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《下一代测序技术作为转基因植物的分子特性和风险评估工具: 能否添加价值?》

  • 来源专题：食物与营养
  • 编译者： liujy
  • 发布时间：2015-07-23

  • Legislations and international organizations provide a framework to ensure proper risk assessment of Genetically Modified Organisms (GMO). With regard to the deliberate release of GMO as food or feed, applications for Genetically Modified Plants (GMP) typically contain data for the molecular characterisation at the nucleic acid level based on Southern blot and polymerase chain reaction analysis in combination with Sanger sequencing.

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相关报告

  • 《转基因植物新材料育种价值评估》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：zhangyi8606
    • 发布时间：2020-10-11
    • 作者：姜奇彦 胡正 孙现军 张辉 （中国农业科学院作物科学研究所） 引言 当前，以转基因育种为代表的生物育种技术发展迅猛，正在推动常规育种全面升级，引领育种产业发生重大变革。从研发进展来看，从基因克隆到新品种培育就像一个金字塔，众多实验室开展了基因克隆、功能分析及优异基因挖掘的研究工作，组成了转基因育种的重要基石。优异基因的遗传转化、转基因材料的创制和目标性状的功能效率评价，作为转基因育种的一个重要阶段承上启下。之后优异的转基因材料从实验室走向田间，完成小、中、大规模的中间试验、环境释放、生产性试验阶段，经受住严格的安全性评价，包括食品安全和环境安全，然后才可以申报安全证书。走到这一阶段的材料可以说是凤毛麟角了。但随着我国转基因研究成果的不断涌现，取得生物安全证书后的转基因植物是否可以作为种质资源利用，进入育种程序，它们的育种利用价值如何，还需要深入评估，才可以不断缩小克隆的基因与育种利用之间的差距，加速转基因作物新品种培育的育种进程。 顾名思义，育种价值评估就是对转基因材料进行育种利用价值进行评估，具体包括功能基因知识产权分析，育种利用价值评估，以及转基因新材料保存及育种价值评估信息管理等几个方面。 功能基因知识产权分析 转基因新材料育种价值评估和知识产权分析有什么关系呢？在世界各国加快培育生物产业、抢占生物经济发展先机的激烈竞争中，知识产权成为占领生物技术制高点，圈占世界生物遗传资源的有力工具。据不完全统计，主要发达国家和国际生物技术公司在农业生物技术领域部署的专利、品种权等知识产权数量估计在30万件以上。与跨国种业巨头相比，国内研究机构在知识产权拥有量，特别是核心功能基因的专利数量与质量上还存在较大差距，很容易陷入跨国公司的知识产权陷阱，从粮种源头丧失保障国家粮食安全的能力。面对发达国家远谋深虑的知识产权布阵设防，必须对我国重要性状基因的知识产权进行科学系统的分析，通过掌握这些重要功能基因在全球知识产权保护的范围、重点及趋势，设计出我国转基因农作物新品种培育、转基因育种成果产业化的合理发展路径，才能有效突破发达国家的专利封锁与围剿，培育出具有自主知识产权的功能基因和生物新品种，这样的转基因新材料才具有更高的自主创新性和更大的育种利用价值。 知识产权的分析包括很多方面，如转基因技术，克隆的基因，甚至包括转基因过程中用到的一些载体、菌株、启动子等。