生物育种产品食用安全评价研究进展

徐彤晓， 贺晓云， 黄昆仑

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，农业农村部农业转基因生物安全评价（食用）重点实验室，北京 100083）

生物育种是利用遗传学、细胞生物学、现代生物工程技术等方法原理，利用转基因、基因编辑、全基因组选择和合成生物学等技术，培育生物新品种的过程[1]。现代生物育种新技术是基于分子生物学工具进行作物分子育种的一类新技术，可以短期内使作物产生新的有利性状，促进作物新品种的开发，如基因编辑技术、RNA干扰技术、同源转基因技术等[2]。其中，转基因技术是现有生物育种技术中发展最快、效率最高的针对作物单一性状改良的技术。生物技术食品是指利用转基因、基因编辑等生物育种新技术改变基因组构成的动物、植物和微生物产生的产品，包括动植物、微生物本身及其直接加工品[3]。

1996年，全球生物育种作物大规模商业化生产，种植面积以年均10%左右的速度迅速增长[2]，在解决全球粮食问题、环境保护、提高食品营养质量、制药业、促进经济可持续发展等方面发挥了重要作用。然而，随着生物技术商品化生产的不断深入，生物育种技术的潜在风险也越来越受到国际社会的关注。全球针对生物育种新技术产生的作物新品种的安全性评价尚未达成统一共识，对其安全监管的思考也不尽相同，限制了这些作物新品种的研发和商业化应用进程[4]。本文综述了现阶段国内外生物育种食用安全性问题及安全性评价方法，并总结了国内外生物育种新技术新产品的安全性和监管方面实施的管理政策和法规，以期对我国生物育种新技术作物的安全性提供借鉴。

1 生物育种食品的安全问题

生物技术同所有技术一样是一个中性的技术，对人类文明发展既有有利的一面，也有其潜在危害的一面。利用转基因、基因编辑等生物技术可改良农作物抗虫、抗病、抗逆境及抗除草等生物性状[5]；还可以改善农作物品质，如蛋白质和维生素含量及营养结构等[6]。目前，应用最广泛的生物育种产品是转基因抗除草剂作物[7]，其次是转基因抗虫作物[8]，抗病及品性改良的生物新技术作物也已得到广泛应用，主要涉及大豆、玉米、油菜、棉花等作物，生物育种食品潜在的安全问题集中在毒性、过敏性及对环境影响等方面。

1.1 毒性问题

人们对生物技术产品普遍关注的是，新基因及其产物是否具有固有毒性，宿主代谢途径的改变及固有毒性或药理活性物质的过度表达是否会导致生物体产生新的毒性风险[9]。多年研究发现，食品中外源DNA序列本身不会通过直接毒性或者基因转移对人类健康产生风险[9]，如果新表达蛋白质没有在消化道中完全消化，则应关注其是否具有影响健康的作用。

1.2 致敏性问题

食物过敏主要是由免疫球蛋白E（immunoglobin E，IgE）介导的速发过敏反应[10]。致敏性是生物技术食品的另一个潜在风险，其表达的新蛋白或在胃肠内消化后产生的残留片段可能导致过敏风险[11]。因此，安全性评估的一个重要部分是评估转基因植物及其产生的新蛋白质的致敏性。

1.3 营养问题

生物技术食品的营养问题主要集中在原材料关键性营养成分是否发生改变。利用生物技术插入外源基因或编辑体内基因的目的是改变靶生物特定的营养成分，提高其营养价值，如低芥酸油菜等[12]。通过生物技术改变性状后，人们普遍担心该食品会不会因为提高某种关键性营养物质而降低其他关键营养物质含量，或提高某种毒性物质表达等问题[13]。另外，由于外源基因的来源及导入位点的不同和随机性，有可能导致基因缺失、错码等突变，从而使目标产物的性状、数量及部位与预期不符，进一步产生非预期效应[14]。

1.4 其他问题

抗生素标记基因是生物技术食品对人类健康的另外一个安全威胁[15]。存在于生物技术食品中的标记基因，经摄入后可能会通过水平基因转移和重组转移到人和动物体的肠道细菌或病原体中，从而使这些微生物产生抗生素抗性，进而影响人或动物抗生素治疗的效果[16]。

