原有遗传特性基础上增加新的功能特性，培育新的品种，生产新的产品。转基因技术已经逐渐渗透到农学、生物学、医学、畜牧兽医学等各个领域。转基因动物是指通过基因工程技术构建重组基因表达载体，并将重组基因转入动物受精卵或体细胞，从而获得的一类染色体基因组中整合有外源基因，并且能够稳定遗传给后代的动物。培育转基因动物新品种可以改良畜禽生产性状，改善畜禽产品成分，提高动物抗病性，而且转基因动物已经成为探讨基因调控机理、致癌基因作用和免疫系统反应的有力工具，可用于制作人类疾病模型或进行器官移植等。

1　研究进展

转基因技术开始于20世纪80年代。世界上首例转基因动物是由美国人Gordon在1980年用显微注射法制备的转基因小鼠。随后，Palmiter等将大鼠的生长激素（GH）基因导入到小鼠受精卵中获得了转基因“超级鼠”。随之转基因兔、转基因羊、转基因牛、转基因猪等动物都相继问世。Hammer等于1985年获得了世界上第1头转基因猪。1997年，举世轰动的“多莉”（Dolly）克隆羊［1］的诞生使转基因克隆成为现实，促进了转基因动物的进一步研究。2002年，Lai等［2］将绿色荧光蛋白（EGFP）基因转入胎儿成纤维细胞中，并通过体细胞核移植的方法，成功获得了EGFP转基因猪。2009年，Ramsoondar等［3］通过 RNAi 技术的方法，获得了敲除猪内源性逆转录病毒（PERV）的转基因猪，消除了在异种器官移植时（PERV）感染人的危险。2010年出现的锌指核酸酶（ZFNs）等革命性新型基因组修饰不仅降低了哺乳动物基因敲除、基因修饰的难度，更是将动物转基因技术由传统的随机整合推向了高度精确的基因组定向整合［4］。2015年11月16日，美国FDA（食品药品管理局）发布公告确定转生长激素基因三文鱼与非转基因三文鱼一样可以食用，这一公告的颁布将促进其他转基因商品的产业化［5］。生产转基因动物的方法有很多，常用的有显微注射法、精子载体法、逆转录病毒载体法、体细胞克隆法、胚胎干细胞介导法等，这些方法各有其优缺点，在转基因动物生产中有着不同程度的应用。进入21世纪，转基因技术已由过去的老一代转基因技术发展成为今天的新一代转基因技术，不再是植入外来基因，而是关闭或抑制某种会产生问题的基因，目前主要有基因沉默技术和基因删除技术［6］。

2　对畜牧业发展的意义

动物转基因技术已有近30年的研究历史，作为一项生物高新技术，其在农牧业、医药、环境保护等诸多领域显示了广阔的应用前景，带来了巨大的经济效益和显著的社会效益。

2.1动物基因工程育种

动物基因工程育种是将外源基因通过体外重组后导入到动物基因组中，组成一个新的基因，使其在动物体内整合、表达，培育出新的遗传特性的转基因动物。这可以避开物种间杂交不育的生殖隔离，在较短时期内培育出常规方法很难育成的动物新品种，这样会加快动物改良进程，使选择效率提高，极具有研究价值。对于转基因动物育种而言，主要体现在以下几个方面。

2.1.1生产性能改良

转基因技术通过改造动物基因组，使畜禽的经济性状得到极大改良，生长速度加快，饲料利用率提高等。Hammer等是把人的生长激素融合基因（MT/hGH）注入到猪受精卵内，然后将受精卵移植到发情母猪体内，获得了世界上第1头转基因猪，实验结果表明，转基因猪与同窝非转基因猪相比较而言生长速度和饲料利用率都显著提高。类胰岛素样生长因子1（IGF1）也可以加快猪的生长速度。1989年，美国农业部首次获得IGF1的转基因猪。转基因技术的应用极大地促进了畜禽的生长性能，转基因育种是实现猪产肉量快速增长的重要途径。

2.1.2肉质品质改善

随着畜牧业的发展逐渐满足了肉量的需求，人们逐渐增加对肉质品质的追求，追求更好的肉质口感，减少动物体内脂肪，增加肌内脂肪含量等。由于动物体内含有大量的饱和脂肪酸，饱和脂肪酸摄入过多会引起高血脂、高胆固醇等疾病，而不饱和脂肪酸可以促进大脑发育，降低疾病的风险。2002年，谷明教授等［7］通过试验把菠菜中的FAD12基因植入到猪的受精卵中，成功培育出较普通猪而言不饱和脂肪酸含量高20%的转基因猪。研究还发现，Myostatin基因敲除的小鼠比野生型小鼠具有明显多的骨骼肌，并且著名的双肌牛也是由于Myostatin基因的个别碱基突变，导致Myostatin基因的自然敲除造成的。

2.1.3提高抗病性

疾病一直是畜禽养殖的大敌，严重威胁畜牧业的发展，不仅影响畜禽产品的生产，而且降低了产业投入的积极性，然而转基因动物在抗病方面有明显的优势。培育抗病力强的新品种，从遗传本质上提高畜禽对病原的抵抗力，减少抗生素的使用，对促进养殖业发展及人类健康和环境保护等方面都具有重要的研究意义。Berm等将小鼠抗流感基因转入猪体内，使转基因猪增强了对流感病毒的抵抗能力。王铁东［8］培育出抗猪瘟病毒的转基因克隆猪。2013年，Sun等［9］利用复制缺陷重组腺病毒共表达了猪瘟病毒的Erns和E2 2个基因，最终成功构建出来可以免受猪瘟病毒入侵的转基因猪。

