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轉基因真菌或成最致命動物的克星

美國科學家最近用蜘蛛毒素基因改造一種喜歡感染瘧蚊的真菌綠僵菌,可以在短時間內將試驗區內傳播瘧疾且含有殺蟲劑抗性的瘧蚊數量減少99%,有望開發出強大的滅蚊新武器。差不多在同時,英國一家公司也推出了第二代抗登革熱轉基因伊蚊,滅蚊效果也非常不錯。

夏天已經來臨,人們免不了受到越來越多蚊子的騷擾,但很多人可能不曾想到,對人類來說,小小的蚊子竟然位列世界上最致命的動物之首。

世界上每年有約20億人受到蚊子叮咬,因其傳播瘧疾、登革熱、寨卡病毒等致命性傳染病,每年造成超過60萬人死亡。據世界衛生組織報告,2017年全球僅瘧疾死亡人數就高達43.5萬,以非洲兒童居多。科學家一直在尋找安全有效的大規模滅蚊方法,以大幅降低蚊媒傳染病的發生率和死亡率。

2019年5月31日,美國馬裡蘭大學和布基納法索健康科學研究所的研究人員在國際頂級學術期刊《科學》上報導稱,他們用蜘蛛毒素基因改造一種喜歡感染瘧蚊的真菌——綠僵菌,可以在短時間內將試驗區內傳播瘧疾且含有殺蟲劑抗性的瘧蚊數量減少99%,有望開發成一種新的滅蚊武器。與此同時,英國牛津大學和Oxitec公司也推出了第二代抗登革熱轉基因伊蚊,滅蚊效果也非常不錯。

轉基因真菌如何工作

目前常用的滅蚊方法是在蚊帳或房屋牆壁上噴灑擬除蟲菊酯等化學殺蟲劑,不僅對環境造成汙染,而且越來越多的蚊子開始表現出殺蟲劑抗性,大大降低了化學殺蟲劑預防瘧疾的效果。於是,科學家們開始將目光轉向綠僵菌等生物殺蟲劑。

綠僵菌是一種特異性感染節肢昆蟲的真菌。早在140年前,科學家就發現綠僵菌能感染並殺死小麥金龜子和甜菜象鼻蟲等害蟲,之後又陸續發現不同的綠僵菌可攻擊五十多個種屬的約兩百多種昆蟲,因此綠僵菌也被開發成防治害蟲的常見生物農藥。天然的綠僵菌同樣能感染傳播瘧疾的瘧蚊,但是對瘧蚊缺乏殺傷力,往往需要較長時間和大量的真菌孢子,而且持續效果不佳。

為了增強綠僵菌對瘧蚊的殺傷效果,美國馬裡蘭大學和布基納法索健康科學研究所的研究人員展開合作,將表達蜘蛛和蠍子致命毒素的基因轉入一種叫平沙綠僵菌的體內,同時轉入的還有綠色熒光蛋白基因,以便通過綠色熒光觀察基因轉染效果及後續感染瘧蚊的效果。考慮到這種毒素的安全性,研究人員在上述毒素基因前面加入了一種特殊的啟動子,使其只能在瘧蚊身上特異性表達,對人類、哺乳動物和蜜蜂等其它昆蟲都不起作用。

在前期研究中,研究人員發現,與天然綠僵菌相比,這種轉入蜘蛛毒素基因的綠僵菌在實驗室能殺死80%以上的瘧蚊,所需的真菌孢子數量可減少40%,而且在5天內即可將瘧蚊的瘧疾傳播能力降低95%以上,也就是說基本喪失傳染瘧疾的能力。更為重要的是,轉基因綠僵菌對有化學殺蟲劑抗性的瘧蚊同樣有效。

為了驗證這種轉蜘蛛毒素基因的綠僵菌滅蚊效果,在布基納法索西部一個瘧疾流行的村莊,研究人員用兩層蚊帳圍建成一個大約600平方米的封閉式空間,並將其分隔成不同的小隔間,在每個隔間中盡量模擬瘧蚊野外生活環境,含有植物、供雌蚊產卵繁殖的水池,同時定期牽入小牛供雌蚊吸血。研究人員在其中三個實驗隔間中分別投放1500只有化學殺蟲劑抗性的當地瘧蚊,包括1000隻雄蚊和500隻雌蚊。在每個小實驗隔間的一面牆上,研究人員放置了一塊塗有芝麻油的黑布,以便雌蚊吸血後休息之用,因為先前的研究表明,芝麻油有助於提高綠僵菌的感染效率。其中兩個實驗隔間的黑布上,研究人員分別放置轉蜘蛛毒素基因和綠色熒光蛋白基因的轉基因綠僵菌以及隻含有綠色熒光蛋白基因的轉基因綠僵菌,另一個實驗隔間的黑布則不含綠僵菌,作為空白對照。

經過45天的試驗,每個隔間的蚊子都繁殖了兩代,研究人員發現在沒有綠僵菌的隔間裡,每代蚊子數量呈增長趨勢,很快就超過了原有種群數量;在含有轉綠色熒光蛋白基因綠僵菌的隔間中,每代蚊子數量有所減少,但是仍有足夠數量能繁殖後代;而在含有轉蜘蛛毒素基因綠僵菌的隔間中,蚊子的數量不斷減少,最後只有13隻蚊子成活,基本喪失繼續繁殖種群的能力。重複三次,結果都類似。進一步研究發現,經過含蜘蛛毒素的轉基因綠僵菌感染,雌蚊的產卵數量和質量、吸血欲望都急劇降低。另外,與隻表達綠色熒光蛋白的轉基因綠僵菌相比,含蜘蛛毒素的轉基因綠僵菌感染期持續更長。這表明轉基因綠僵菌釋放的蜘蛛毒素對有殺蟲劑抗性的瘧蚊具有較強的殺傷力,能在短時間內消滅蚊子種群,有望開發出預防瘧疾的新一代生物滅蚊農藥。