主要通过专利广泛检索获取原始数据，然后进行数据处理、分析和解读，进行知识产权分析，最终为我国的转基因事件提出规避专利纠纷的建议策略。如日本烟草公司（Japan Tobacco INC）建立的农杆菌介导的小麦遗传转化新技术的转化效率高达40%，给小麦功能基因的研究带来了革命性的发展机遇。如果使用该技术，需要从日本烟草公司购买该项专利技术的使用权，并签订相关的规范性文件。而遗传转化过程中用到的载体如pCambia3301、菌株如LBA4404和ubiquitin启动子都是在生物学研究常用的，不受专利保护。采用具有独立自主知识产权的愈伤组织特异性表达的启动子CP代替35S/Ubi来启动选择性标记基因的表达，可以回避因Monsanto公司持有35S启动子而可能产生的专利权纠纷。 转基因植物新材料育种价值评估 转基因生物育种是一项系统科学工程，包含基因克隆、遗传转化、转基因材料创制、新品种培育、产业化推广应用等环节。例如在杜邦先锋种业公司，将转基因生物技术发展归纳为七个阶段（A到G），包含A（New ideas）、B（Evaluate genetic approaches）、C（Optimize gene construct）、D（Create commercial event）、E（Commercial event to regulatory）、F（Breeding and testing）、G（Sell product），其中将E具有育种利用价值的“最佳转化事件”定为最重要的阶段。在我国也在不断加强基因和育种材料的利用价值评估工作，目的是筛选具有重要应用前景的基因和材料，并快速应用于新品种研发。 转基因植物新材料的育种价值评估主要针对目标性状，如抗病虫、抗逆、高产、优质等等。首先明确目标性状的鉴定技术，制定或完善转基因植物目标性状鉴定技术规范或技术标准，利用这些规范或标准对转基因植物新材料的育种利用价值开展综合评估，最终筛选出有重大育种价值的基因和转基因作物育种新材料，应用于转基因生物育种。 对于重大育种价值基因针对不同性状，我国也有初步的判定标准。总体来讲，转基因或分子标记辅助育种研究结果表明重大育种价值基因应该对目标生物的重要经济性状具有显著改良效果，但对其他性状无不良影响。具体举例来讲，如抗棉铃虫性状，参考国家现有棉铃虫抗性标准，抗性达1级以上；如小麦各类抗病性状，抗性达1级以上；如植物抗逆性状，在半致死剂量逆境条件下，与对照相比，转基因作物存活率提高10%以上；在正常环境下，对作物生长发育没有显著负面影响；抗除草剂性状，抗草甘瞵EPSP合酶基因，可以耐受4倍生产上使用剂量的草甘膦，抗草甘瞵N-乙酰转移酶基因，可以耐受4倍生产上使用剂量的草甘膦；作物高产性状，通过转基因或分子标记辅助选择在作物中进行了基因功能验证，提高作物产量5%以上；作物品质性状，极显著改进外观品质，如籽粒外观、加工品质、食味、营养价值等性状，极显著改进度量品质，如纤维长度、强度、细度；作物蛋白质、淀粉、油分、油酸和不饱和脂肪酸、赖氨酸、含硫氨基酸等性状，性状值提高5%以上。养分高效性状，能明显提高养分的吸收或利用效率，与对照相比，在产量不变的前提下，能减少5%-10%氮、磷或钾肥的用量，或在同等施肥条件下，产量比对照提高5%以上；光能高效性状，能明显提高目标作物的光能吸收或利用效率，与对照相比，光能利用效率或抗光氧化能力提高5%以上，或生物量/产量比对照提高5%以上。 对于转基因育种新材料需要具备目标性状表现突出、重要经济性状表现稳定的特点。举例来讲，抗白叶枯病转基因水稻，抗白叶枯病效果达到高抗。鉴定标准参照国际水稻研究所9级分级标准。耐盐转基因水稻，耐盐效果达到中抗以上，鉴定标准参照国际水稻研究所制定的9级分级标准制定。高产转基因水稻，与受体对照品种比较，产量增加10%以上；与区试对照品种比较，产量增加5%以上。抗逆转基因小麦，抗旱性达到极强或强水平，鉴定方法参照2008年农业部颁布实施的“小麦抗旱性鉴定评价技术规范”（GB/T 21127—2007）。