2.2生物反应器

动物生物反应器是利用转基因活体动物，高效表达某种外源蛋白的器官或组织，进行工业化生产功能蛋白质的技术。动物生物反应器的研究开发重点是动物乳腺反应器和动物血液反应器。即把人体相关基因整合到动物胚胎里，使生出的转基因动物血液中，或长大后产生的奶汁中，含有人类所需要的不同蛋白质。这是当前生物技术的尖端和前沿研究项目。目前世界上多家公司利用转基因动物生物反应器生产医用蛋白，如抗凝血酶、红细胞生成素等。2001年获得我国首例转有人α1-抗胰蛋白酶的转基因猪。1991年美国DNA公司成功的获得了能产生大量人血红蛋白的转基因猪［10］。2002年，郑新民等［11］用显微注射法生产出第1批能合成人血清白蛋白的转基因猪。粗略估计，全球每年对转基因药物蛋白的需求超过250亿美元，应用转基因动物生产基因药物是一种可以获得巨额经济效益的新兴产业。

2.3异种器官移植

器官移植面临着2大问题：一是供移植用的器官来源不足，二是移入的器官容易发生免疫排斥现象。解决移植短缺的最有效途径是利用转基因技术改造异种来源器官的遗传性状，使之能适用于人体器官或组织的移植。目前最为理想的转基因动物模型是猪，由于猪器官的形状、体积及遗传物质与人类相似，可以作为理想的供源。然而，猪的基因组有表达α-1，3-半乳糖苷转移酶（Gal）会引起超级性排斥反应。有研究员利用同源重组技术获得了世界上第1头双敲除 α-1，3-Gal（GGTA1）基因的转基因克隆猪，开启了利用体细胞基因打靶技术生产异种器官移植供体的先例。Bao等［12］使用ZFN敲除了猪α-1，3-半乳糖苷转移酶基因。利用转基因技术，可以利用猪制备人体的各器官和组织，如此可以为人类不断地提供异体器官移植的供体器官。

2.4人类疾病模型

应用转基因动物建立人类疾病模型，有助于了解基因的功能及疾病的发生发展过程，有利于研制新药、研发新的治疗手段。猪在生理学、解剖学、营养代谢、染色体结构等多方面与人类的更加接近，猪的内脏器官及其功能也与人的器官极为相似，更有利于构建人类疾病模型。2010年，Yang等［13］成功获得6头亨廷顿舞蹈症转基因猪，并首次在转基因猪大脑中发现与人类亨廷顿舞蹈症患者脑中类似的神经细胞凋亡现象。2011年，赖良学等［14］成功敲除了猪内源性 PPARγ基因，在世界上首次建立了对糖尿病和心血管并发症的研究有重要应用价值的PPARγ基因敲除猪模型。2013年，纪元等［15］建立了Lp-PLA2基因的猪成纤维细胞系，随后经核移植、胚胎移植，最终获得3 头Lp-PLA2转基因猪，为研究 Lp-PLA2调节动脉粥样硬化发生和发展的机制打下基础。

2.5环保型转基因动物

近年来，环境污染问题越来越受到关注，随着集约化生产的高度集中，养殖量的增大，各种养殖业的废污已成为环境污染的主要来源。由于植物中含有猪不能消化的氮、磷，氮、磷成为猪粪尿的主要污染成分，为提高氮、磷的利用率，节约饲料成本，并减少污染物的排放。2001年，有研究者研制出携带有大肠杆菌肌醇六磷酸酶（phytase）基因的“环保猪”，这种猪在唾液中可以分泌磷消化的phytase基因，使得猪粪中磷的含量降低75%［7］。有研究者［16］培育出共表达葡聚糖酶、木聚糖酶及植酸酶的转基因猪，这些转基因猪对饲料蛋白、磷等营养物质的利用率显著提高，且其排泄物中磷、氮等污染物排放显著减少。Y. S. Lin等［17］研制出猪胰腺特异启动子控制的转真菌纤维素酶基因猪，该转基因猪有望提高猪对饲料中纤维素的利用率，减少粪中污染物的排放。

3　展望

转基因动物新品种培育成功，可以减少饲料和兽药的用量，降低粪便和排泄物对环境的污染，提高产品售价，而且降低了传染病带来的毁灭性风险，动物转基因技术给农业带来收益的同时也将产生巨大的社会经济效益。众所周知，转基因技术引起了全世界的激烈争论，转基因动物一直面临诸多争议，如安全性问题、转基因动物的福利问题等。转基因技术的发展是循序渐进的过程，要达到完善尚需时日，还面临诸多问题和挑战。但是毋庸置疑，转基因技术具有巨大的应用前景，转基因技术是现代生物技术的核心，运用转基因技术培育高产、优质、多抗、高效的新品种，推动转基因技术研究与应用，是着眼于未来国际竞争的重要途径。随着新基因和新技术的层出不穷，这必将为转基因动物产业化发展提供广阔的空间。

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2016-04-08）

国家转基因生物新品种培育科技重大专项（2014ZX08006-003）

李晓玲（1992-），女，汉，山东临沂，在读硕士，主要从事分子遗传与动物育种

孙金海（1959-），男，教授，博士，研究方向：分子遗传与动物育种，Email：sunjinhai00528@sina.com