​转基因玉米中抗除草剂和抗虫基因所引起的差异表达基因和差异累积代谢物

来源：植物科学最前沿

近日，Scientific Reports 在线发表了由中国检验检疫科学研究院植物检疫研究所（北京）、中科院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室（上海）、吉林省农科院农业质量标准与检测技术研究所（吉林）团队合作的题为“Evaluation on reprogramed biological processes in transgenic maize varieties using transcriptomics and metabolomics”的研究论文。

研究采用具有相同转化载体（具有抗虫和抗除草剂效果的双基因，HIR）的不同转化体（转化体C0030.2.4和转化体C0030.3.5）进行转录组和代谢组分析，并在实验中设置了不同生长环境和不同遗传背景的实验分组，结果表明：与基因修饰相比，不同的生长环境和遗传背景对改变分子表达谱的影响更大，这项研究为转基因玉米生物安全评价提供了个案分析的评估依据。

图 1 转基因郑单958玉米自交系的创制流程图

近年来，转基因作物的非预期效应一直是公众关心的问题。目前对于该方面的系统研究仍然较少。前人研究表明转基因非预期效应的影响主要是由于在农杆菌介导的转化等转基因过程中对其他基因组区域进行随机整合而产生的 (Vain et al., 1993)。研究利用2个单独的HIR双基因融合体的不同转化体（转化体C0030.2.4和转化体C0030.3.5）（图1），结合转录组学和代谢组学分析，系统调查了不同生长环境下，不同遗传背景下的生物学和代谢通路的影响。

我们发现两个转化体C0030.2.4和C0030.3.5之间仅观察到0.5％的差异基因表达变化（图2）。而通过与非转基因对照相比，HIR双基因融合体效应诱导的差异表达基因数量仅占总注释基因的1％。另外，只有17个基因在两个转基因转化体之间没有显著差异而与非转基因对照相比却表现出显著差异。然而这17个基因并没有显著富集到关键的生物学通路上。通过在中国三个不同的生态区域种植，对转基因玉米品系郑单958及其两个亲本（郑

58和昌7-2）进行了遗传背景效应和生长环境效应的综合分析。比较两种转基因玉米自交系或杂交种（转基因昌 7-2和转基因郑单958）和非转基因玉米品系（亲本郑58和昌7-2）的转录组和代谢组数据，其主成分分析结果表明，HIR双基因融合体及其背景郑58的玉米品系具有更接近的差异基因和代谢物表达模式，而与非转基因昌7-2所诱导的差异基因和代谢物表达模式差异较大。这表明HIR双基因融合体所诱导的基因表达和代谢产物水平变化相对保守，属于可预期范畴。

图2 转基因品系C0030.2.4和C0030.3.5的转录组和代谢组分析

其次，主成分分析数据表明哈尔滨与其他两个生态区域之间有明显的分隔，而郑州和北京之间发现了部分重叠。这很可能是由于哈尔滨（17oC），北京（28oC）和郑州（30oC）这三个地点在生长季节（5月至10月）之间平均地表气温不同所导致的。这种地理气候分布极大的影响了玉米的转录组、蛋白质组和代谢组(Qi et al., 2011; Sánchez-Rodríguez et al., 2011)。另外，与郑州当地环境温度相比，哈尔滨地点具有相对较低的温度，这可能与894个上调基因密切相关。我们发现这些基因显著富集到与植物响应非生物胁迫有关的生物学途径，包括磷酸化信号转导系统和精氨酸/脯氨酸代谢途径（图3-4）。在低温环境下，细胞膜的整合受到损害，从而导致ROS的过量产生 (Dreyer et al., 2018)。作为保护机制，脯氨酸是一种主要的抗氧化剂，可以在低温条件下去除ROS (Ignatenko et al., 2010)。同时，植物通过使用这种磷信号传导机制进化为“打开”适应性反应，增加对非生物胁迫的耐受性 (Nongpiur et al., 2012)。这些发现表明，与先前关于基因效应的报道相比，环境对生物体内，包括基因表达和代谢产物的影响，甚至具有更强的作用，该结论也在玉米和其他物种（如水稻，小麦，大豆和马铃薯）中被证实 (Barros et al., 2010; Cheng et al., 2008; Batista et al., 2008; Baudo et al., 2006; Kogel et al., 2010; Catchpole et al., 2005)。因此，我们认为转基因带来的非预期的生物学效应主要是由不同生长环境和遗传背景的差异所导致的。

该研究由中国检验检疫科学研究院植物检疫研究所付伟团队、中科院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室曲明南团队、吉林省农科院农业质量标准和检测技术研究所李飞武团队合作完成。付伟副研究员为论文第一作者，吉林省农科院农产品质量标准和测试中心李飞武研究员和中国检验检疫研究院朱水芳研究员为共同通讯作者。该项工作得到了国家科技重大专项(2018ZX08012001)的资助。