研究人員希望下一步進行更大規模的野外試驗,以進一步驗證轉基因綠僵菌的有效性和安全性。研究人員同時對轉基因綠僵菌的應用抱有信心,因為綠僵菌已作為生物農藥在許多非洲國家注冊並廣泛使用,而且轉基因微生物作為生物農藥已被美國和加拿大等國家批準用於農業用途。

友好型轉基因蚊子推陳出新

與轉基因不育蚊子相比,馬裡蘭大學的研究人員認為轉基因綠僵菌具有更加廣譜的滅蚊效果,不過轉基因不育蚊子也是一項值得關注的滅蚊新技術。目前國際上已培育出抗登革熱、抗瘧疾的轉基因蚊子,其中要屬英國牛津大學及其旗下Oxitec公司研究人員培育的抗登革熱轉基因埃及伊蚊最為成熟,最近更是推出了第二代友好型轉基因蚊子。

埃及伊蚊能傳播登革熱病毒、寨卡病毒和黃熱病毒等病毒,是危害最大的蚊子之一。2007年,牛津大學盧克·阿爾菲博士團隊培育出第一代能有效控制野生蚊子數量的轉基因雄性伊蚊。這種轉基因伊蚊含有一種受四環素調控的自限性致死基因,即在實驗室中,因為飼喂蚊子的食物含四環素,該致死基因受到四環素的抑製,不能合成毒素,轉基因伊蚊得以正常繁育,但是在野外環境中,蚊子的食物中缺乏四環素,該致死基因則會慢慢產生毒素,將轉基因伊蚊幼蟲殺死。將在實驗室培育的轉基因雄蚊放飛到野外與野生雌蚊交配,可使其後代不斷夭折,從而逐漸減少野外埃及伊蚊的種群數量。

隨後,Oxitec公司在英屬開曼群島、巴西、哥倫比亞、印度、巴拿馬等地開展了野外放飛試驗,結果均表明這種轉基因不育伊蚊能將試驗區的野生伊蚊種群數量減少80%以上。巴西和美國等國家的政府機構也相繼出具評估報告,認為Oxitec公司轉基因伊蚊不會對人和環境產生安全風險,其中巴西成為世界上第一個批準轉基因伊蚊進行商業化生產的國家,美國也計劃在佛羅裡達州開展轉基因伊蚊的野外試驗。

2018年5月,已被美國生物技術巨頭Introxon公司以1.6億美元收購的Oxitec公司正式推出第二代友好型轉基因蚊子。與第一代轉基因伊蚊相比,第二代轉基因伊蚊引入性別控制技術,能自動區分雌雄,防止工作人員在人工辨別雌雄時被叮咬而染病,而且致死基因只在轉基因雌蚊體內表達,導致轉基因雌蚊幼蟲無法長大成“蚊”,轉基因雄蚊雖然含有致死基因,但不會合成毒素,從而能存活至成年,並能將致死基因傳遞給後代,當然轉基因雄蚊會在與野生雌蚊交配後死亡。這樣不用像第一代技術那樣反覆投放大量轉基因雄蚊,從而大幅降低轉基因雄蚊的生產和投放成本,同時也提高了轉基因伊蚊滅蚊技術的可操作性。

最為重要的是,第二代轉基因伊蚊在控制蚊子種群數量方面表現更為出色。據Oxitec公司網站2019年6月3日報導,經過巴西國家生物安全局批準,Oxitec公司已在巴西東南部城市坎布納斯市的四個社區開展了為期一年的第二代轉基因伊蚊野外放飛試驗。與未釋放轉基因伊蚊的對照社區相比,在低密度釋放第二代轉基因伊蚊的實驗區域裡,野生伊蚊數量減少89%,而高密度釋放區域則減少93%,最高可達96%,均優於第一代技術的野生伊蚊種群控制效果。另外,第二代技術發揮作用時間更短,第二代技術達到上述效果只需要一個月,而第一代技術則需要六個月。Oxitec公司計劃在今後兩年繼續在巴西其它地區開展更多的野外試驗,以評估第二代轉基因伊蚊的安全性和控蚊效果。

值得一提的是,Oxitec公司開發的這種自限性轉基因技術也已應用於其他農業害蟲防治上,如危害蔬菜的小菜蛾、危害水果的斑點果蠅和地中海果蠅、危害大豆的尺蠖以及危害玉米、水稻等禾本科植物的草地貪夜蛾。據Oxitec公司研究人員最新公開發布的論文顯示,該公司培育的轉基因地中海果蠅能顯著控制野生地中海果蠅數量,蘋果也不再受地中海果蠅的侵害,顯著提高了蘋果品質,顯示自限性轉基因技術在農業害蟲防治方面具有較高的應用價值。

草地貪夜蛾原產於美洲,2016年傳播到非洲。據我國農業部數據,2019年1月在我國雲南首次發現草地貪夜蛾,目前已肆虐我國18個省,尚缺乏有效的防控手段,可能對我國玉米等糧食生產造成巨大影響。2019年4月,Oxitec公司宣布將與英國牛津大學開展為期三年的合作,重點研發與轉基因伊蚊類似的轉基因草地貪夜蛾,以達到快速防控貪夜蛾災情爆發的目的。

由此可見,轉基因技術不僅能培育食用轉基因農業動植物,而且還能用於農業害蟲的防治,將對農業生產和人類健康產生積極影響。

南方周末特約撰稿 湯波

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