高产转基因玉米，东北春玉米区，与受体对照品种比较，产量增加8%以上，与区试对照品种比较，产量增加6%以上；黄淮海夏玉米区，与受体对照品种比较，产量增加5%以上，与区试对照品种比较，产量增加3%以上；西南山地玉米区：与受体对照品种比较，产量增加10%以上；与区试对照品种比较，产量增加5%以上。针对不同的作物，不同的性状，都有各自初步的判定标准。 转基因新材料保存及育种价值评估信息管理 完成了对自主创新的新基因或转基因新材料的目标性状的评价似乎就完成了转基因作物育种价值评估过程。但从长远来讲，这些新材料的保存及信息、材料的共享利用，对于转基因材料在作物育种中的安全、广泛应用也很重要。 我国已建立了国家农作物种质资源库和保存中心，长期保存各类农作物基因资源39万余份，建立了农作物基因资源信息系统和农作物基因资源共享平台。国家种质库未针对转基因材料建立专门的保存设施，尚无转基因材料保存的相关技术标准，在保存手段上相对单一，不能较好地满足转基因材料的保存需求；现有的基因资源信息系统也未制定基因和转基因材料的相关数据标准，转基因材料的信息尚未进入基因信息数据库中，基因和转基因材料的信息，尤其是育种价值评估信息的共享几乎是空白，严重影响了转基因材料的深入和持续利用。许多转基因新材料未纳入国家种质资源保存体系，导致转基因材料分散于各研究单位或专家手中，不利于转基因材料的长期保存和利用，也容易引起潜在的基因污染。因此，迫切需要在国家农作物种质资源库的基础上建立转基因材料的国家管理和保存体系，对转基因材料进行集中编目、接收、检测、保存和分发利用，并建立基因和转基因新材料的数据库，开发信息管理系统，实施跟踪管理，并实现新材料与信息的社会共享。对转基因作物育种价值评估的范畴也应该包括对转基因材料保存的安全性、基因和转基因信息数据库的完善度、信息及材料共享利用的可行性等进行评估，为转基因材料在作物育种中的安全、广泛应用提供重要的保障。 当然，随着各种类型的转基因新材料的不断涌现，转基因新材料在作物育种应用中各种新问题的出现，以及育种家对转基因新材料应用的各种新要求的提出等，对转基因植物育种价值评估的内容及标准也会不断完善和更新，确保转基因新材料在未来转基因生物育种中发挥更重要的作用。
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  • 《下一代测序技术在传染病领域的应用》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：huangcui
    • 发布时间：2019-04-11
    • 2月14日，《美国医学会杂志》发布题为《传染性病原体的下一代测序技术》（Next-Generation Sequencing of Infectious Pathogens）的文章。文章指出，下一代测序技术具有改善临床和公共卫生微生物学的潜力。除了比传统方法更快更准确地识别病原体之外，高通量技术和生物信息学还可以对疾病传播、毒力和抗生素耐药性提供新的见解。美国公共卫生系统获得2014年由国会在疾病预防控制中心建立的“高级分子检测”（Advanced Molecular Detection，AMD）计划的支持，正在将病原体基因组测序整合到传染病监测中。 下一代测序技术在传染病领域如何发挥作用 下一代测序是一项多功能技术，广泛适用于病毒、细菌、真菌、寄生虫、动物载体和人类宿主等。根据测序的目标选择可用的方法，同时需要在准确性、效率和成本方面进行权衡。对于常规测序，大多数美国临床和公共卫生微生物实验室采用短读长测序平台，可获得长达1000个碱基对的序列。微生物基因组通常比人类基因组更小且更简单，长读长测序技术（如单分子实时测序）对于构建完整、高度精确的基因组以及分选质粒、重复序列和其他复杂区域非常有用。 另一种方法为纳米孔测序技术，依赖于将单个DNA或RNA分子穿过工程蛋白纳米孔，并监测每个孔的电流。第一个这样的商用仪器提供了相对较长的测序序列，并允许在测序仍在进行时开始数据分析。通过不断改进硬件和试剂，降低了早期在处理能力和准确性方面的限制。