2 食用安全性评价方法

随着生物技术飞速发展，生物育种产品逐渐商品化，生物育种食品安全性评价的重要性日益增加，生物育种食品在进入市场前要经过全面的安全性评价。到目前为止，凡是经过政府部门严格审批获准上市并进行科学评价的生物技术食品都是安全的。对生物技术食品的安全性评估是一项复杂且精细的综合性工作，目前得到经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）、世界卫生组织（World Health Organization，WHO）、联 合 国 粮 农 组 织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）以及多个国家或地区认同的原则是实质等同性原则、个案分析原则和逐步完善原则等[17]。OECD于1993年提出了实质等同性原则，并得到了FAO和WHO的认同。连丽君等[18]认为，生物技术食品与现存食品在化学上的相似性并不能够证明其对人类是安全的，应当补充毒理学及免疫学等其他方法检测，通过更有效的评估系统提供更具有说服力的数据。欧盟认为，实质等同性仅是将新食品与相似的传统食品比较，并不是安全的营养学评价，其对生物技术食品安全性评价是有用的，但不是唯一的[19]。发展至今，食用安全评价内容主要包括营养学评价、毒理学评价、致敏性评价以及非预期效应评估。

2.1 营养学评价

生物技术食品的安全性评价主要是基于实质等同性原则，实际上是一个比较的原则，即将生物育种食品与长期安全食用的对照物进行比较分析[20]。近几十年来，在辐照食品、新型食品和水果蔬菜的动物安全和营养测试方面积累了丰富的经验，这些方法也适用于生物技术食品以及饲料的安全性和营养性评价。

生物技术食品与原食品在关键性营养成分上的差异可作为安全性评价的综合指标之一。关键营养成分指主要营养素和微量营养素，主要营养素包括脂肪、蛋白质、碳水化合物等，微量营养素包括矿物质、氨基酸、脂肪酸和维生素等。Padgette等[21]对耐除草剂G2-Aroa玉米、转AO高植酸酶玉米及其非转基因玉米的主要营养成分（水分、灰分、脂肪、粗蛋白和纤维）含量进行了比较，发现材料间上述营养物质含量差异不显著，总体营养水平相当，个别差异属于自然变异，且均符合国家标准并在世界经济合作与发展组织的参考范围内。对抗草甘麟大豆与常规大豆关键性营养成分的研究，并未发现二者存在差异[21]。对转生长素基因鲤鱼与普通鲤鱼肌肉中粗蛋白质、粗脂肪和氨基酸等主要营养成分，以及钙、镁、锌、铁、灰分等微量营养成分的研究表明，外源基因插入对转基因鲤鱼肌肉中氨基酸含量等主要营养成分没有影响[22-23]。周兴华[24]将具有抗虫性和耐除草剂的转基因玉米、土豆、大米、大豆和西红柿等长期喂养大鼠或小鼠，并测量其体重、进食量、血生化、血常规、脏器系数、组织病理学等参数，并没有表明暴露动物脏器或组织的病理学异常。

2.2 毒理学评价

对于利用生物技术引入植物体的新表达蛋白质的毒理学评价一般包括新表达的蛋白质与已知毒性蛋白质氨基酸序列的相似性比较、体外模拟胃液蛋白消化稳定性试验、新表达蛋白质热稳定性试验、小鼠急性经口毒性试验以及大鼠90 d喂养试验等。

生物技术食品的毒理学研究主要通过动物试验来完成，目前常用大鼠、小鼠、斑马鱼、小型猪和鸡等动物进行试验。转基因食品毒性评估方法包括微核试验、精子畸变试验、艾姆斯试验、急性口服毒性试验、90 d喂养试验等。主要测定指标与营养学评价类似，包括体质量、进食量、血常规、血生化、尿液指标、脏体比等。转基因鱼的毒理学试验结果表明，摄食转“全鱼”基因的小鼠，其生长、血常规、血生化成分、组织病理、生殖机能以及子一代的生长和发育等都没有显著性影响[25]。

OECD关于单一明确定义化学品的指南试验中所述的单剂量和重复剂量毒性试验、生殖和发育毒性试验以及免疫毒性试验方法足以对单一物质进行安全性试验。同时还有一些体外方法可能有助于转基因植物衍生食品和饲料及其成分的安全性评估，如通过搜索新蛋白质或其降解产物与已知毒性蛋白质的序列同源性或结构相似性；用于研究新表达蛋白的消化稳定性的模拟胃液和肠液试验，用于模拟新蛋白在加工过程中的稳定性的热稳定性试验；预测外源基因产物是否导致基因突变、染色体畸变和DNA损伤和修复的体外遗传毒性试验等[26]。