由于设备的便携性、快速的样品制备、灵活性和相对较低的成本，纳米孔测序技术正成为临床和公共卫生环境中病原体测序的可行策略。 将原始序列数据转换为可操作信息的过程十分复杂且需要大量计算（图1）。第一步通常是通过序列比对将序列定位到参考基因组上，或通过重叠片段序列从头组装来将较短片段拼接成完整序列。将组装好的基因组与参考菌（毒）株进行比较，可以方便地进行许多推断，如病原体鉴定、高分辨率菌株分型以及重要表型特征（如毒力、抗生素耐药性）的预测。微生物病原体进化迅速，而且可以在不同菌株和物种之间交换质粒（通常编码毒力和抗生素耐药性特征），因此最新的参考数据库至关重要。组装好的的基因组可以与其他基因组进行比较，以寻找系统发育类群作为传播的证据。每一步拼接、菌株分型、表型分型和类群都需要不同的生物信息学工具，这些工具必须整合到协调一致的工作流程中。 图1 病原体基因组序列数据分析流程图 实践中的重要考虑因素 在公共卫生领域，下一代测序技术的速度和准确度为传染病疫情监测和调查提供了便利。例如，在美国疾病预防控制中心及其公共卫生合作伙伴维护的食源性疾病监测系统PulseNet中，监测方法正在顺利地从较老的分子方法（脉冲场凝胶电泳）向下一代测序过渡。PulseNet现在能够更早地检测到疾病暴发，更准确地区分相关病例群，并更快地将疾病与潜在的污染食物源联系起来。 将病原体基因组学与流行病学相结合，将加强公共卫生工作，预防传染性疾病（如结核病）的传播。结核分离株基因分型可以证实从接触调查中推断的传播，或表明明显不相关病例之间的联系，从而帮助卫生部门更好地集中资源。下一代测序技术有可能比传统的检测方法更快地获得抗分枝杆菌药物敏感性的信息，从而使治疗更加及时。 下一代测序数据适用于标准化和共享，这是全球卫生伙伴关系的重要优势，如世界卫生组织的流感监测系统。开放的“测序优先”方法可以为选择候选流感疫苗产生及时和准确的数据，在监测共同传播的病毒种群动态的同时迅速识别流行的变异株。 下一代测序技术也为具有挑战性的现场调查提供了便利。例如，在2015年埃博拉疫情暴发期间，英国的一个研究小组将纳米孔测序仪装进行李箱中运到几内亚。在8个月的时间里，他们现场测定了142个埃博拉病毒基因组的序列，测序通常在1个工作日内完成，然后将数据传输到云端进行分析，第二天返回结果。尽管存在重大的后勤挑战，包括不可靠的电力和互联网服务，该小组在没有从该国运出样本的情况下提供了可用的流行病应对信息。 在AMD计划的支持下，美国公共卫生实验室正在迅速采用下一代测序技术对食源性疾病、结核病、丙型肝炎、军团菌和其他病原体进行监测和调查。然而，从研究到常规公共卫生和临床应用的过渡必须克服重大挑战。在实验室层面，这些挑战包括基础设施、劳动力开发、效率和成本。在更广泛的系统层面上，需要大量的工作来制定标准操作规程、水平测试程序、专业指南和监管要求等。 价值 与传统的测序方法相比，下一代测序技术提高了速度、准确性和细节，但也增加了成本。例如，美国疾病预防控制中心的一项分析估计，用下一代测序技术检测一个细菌分离株的成本约为150至250美元，相比之下，用脉冲场凝胶电泳分析的成本为94美元。整合针对多种病原体的工作流程可能会提高实验室效率，并有助于抵消这一成本，然而，向下一代测序的过渡还需要在实验室设备、计算机资源和培训方面进行大量的前期投资。还需要更多的信息来评估下一代测序技术在患者、规划和社会层面的微生物学价值。 证据 以证据为基础的准则仅适用于病原体序列数据的少数特定临床应用，例如在选择用于HIV感染的抗逆转录病毒治疗时。来自细菌、病毒、真菌和寄生虫基因组的序列信息是许多新的基于核酸的诊断测试的基础，包括“现场即时”诊断工具。随着综合征（如腹泻）诊断的多重工具得到更广泛的应用，将需要有系统的工作来评估它们的临床有效性和实用性，以及它们对基于实验室的公共卫生监测的影响。 总结 下一代测序正在改变公共卫生应对传染病的方法，以及患者的个体化治疗方法。在建立质量标准、报告和分析下一代测序数据方面进行更好的协调，可以使这些工作具有协同作用。
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