2.3 致敏性评价

生物技术食品中新基因所表达的蛋白有可能引入新的致敏原，有些蛋白质在胃肠内消化后的片段也可能存在致敏性[27]，如对巴西坚果过敏的人对转巴西坚果基因的大豆也过敏[18]。目前，对生物育种食品致敏性评价的重点是基因来源、新引入蛋白质与已知致敏原的氨基酸序列是否具有同源性、新引入蛋白质与变态反应个体血清IgE的免疫结合反应、体外模拟胃肠液消化稳定性、动物模型。

Dunn等[28]研究评估转基因大豆品系、近等基因品系和其他3个商业大豆品系的IgE结合蛋白的潜在差异，基于血清IgE免疫印迹，在大豆品系之间鉴定出微小的质量差异，然而，根据抑制ELISA试验，不同大豆提取物与混合血清的反应之间没有显著差异。部分研究采用啮齿类动物模型及体外模型进行关于转基因食品致敏性的研究[8]。研究人员给大鼠喂养MON 810玉米，没有诱导Cry1Ab特异性免疫反应，也未产生抗Cry1Ab抗体[29]。Cas9（CRISPR）/Cas9系统的广泛使用使得研究人员关注Cas9和Cas9基因编码的肽的免疫原性，在体外模拟胃液中用天然或热变性Cas9测试消化率，发现并没有表现出导致过敏性的免疫原性[30]。

2.4 非期望效应评价

对生物育种产品的非期望效应评价常采用转录组学、蛋白质组学、代谢组学等非靶向技术。组学技术可以可视化营养或环境改变时生物体发生的所有变化，不仅可以用于评估生物育种产品本身，也可以用于受试对象的研究。例如，采用宏基因组技术探究转基因食品对于动物肠道菌群的影响，Zhang等[31]给SD大鼠喂食非转基因大米及不同水平表达人乳铁蛋白（hLF）的转基因（GM）大米Lac-3，结果表明喂养70%表达hLF的转基因大米的SD大鼠，肠道微生物群结构略有变化，喂食不同hLF表达水平转基因大米的SD大鼠肠道微生物群多样性没有显著差异。此外，生物育种产品是否会发生基因水平转移也是关注的焦点。赵志辉等[32]在分析转基因抗草甘膦大豆对大鼠内源和外源基因遗传转化及其生理代谢的影响时，用转基因大豆粉喂养大鼠，在大鼠的血液、组织和器官中均未发现内源和外源基因片段，喂养转基因大豆与给予普通维持饲料的大鼠体重和血清方面无显著性差异。

3 新技术新产品的安全性评价

3.1 重组酶制剂

酶制剂是指应用化学或物理方法，将酶进行分离提纯、加工、修饰，制成的具有催化活性的生物制品[33]。1969年第一例转基因微生物问世，1989年第一例转基因微生物酶制剂获得批准。如今食品行业利用转基因微生物发酵生产获得食品配料和食品添加剂已成为主要趋势。通过发酵法生产的食品配料和食品添加剂，有近80%以上来自转基因微生物。随着合成生物技术的发展，未来会有越来越多的食品原料转为微生物生产。对食品酶制剂的安全性评价主要采取毒理学研究，包括遗传毒性试验、小鼠经口急性毒性试验和大鼠90 d经口毒性研究，此外还需要进行致敏性研究和饮食暴露评估，通过以上试验检测指标后，方能证明某种食品酶制剂是安全的。欧洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）于2022年10月通过毒理学、致敏性评价，批准1项转基因黑曲霉菌株产生的食品酶β-半乳糖苷酶的安全性评估，该食品酶主要用于加工乳清。EFSA食品接触材料、酶和加工助剂专家组（food contact materials, enzymes and processing aids，CEP）认为，尽管在预定使用条件下不能排除饮食暴露引起的致敏性风险，但这种可能性很低。因此CEP得出结论，该食品酶在预定条件下不会引起安全问题[34]。

3.2 RNA干扰

RNA干扰（RNAi）是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA诱发的、同源mRNA高效特异性降解的现象。RNAi在自然界中广泛存在，利用内源性siRNA在真菌、昆虫、植物和动物等生物中调节目的基因的表达非常普遍。没有研究表明生物技术食品中存在的siRNA对人类健康构成威胁。研究人员广泛审查了与食物一起摄入的dsRNA的安全性，描述了dsRNA，siRNA和miRNA对人类和动物健康的危害[35-37]。没有证据表明摄入RNAi食品会对人体产生不良反应，此类食物口服摄取率低，并且有许多胃肠道障碍,因此不会造成危害[38]。此外，已经有食用RNA作为食物的历史，而摄入食物本身不会产生已知的不良反应，28 d口服毒性研究进一步支持了饮食dsRNA食物不会引起肠道吸收和不良反应的这一发现[39]。与传统转基因作物的食用安全性评价相比，RNAi转基因作物没有新型外源蛋白的表达，因此，蛋白质层面上的食用安全性可以不再作为重点评价对象，但是仍需关注RNA干扰目标基因后可能对生物体带来的非预期的影响。

3.3 基因编辑

基因编辑技术由于其对特定位点的定向编辑功能，已经被广泛应用于基因功能研究和作物育种，并开发出了作物新品种。传统的基因编辑技术是将外源DNA片段插入受体的基因组中，改善基因功能，进而使受体表达优良的性状，获得人类需要的品种。随着分子生物学的迅速发展，能够实现对生物体基因组精确编辑的多种基因编辑技术相继出现，能如利用核酸酶使生物体内的DNA双链断裂，以非同源末端连接或同源重组的方式对基因组DNA特定位点进行突变、缺失或者基因的插入与替换[40]。美国是最早对食品进行基因编辑的国家，于2015年批准了基因编辑的蘑菇。随后，美国和各国科学家实现了各类食物的基因编辑，如基因编辑的水稻、鱼类等。我国已利用基因组编辑技术研发了一系列的水稻、小麦和动物等新品系，2014年中国科学院遗传发育研究所高彩霞团队和微生物研究所邱金龙团队合作，利用基因组编辑技术，定向突变了小麦的感病基因MLO，获得了对白粉病具有广谱持久抗性的小麦品种[41]；2022年该团队阐明了小麦新型mlo突变体的分子机制，表明其具有抗病性并能够高产，而且能够利用基因组编辑技术快速获得具有广谱抗白粉病的新型小麦优势品种[42]。如今基因编辑技术已经在动植物基因功能、育种等领域广泛应用。目前，各国对于基因编辑产品的安全性评价和管理主要采取“个案分析”的原则：①如果有新的外源DNA插入，则该产品仍将被认为是转基因产品进行管理，②如果新品种中无外源遗传物质且与传统育种得到的作物相似，则可以简化管理[43]。基于此，我国于2022年出台了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》。

3.4 合成生物学

与转基因食品、基因编辑食品相似的合成生物学食品也属于高新生物技术在食品生产加工业上的应用产物。合成生物学是一个新兴的研究领域，它将分子生物学、工程学、数学、化学、信息学等学科知识与实践结合在一起，对生命体进行遗传学设计和改造，从而使细胞和生物体具有特定的生物功能，使其在能源、医学、农业、环境等领域发挥价值。合成生物学食品是将合成生物学技术应用到食品制造的各个环节中得到的可食用的物质，例如利用重组大肠杆菌发酵生产的母乳中含量最丰富的寡聚糖2’-岩藻糖基乳糖（2’-FL)，目前国外已经将其应用于婴幼儿乳粉的配方中[44]。

4 展望

由于有一些对生物育种作物负面影响的个案报道，使人们对转基因作物的环境和食用安全性产生了极大的担忧[45]。陈君石院士提到“对于人的消化系统来说，它不区别是不是转基因食品，所有蛋白质进入人体都一样进行消化吸收，至于它是什么基因，并不会影响人的基因，不必因此为转基因食品的安全性担忧。”

美国对生物技术食品持积极支持的态度；欧盟采用“预防原则”作为管理生物技术食品的基础[46]；我国政府高度关注现代生物技术，支持和鼓励生物育种产品的研究。由于管理更加标准化、法制化和严格全面的科学评价，迄今为止很少有食品和环境安全事件被科学地记录下来。生物技术在促进农业增产增收、改善生态环境等方面的经济、社会效益已非常明显。国际卫生组织、联合国粮食及农业组织和许多主要的国际学术机构都指出，生物技术的食物安全风险是可以有效控制的，经过科学评估和批准合规的生物育种作物与非生物育种作物一样安全。实践证明，生物技术育种的广泛应用已是大势所趋。综上，一方面要不断有新的生物技术应用于食品中；另一方面，我们应当及时完善生物育种产品食用安全评价方法和标准体系，为我国生物育种食品提供安全保障。